基于TMS320F2812的RFID系统设计

摘  要： 介绍了基于DSP实现RFID超高频(UHF)射频识别系统的方法，该系统采用TMS320F2812 DSP作为主控芯片，AS3991作为无线收发模块，基于EPC GEN2协议实现RFID读写器对标签的识别、读写等操作。DSP的使用简化了射频系统的复杂度，使得该系统具有低成本、通信稳定、操作简单等优点，应用前景十分广阔，对RFID 的推广具有一定的指导意义。
关键词： DSP；RFID；标签；EPC；GEN2
       射频识别RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动标识技术，它利用射频信号和空间耦合来实现对物体的自动识别。与其他的识别方式相比，射频识别技术能对移动的多个目标识别，特别是随着物联网的提出，RFID技术的优势更加突显，其应用领域更加广泛。例如，RFID标签中有足够的存储空间，可以存放物品的有用信息，能够真正实现让物品“开口说话”[1，2]。
     本文利用TI公司TMS320F2812 DSP 处理器作为主控芯片，设计实现了一套基于EPC GEN2协议标准的射频识别系统，通过USB与上位机通信。
1 RFID系统原理
     一个典型的RFID系统是由读写器、标签和天线等组成。读写器用来读写标签上的数据，标签是存储数据的记忆芯片，天线则用来传输读写器和标签之间的射频信号。读写器首先从上位机得到指令，然后对指令进行编码调制并通过天线发送出去，处在读写器工作范围内的标签接收命令并通过改变能量强度发射响应信号，读写器通过天线接收响应信号并对其解调解码后传输到上位机做进一步处理。
     EPC GEN2标准定义了UHF射频识别系统的通信协议，其工作频率范围为860 MHz～960 MHz，采用ITF通信方式，包括物理层和标签识别层两部分。
     阅读器发往标签的信息可以采用双边带幅度键控（DSB-ASK）、单边带幅度键控（SSB-ASK）或者反向相位幅度键控（PR-ASK）的方法进行调制载波，数据编码方式采用脉冲间隔编码（PIE）。标签从其未调制波中获取工作能量，要发送的信息通过反向散射调制载波的相位或者幅度，编码方式采用双向间隔码（FM0）编码或者Miller调制副载波。阅读器和标签之间的通信是半双工的，阅读器可以通过发送选择（Select）、盘存（Inventory）和访问（Access）命令来对标签进行读写等操作[3]。
     本系统通过主控芯片来发送命令/数据和接收处理过的数据，射频模块完成协议的操作和数据的编、解码，并通过主控芯片USB与上位机进行数据交互。
2 RFID硬件设计
2.1 主控芯片
     本系统的主控芯片使用TI公司TMS320F2812。该DSP芯片采用高性能静态CMOS技术，具有低功耗、高速度的特点。其内核依靠1.8 V供电，I/O口则是3.3 V供电，主频高达150 MHz，单指令周期仅为6.67 ns。另外该芯片还提供了SPI接口，并支持JTAG边界扫描，方便了代码的开发[4]。芯片的高速运算能力和短指令周期，保证了信息不会丢失，且有效减少了干扰信号，提高了系统的稳定性和可靠性。
     本系统采用SPI串行口与射频模块进行通信，F2812中SPI接口还支持一个16级的发送接收FIFO，从而保证了信息的可靠，减少了CPU的损耗，如图1所示。
   
   2.2 电源模块
     采用TI公司的TPS767D318作为电压的转换芯片，可同时为DSP提供1.8 V和3.3 V电压，满足内核和I/O口的供电要求。
2.3 射频模块
     射频模块采用的是奥地利微系统公司研制的用于超高频RFID读写器的专用芯片AS3991，其封装形式为64脚QFN，原理如图2所示。该芯片具有集成度高的特点，芯片内集成了接收电路、发送电路、协议处理单元、连接MCU的并行接口或者SPI串行接口等。支持两种工作模式--完全支持EPC GEN2协议和兼容IS0 18000-6A/B协议[5]。本系统采用的是EPC GEN2协议。
   
       需要发送给RFID的命令和数据信号经编码、调制、射频放大后输出到天线。由天线接收到的RFID响应信号送到芯片输入端，经由IQ MIXER得到两路的中频信号IQ，再由增益、滤波、数字化转换就得到了相应的数据信号，之后由芯片的协议处理模块进行解码、CRC校验后存入FIFO中，此时再由DSP根据SPI协议读取数据。
3 RFID软件设计
3.1 防碰撞算法
     本系统所采用的防碰撞算法是EPC GEN2协议的概率分槽防碰撞算法。根据EPC GEN2协议，算法流程如图3所示。