基于C8051F131设计的RFID阅读器的信号处理电路设计
0 引言
基于saw(surface acoustic wave)标签的rfid系统采用了先进微电子加工技术制造的saw器件，具有体积小、重量轻、批量成本低、可靠性高、识别距离远、多功能等优点，与基于ic标签的rfid系统有很好的互补性，尤其在基于ic标签的rfid系统应用于带有金属物体、高温、强电磁干扰等恶劣环境无能为力时，基于saw标签的rfid系统就显示了它的优越性，同时saw标签也适甩干压力、加速度、温度等参数的测量，此技术在欧美已得到一定的应用。在我国，此方面的研究近几年才开始展开，技术还不够成熟。
本文将介绍一种saw rfid阅读器的信号处理电路设计及其软件设计。
1 阅读器的系统分析
阅读器采用模块化设计，最基本单元的为射频电路与信号处理电路。如图1所示，射频系统包括发射电路与接收电路，信号处理电路包括信号处理单元与外围电路。根据功能需求， 增加相应的电路，包括有通信电路、显示电路、存储电路、时钟电路等外围电路。
根据项目指标要求，设计的saw标签可接收40ns的脉冲询问信号，由saw标签发射极的间距确定每个脉冲回波延迟时间约为115ns。
阅读器工作开始后信号处理电路产生一段脉宽为40ns脉冲控制信号，送给发射电路，经过发射电路一系列调制处理，转换成脉宽是40ns，载频是915mhz的射频询问信号，通过天线发射出去。遇到saw标签后，标签反射回带有标签信息的射频回波信号，阅读器接收时经过接收电路一系列处理,解调出代表标签信息的回波包络信号，回波包络信号是具有24位，脉宽40ns的脉冲回波，每个回波的延迟时间约为115ns。之后送给信号处理电路进行进一步的识别和处理，完成识别标签的信息。
2 信号处理电路设计
信号处理电路主要负责阅读器的系统控制与信号处理任务。包括：发射时，控制射频开关截取40ns脉冲信号;接收时，数字采集经过射频接收电路解调的回波信号，将回波信号转化为标签编码数据进一步处理。其中回波信号的每个脉冲的脉宽为40ns，每个脉冲信号延迟时间为115ns，带宽则为 接收处理过程就是高速数据采集过程。分析指标要求，信号处理电路设计的关键点如下： (1)产生高速控制信号控制发射端的射频开关在40ns开与断。
(2)模拟信号到数字信号的转换速度。
(3)经过高速模数转换后，采样速率很快，信号处理器接收数据的速度必须匹配adc(analog to digitalconverter)的转换速度。
对于关键点(1)，选择高速处理器，通过软件编程实现40ns响应时间的高速控制信号。
对于关键点(2)，模拟信号的最高频率达到 根据奈奎斯特采样定律，采样频率要在64mhz以上，本系统采用采样频率为80mhz的高速adc。
对于关键点(3)，adc采样速率很高，达到80mhz，处理器无法直接接收处理如此庞大的采样数据。所以需要数据缓冲，这里选用fifo(first input first output)实现数据缓存功能。
2.1 系统结构与器件选择
为了使系统结构简单，我们选用一种高性能的mcu(micro controller unit)作为系统的信号处理核心。如图2所示，信号处理电路由mcu、adc、fifo、以及其他外围电路组成。
adc的选择：接收脉冲的宽度为40ns，带宽为25mhz，根据采样定理，这里选用adi公司的ad9057，8bit 80mhz，输入输出延迟时间tpd=9.5ns。
fifo的选择：fifo接收存储来自adc高速输出的数字信号，还要将数据输出给mcu，这对fifo的存取速度由很高的要求，这里选用idt公司的supersync ii系列fifoidt72v223，最高166mhz操作时钟，容量1024x9 bit，具有可编程性，选用异步模式。
mcu的选择：通过软件编程实现40ns的脉冲控制信号，接收时实现高速的数据采集，rfid系统要求高速工作速度，这里选用性能优秀c8051f131。c8051f是完全集成的混合信号系统级芯片，它的cip-51内核采用流水线结构，在同频率下是标准8051指令执行速度的12倍，c8051f131最高支持100mhz的时钟频率，处理速度也可达到100mips，32个i/0，128k flash，8448字节内部ram，可寻址64kb的片上外部ram。
时钟的选择：adc与fifo的工作状态由mcu控制。钟振提供adc采样时钟与fifo写时钟，adc采样时钟与fifo写时钟只有同步数据才能不丢失，通过查询器件的数据资料，adc转换速度与fifo的存取速度可以实现衔接，可共用钟振。fifo的读时钟与控制由mcu产生。
2.2 硬件电路设计
根据系统结构与器件的数据资料，部分电路设计如下：
(1)ad9057的电路设计：将射频接收电路输出端接入ad9057输入端：ad9057的8位数字信号输出端与idt72v223的低8位输入端连接;使用c8051f13l控制ad9057的pwrdn端，控制ad9057的工作状态。
(2)idt72v223的电路设计：在idt72v223主复位过程中，对相应引脚置位可确定其工作模式。选用异步、标准idt工作模式;数据输入由wclk和wen控制，输入时钟与输出时钟完全独立;只要ren和wen使能，就可以读写数据;oe为低，表示允许输出端输出;此外，idt72v223也提供了丰富的状态信号，将idt72v223低8位输出端连接c8051f131的i/o口。
(3)通信电路、显示电路、时钟电路、电源电路等其它电路的设计，按照器件数据资料的要求完成电路连接。
利用protel dxp绘制电路图与pcb版图，部分电路如图3和图4所示。完善器件布局，仿真电路与电气检查，完成加工制作。
3 软件设计与调试
系统软件流程如图5所示，系统开始工作，通过mcu初始化adc与fifo的工作状态，产生40ns脉冲询问信号控制射频开关，经过1us识别标签的传播延迟，mcu控制adc采样与fifo的写操作，待模数转换完成后，将fifo数据写入mcu，并与参考阈值比较，从而确定回波信号的编码信息，最后通过串口上传至上位机及显示，实现进一步处理。
程序设计采用keil uvision3环境编写，uvision3是集成的可视化windows操作界面，它支持绝大部分mcu，包括c8051f131，提供丰富的库函数和各种编译工具。按照系统工作流程，采用c语言编写程序，经过反复调试，烧录系统。通过测试，信号处理电路可按照规定流程顺利工作，达到设计的要求。
4 结论
本文介绍了saw rfid阅读器的信号处理电路设计与软件设计过程，通过实验表明，采用fifo作为adc与mcu之间的桥梁，起到很好的数据缓冲作用，降低了对mcu性能的要求，基于c8051f131设计的rfid阅读器的信号处理电路，具有结构简单，成本低，容易实现等特点。
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本文将介绍一种saw rfid阅读器的信号处理电路设计及其软件设计。
1 阅读器的系统分析
阅读器采用模块化设计，最基本单元的为射频电路与信号处理电路。如图1所示，射频系统包括发射电路与接收电路，信号处理电路包括信号处理单元与外围电路。根据功能需求， 增加相应的电路，包括有通信电路、显示电路、存储电路、时钟电路等外围电路。
根据项目指标要求，设计的saw标签可接收40ns的脉冲询问信号，由saw标签发射极的间距确定每个脉冲回波延迟时间约为115ns。
阅读器工作开始后信号处理电路产生一段脉宽为40ns脉冲控制信号，送给发射电路，经过发射电路一系列调制处理，转换成脉宽是40ns，载频是915mhz的射频询问信号，通过天线发射出去。遇到saw标签后，标签反射回带有标签信息的射频回波信号，阅读器接收时经过接收电路一系列处理,解调出代表标签信息的回波包络信号，回波包络信号是具有24位，脉宽40ns的脉冲回波，每个回波的延迟时间约为115ns。之后送给信号处理电路进行进一步的识别和处理，完成识别标签的信息。
2 信号处理电路设计
信号处理电路主要负责阅读器的系统控制与信号处理任务。包括：发射时，控制射频开关截取40ns脉冲信号;接收时，数字采集经过射频接收电路解调的回波信号，将回波信号转化为标签编码数据进一步处理。其中回波信号的每个脉冲的脉宽为40ns，每个脉冲信号延迟时间为115ns，带宽则为 接收处理过程就是高速数据采集过程。分析指标要求，信号处理电路设计的关键点如下： (1)产生高速控制信号控制发射端的射频开关在40ns开与断。
(2)模拟信号到数字信号的转换速度。
(3)经过高速模数转换后，采样速率很快，信号处理器接收数据的速度必须匹配adc(analog to digitalconverter)的转换速度。
对于关键点(1)，选择高速处理器，通过软件编程实现40ns响应时间的高速控制信号。
对于关键点(2)，模拟信号的最高频率达到 根据奈奎斯特采样定律，采样频率要在64mhz以上，本系统采用采样频率为80mhz的高速adc。
对于关键点(3)，adc采样速率很高，达到80mhz，处理器无法直接接收处理如此庞大的采样数据。所以需要数据缓冲，这里选用fifo(first input first output)实现数据缓存功能。
2.1 系统结构与器件选择
为了使系统结构简单，我们选用一种高性能的mcu(micro controller unit)作为系统的信号处理核心。如图2所示，信号处理电路由mcu、adc、fifo、以及其他外围电路组成。
adc的选择：接收脉冲的宽度为40ns，带宽为25mhz，根据采样定理，这里选用adi公司的ad9057，8bit 80mhz，输入输出延迟时间tpd=9.5ns。
fifo的选择：fifo接收存储来自adc高速输出的数字信号，还要将数据输出给mcu，这对fifo的存取速度由很高的要求，这里选用idt公司的supersync ii系列fifoidt72v223，最高166mhz操作时钟，容量1024x9 bit，具有可编程性，选用异步模式。
mcu的选择：通过软件编程实现40ns的脉冲控制信号，接收时实现高速的数据采集，rfid系统要求高速工作速度，这里选用性能优秀c8051f131。c8051f是完全集成的混合信号系统级芯片，它的cip-51内核采用流水线结构，在同频率下是标准8051指令执行速度的12倍，c8051f131最高支持100mhz的时钟频率，处理速度也可达到100mips，32个i/0，128k flash，8448字节内部ram，可寻址64kb的片上外部ram。
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(2)idt72v223的电路设计：在idt72v223主复位过程中，对相应引脚置位可确定其工作模式。选用异步、标准idt工作模式;数据输入由wclk和wen控制，输入时钟与输出时钟完全独立;只要ren和wen使能，就可以读写数据;oe为低，表示允许输出端输出;此外，idt72v223也提供了丰富的状态信号，将idt72v223低8位输出端连接c8051f131的i/o口。
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4 结论
本文介绍了saw rfid阅读器的信号处理电路设计与软件设计过程，通过实验表明，采用fifo作为adc与mcu之间的桥梁，起到很好的数据缓冲作用，降低了对mcu性能的要求，基于c8051f131设计的rfid阅读器的信号处理电路，具有结构简单，成本低，容易实现等特点。
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