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兼具設(shè)計(jì)彈性與成本優(yōu)勢 FPGA加速RFID讀取機(jī)開發(fā)
作者:臺灣新電子
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2006-11-10 10:18:28
摘要:展望未來,RFID讀取機(jī)將會把如RF通訊協(xié)定處理等各種前端DSP功能,整合至FPGA元件。目前RF通訊協(xié)定處理仍是由獨(dú)立DSP元件負(fù)責(zé)。嵌入式軟體處理器核心已能提供優(yōu)異的DMIPS/MHz效能,不久將能取代后端外部處理器,以支援控制讀取機(jī)的應(yīng)用功能,透過可編程邏輯元件為RFID讀取機(jī)帶來最大彈性與降低成本的優(yōu)勢。
FPGA元件可靈活編程的特性,一直扮演著加速產(chǎn)品上市速度的重要角色。藉由FPGA與嵌入式處理器核心的搭配,將有助於RFID讀取機(jī)設(shè)計(jì)業(yè)者,利用市面上現(xiàn)成的射頻相關(guān)元件,在最短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出符合產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。
無線射頻識別系統(tǒng)(RFID)是一種自動辨識技術(shù),每個(gè)目標(biāo)實(shí)體均擁有一組獨(dú)一無二的辨識碼(Unique Identifying Number, UID),并儲存於RFID詢答器(Transponder)或標(biāo)籤上。RFID標(biāo)籤通常貼附在實(shí)體上,如硬紙片、貨架、包裝盒等。RFID讀取機(jī)(詢問器)能從標(biāo)籤中擷取出UID。
一個(gè)基本的RFID系統(tǒng)包含三個(gè)元件:天線或線圈、含有RFID解碼器的收發(fā)器、以及擁有UID的RFID標(biāo)籤。表1顯示了四種常用的RFID頻率及其相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。目前最受矚目的商業(yè)用途頻率為超高頻(UHF)。此頻率已在供應(yīng)鏈管理方面進(jìn)入大量應(yīng)用階段。
EPC為電子商品條碼(Electronic Product Code)的縮寫。此條碼為一種RFID標(biāo)籤的標(biāo)準(zhǔn),包含標(biāo)籤的資料內(nèi)容,以及各種開放式無線通訊協(xié)定。EPC結(jié)合了條碼規(guī)格中使用的各項(xiàng)資料標(biāo)準(zhǔn),以及ANSI與其他組織(802.11b)所開發(fā)的無線資料通訊標(biāo)準(zhǔn)。目前供應(yīng)鏈管理所採用的EPC標(biāo)準(zhǔn)為EPC Class1 Gen2(圖1)。
供應(yīng)鏈所須的RFID標(biāo)籤與讀取機(jī)
Class1標(biāo)籤通常是在工廠中就已預(yù)先編寫完成,但也可在現(xiàn)場下載。通常當(dāng)標(biāo)籤寫入資料后,記憶體就被鎖住,不允許再寫入資料。Class1標(biāo)籤採用傳統(tǒng)的封包型通訊協(xié)定,讀取機(jī)傳出的封包中,即含有指令與資料,緊接著還有標(biāo)籤的回應(yīng)訊息。
RFID系統(tǒng)環(huán)境使用的頻道屬於免授權(quán)的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段,因此充滿著許多干擾源。在這種頻段中運(yùn)作的RFID讀取機(jī),容易受到各種外部干擾源的影響,包括無線電話、無線耳機(jī)、無線資料網(wǎng)路、以及其他鄰近的讀取機(jī)裝置。每種讀取機(jī)的射頻(RF)接收器之前端元件必須能承受極高的干擾源,而且不會因訊號扭曲而造成詢答錯(cuò)誤(圖2)。接收器的雜訊必須維持在最低,如此才能維持充裕的動態(tài)范圍,在無錯(cuò)誤的狀態(tài)下,偵測低強(qiáng)度的標(biāo)籤應(yīng)答訊號。
抗雜訊射頻讀取機(jī)設(shè)計(jì)
圖3顯示的讀取機(jī)射頻收發(fā)器架構(gòu)是一種已廣為業(yè)界認(rèn)可的設(shè)計(jì),能夠在高密度、充斥干擾源的環(huán)境下正常運(yùn)作。發(fā)送器與接收器結(jié)合了高動態(tài)范圍的直接轉(zhuǎn)換調(diào)變器與解調(diào)變器,藉以達(dá)到最高的強(qiáng)固性與最低的成本。
此讀取機(jī)的核心採用凌力爾特(Linear Technology)的LT5516高整合度直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)變器(Direct Conversion Quadrature Demodulator),晶片內(nèi)部包含高精準(zhǔn)度正交相位(0 與90 )轉(zhuǎn)換器。天線接收到的訊號在通過射頻過濾器后,透過平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器直接傳送到解調(diào)變器的輸入端。由於該款調(diào)變器的雜訊值相當(dāng)?shù)停虼瞬恍枰碗s訊放大器(LNA),故能維持21.5 dBm IIP3與9.7dB P1dB的效能。
在接收階段,讀取機(jī)會向標(biāo)籤傳送一個(gè)連續(xù)波(未調(diào)變)載波。在詢答階段,標(biāo)籤會對載波的振幅進(jìn)行調(diào)變,傳回一個(gè)位元流。調(diào)變格式為振幅偏移調(diào)變(Amplitude Shift Key, ASK)或反相振幅偏移調(diào)變(Phase-Reversal ASK)。解調(diào)變器包含兩個(gè)正交相位偵測輸出端,提供多元化的接收功能。若某個(gè)通道因多重通道或相位抵銷的緣故而無法收到訊號時(shí),其他通道(經(jīng)過90 的相位偏移)仍可接收高強(qiáng)度的訊號,反之亦然。因此,接收器的整體穩(wěn)定度得以提升。
經(jīng)過調(diào)變后,就可把相位(I)與正交相位(Q)的差動輸出訊號進(jìn)行耦合,傳至設(shè)定成差動放大器的運(yùn)作放大器,將訊號轉(zhuǎn)換成單端式輸出。設(shè)計(jì)者可把高通過門檻設(shè)定成5kHz-低於接收資料流的最低訊號內(nèi)容,并高於移動中標(biāo)籤所可能產(chǎn)生的最高都普勒頻率(Doppler Frequency),且仍遠(yuǎn)高於60Hz的電源線頻率。而產(chǎn)生的輸出訊號可藉由被設(shè)定成四階式(Fourth-order)的LT1568低通過濾器傳送出去。在此,可將低通過門檻頻率設(shè)定成5MHz,允許最大的位元流訊號通過基頻門檻。
此時(shí)基頻訊號可透過兩個(gè)解析度為12位元的低功耗類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)LTC2291,進(jìn)行數(shù)位化。由於標(biāo)籤的位元流傳輸頻寬為5kHz~5MHz,因此LTC2291能在25MSps的速度下,提供充裕的超額採樣效能,精準(zhǔn)地?cái)X取解調(diào)變訊號。若有需要,可在基頻數(shù)位訊號處理器(DSP)中,建置更多的數(shù)位過濾功能。這種設(shè)計(jì)帶來最高的彈性,讓接收器能設(shè)定邏輯門檻,讓基頻處理器能在數(shù)位模式下運(yùn)作。
高動態(tài)范圍射頻發(fā)送器設(shè)計(jì)
發(fā)送器採用整合型鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換調(diào)變器,如圖3所示,LT5568提供極高的線性比例以及低雜訊的門檻,為訊號的傳送提供優(yōu)異的動態(tài)范圍。調(diào)變器接收來自數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器(DAC)的正交基頻I與Q訊號,經(jīng)過轉(zhuǎn)換與調(diào)變后,直接輸出成900MHz的傳送頻率。
就內(nèi)部而言,一個(gè)高精準(zhǔn)度正交相位偏移器分割了區(qū)域振盪器(Local Oscillator, LO)。調(diào)變后的射頻訊號結(jié)合成一個(gè)單端、單邊頻的射頻輸出訊號,并以46dBc進(jìn)行鏡像抑制。此外,調(diào)變器對I與Q混頻器進(jìn)行匹配,將LO載波訊號最大抑制在-43dBm。
組成的調(diào)變電路展現(xiàn)出良好的鄰近頻道功率比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)效能,滿足傳輸頻譜遮蔽的需求。例如,在調(diào)變器射頻輸出值達(dá)-8dBm時(shí),ACPR則高於-60dBc。由於輸出端的雜訊相當(dāng)?shù)?,因此訊號可放大至最大的功?瓦(美國為+30dBm),或是歐規(guī)的2瓦。由於功率是用來為標(biāo)籤提供電力,藉以達(dá)到最大的讀取距離,因此不論是在何種狀況下,ACPR都須維持固定值。LTC5505射頻功率偵測器的內(nèi)部溫度補(bǔ)償機(jī)制,能精準(zhǔn)地測量功率,并提供穩(wěn)定回饋機(jī)制,來調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出訊號。
基頻處理與網(wǎng)路介面
在基頻部分,現(xiàn)場可編程邏輯閘陣列(FPGA)可針對傳送至DAC的訊號以及從ADC傳來的訊號,進(jìn)行波形頻道化的作業(yè)。這個(gè)流程亦稱為數(shù)位中頻(IF)處理,其中包含一些過濾、增益控制、頻率轉(zhuǎn)換、以及取樣率改變等作業(yè)。FPGA甚至能以平行模式處理多個(gè)頻道。
圖4顯示RFID讀取機(jī)架構(gòu)的分區(qū)模式。其他基頻作業(yè)包括:
.預(yù)先偵測
.序列評估
.調(diào)變與解調(diào)變(包括ASK、頻率與相位偏移調(diào)變)
.訊號產(chǎn)生
.相關(guān)器處理
.尖峰偵測與門檻限制
.CRC與檢查碼
.編碼與解碼(包括不歸零(NRZ)、曼徹斯特 (Manchester)編碼、單極、差分、雙極、米勒(Miller) 編碼)
.訊框偵測
.ID解擾碼
.安全加密引擎
接收到的RFID標(biāo)籤資料會透過序列埠或網(wǎng)路介面,傳送至企業(yè)系統(tǒng)伺服器。這種傳統(tǒng)架構(gòu)已演變成復(fù)雜分散式TCP/IP網(wǎng)路的一部分,在此環(huán)境中,讀取機(jī)負(fù)責(zé)管理鄰近的標(biāo)籤。如今,讀取機(jī)則扮演標(biāo)籤與智慧型分散式資料庫系統(tǒng)之間的閘道器,連結(jié)至各種企業(yè)軟體應(yīng)用系統(tǒng)中。
這些基頻作業(yè)依據(jù)硬體/軟體的分割狀態(tài),可在FPGA或數(shù)位訊號處理器、或結(jié)合兩種元件的系統(tǒng)上執(zhí)行。
基頻處理器不僅控制各種基頻作業(yè)的功能與排程,亦負(fù)責(zé)連結(jié)層通訊協(xié)定的作業(yè)。這些基頻作業(yè)包括:跳頻、側(cè)聽后傳送、以及防碰撞演算法的處理。此外,基頻處理器亦可提供像是乙太網(wǎng)路、USB、或Firewire等介面。
基頻作業(yè)與數(shù)位射頻頻道化的處理功能,讓以FPGA型態(tài)的解決方案具備更高的吸引力與整合度。FPGA功能、DSP功能、基頻處理器功能,能藉由一個(gè)嵌入式處理器整合至一個(gè)FPGA元件中。
藉由FPGA快速實(shí)現(xiàn)RFID讀取機(jī)設(shè)計(jì)
圖5顯示一個(gè)以FPGA為基礎(chǔ)的RFID處理器架構(gòu),其中的嵌入式處理器可使用一個(gè)硬體IP,如PowerPC,也可以是軟體核心如MicroBlaze,或甚至混合PowerPC與MicroBlaze。設(shè)計(jì)者可連結(jié)內(nèi)建的硬體乙太網(wǎng)路媒體存取控制(EMAC),透過外部乙太網(wǎng)路實(shí)體層元件連結(jié)至乙太網(wǎng)路。另一種替代方案是採用Lite Ethernet MAC IP來搭配/100-BaseT網(wǎng)路。
PowerPC/MicroBlaze嵌入型處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行以下作業(yè):
.EPC 資料處理與轉(zhuǎn)送
.通訊協(xié)定處理
.詢答作業(yè)的排程
.TCP/IP網(wǎng)路介面
.控制與監(jiān)視
.?dāng)?shù)據(jù)機(jī)控制器
.升級代理元件
.HTTP伺服器
.SNMP/MIB處理
以賽靈思(Xilinx)的一款千兆乙太網(wǎng)路系統(tǒng)(Gigabit Ethernet System)參考設(shè)計(jì)-GSRD為例,其為一款EDK型態(tài)的參考系統(tǒng),能在TCP/IP通訊協(xié)定與使用者資料介面間,扮演高效能橋接元件。GSRD元件具備的功能,可應(yīng)付TCP/IP系統(tǒng)每位元組與每個(gè)封包的處理需求。
TCP傳送效能量測指標(biāo),現(xiàn)已有MontaVista Linux作業(yè)系統(tǒng)以及Treck的專屬版本。藉由賽靈思XPS平臺的微處理器函式庫定義(Micro-processor Library Definition, MLD),Nucleus PLUS即時(shí)作業(yè)系統(tǒng),可運(yùn)用MicroBlaze與PowerPC處理器,為系統(tǒng)帶來更強(qiáng)的功能。同時(shí)能運(yùn)用晶片內(nèi)部記憶體來降低功耗、縮小尺寸,并提升效能,而完備的中介軟體,讓其成為RFID后端網(wǎng)路系統(tǒng)最佳的解決方案。
可攜式讀取機(jī)能連結(jié)各類硬碟、QWERTY鍵盤、可攜式記憶體介面、各種顯示器、以及其他以復(fù)雜可程式化邏輯元件(CPLD)實(shí)現(xiàn)的周邊裝置(圖6),這些CPLD能以極低的耗電量、高速效能、以及小型晶片封裝之優(yōu)勢,協(xié)助應(yīng)用處理器與支援上述功能。
展望未來,RFID讀取機(jī)將會把如RF通訊協(xié)定處理等各種前端DSP功能,整合至FPGA元件。目前RF通訊協(xié)定處理仍是由獨(dú)立DSP元件負(fù)責(zé)。嵌入式軟體處理器核心已能提供優(yōu)異的DMIPS/MHz效能,不久將能取代后端外部處理器,以支援控制讀取機(jī)的應(yīng)用功能,透過可編程邏輯元件為RFID讀取機(jī)帶來最大彈性與降低成本的優(yōu)勢。
(Niladri Roy與Akshaya Trivedi分別為Xilinx公司ISM垂直行銷部門資深經(jīng)理與無線方案垂直行銷部門資深系統(tǒng)工程師;James Wong為Linear Technology公司產(chǎn)品行銷經(jīng)理)
無線射頻識別系統(tǒng)(RFID)是一種自動辨識技術(shù),每個(gè)目標(biāo)實(shí)體均擁有一組獨(dú)一無二的辨識碼(Unique Identifying Number, UID),并儲存於RFID詢答器(Transponder)或標(biāo)籤上。RFID標(biāo)籤通常貼附在實(shí)體上,如硬紙片、貨架、包裝盒等。RFID讀取機(jī)(詢問器)能從標(biāo)籤中擷取出UID。
一個(gè)基本的RFID系統(tǒng)包含三個(gè)元件:天線或線圈、含有RFID解碼器的收發(fā)器、以及擁有UID的RFID標(biāo)籤。表1顯示了四種常用的RFID頻率及其相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。目前最受矚目的商業(yè)用途頻率為超高頻(UHF)。此頻率已在供應(yīng)鏈管理方面進(jìn)入大量應(yīng)用階段。
EPC為電子商品條碼(Electronic Product Code)的縮寫。此條碼為一種RFID標(biāo)籤的標(biāo)準(zhǔn),包含標(biāo)籤的資料內(nèi)容,以及各種開放式無線通訊協(xié)定。EPC結(jié)合了條碼規(guī)格中使用的各項(xiàng)資料標(biāo)準(zhǔn),以及ANSI與其他組織(802.11b)所開發(fā)的無線資料通訊標(biāo)準(zhǔn)。目前供應(yīng)鏈管理所採用的EPC標(biāo)準(zhǔn)為EPC Class1 Gen2(圖1)。
供應(yīng)鏈所須的RFID標(biāo)籤與讀取機(jī)
Class1標(biāo)籤通常是在工廠中就已預(yù)先編寫完成,但也可在現(xiàn)場下載。通常當(dāng)標(biāo)籤寫入資料后,記憶體就被鎖住,不允許再寫入資料。Class1標(biāo)籤採用傳統(tǒng)的封包型通訊協(xié)定,讀取機(jī)傳出的封包中,即含有指令與資料,緊接著還有標(biāo)籤的回應(yīng)訊息。
RFID系統(tǒng)環(huán)境使用的頻道屬於免授權(quán)的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段,因此充滿著許多干擾源。在這種頻段中運(yùn)作的RFID讀取機(jī),容易受到各種外部干擾源的影響,包括無線電話、無線耳機(jī)、無線資料網(wǎng)路、以及其他鄰近的讀取機(jī)裝置。每種讀取機(jī)的射頻(RF)接收器之前端元件必須能承受極高的干擾源,而且不會因訊號扭曲而造成詢答錯(cuò)誤(圖2)。接收器的雜訊必須維持在最低,如此才能維持充裕的動態(tài)范圍,在無錯(cuò)誤的狀態(tài)下,偵測低強(qiáng)度的標(biāo)籤應(yīng)答訊號。
抗雜訊射頻讀取機(jī)設(shè)計(jì)
圖3顯示的讀取機(jī)射頻收發(fā)器架構(gòu)是一種已廣為業(yè)界認(rèn)可的設(shè)計(jì),能夠在高密度、充斥干擾源的環(huán)境下正常運(yùn)作。發(fā)送器與接收器結(jié)合了高動態(tài)范圍的直接轉(zhuǎn)換調(diào)變器與解調(diào)變器,藉以達(dá)到最高的強(qiáng)固性與最低的成本。
此讀取機(jī)的核心採用凌力爾特(Linear Technology)的LT5516高整合度直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)變器(Direct Conversion Quadrature Demodulator),晶片內(nèi)部包含高精準(zhǔn)度正交相位(0 與90 )轉(zhuǎn)換器。天線接收到的訊號在通過射頻過濾器后,透過平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器直接傳送到解調(diào)變器的輸入端。由於該款調(diào)變器的雜訊值相當(dāng)?shù)停虼瞬恍枰碗s訊放大器(LNA),故能維持21.5 dBm IIP3與9.7dB P1dB的效能。
在接收階段,讀取機(jī)會向標(biāo)籤傳送一個(gè)連續(xù)波(未調(diào)變)載波。在詢答階段,標(biāo)籤會對載波的振幅進(jìn)行調(diào)變,傳回一個(gè)位元流。調(diào)變格式為振幅偏移調(diào)變(Amplitude Shift Key, ASK)或反相振幅偏移調(diào)變(Phase-Reversal ASK)。解調(diào)變器包含兩個(gè)正交相位偵測輸出端,提供多元化的接收功能。若某個(gè)通道因多重通道或相位抵銷的緣故而無法收到訊號時(shí),其他通道(經(jīng)過90 的相位偏移)仍可接收高強(qiáng)度的訊號,反之亦然。因此,接收器的整體穩(wěn)定度得以提升。
經(jīng)過調(diào)變后,就可把相位(I)與正交相位(Q)的差動輸出訊號進(jìn)行耦合,傳至設(shè)定成差動放大器的運(yùn)作放大器,將訊號轉(zhuǎn)換成單端式輸出。設(shè)計(jì)者可把高通過門檻設(shè)定成5kHz-低於接收資料流的最低訊號內(nèi)容,并高於移動中標(biāo)籤所可能產(chǎn)生的最高都普勒頻率(Doppler Frequency),且仍遠(yuǎn)高於60Hz的電源線頻率。而產(chǎn)生的輸出訊號可藉由被設(shè)定成四階式(Fourth-order)的LT1568低通過濾器傳送出去。在此,可將低通過門檻頻率設(shè)定成5MHz,允許最大的位元流訊號通過基頻門檻。
此時(shí)基頻訊號可透過兩個(gè)解析度為12位元的低功耗類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)LTC2291,進(jìn)行數(shù)位化。由於標(biāo)籤的位元流傳輸頻寬為5kHz~5MHz,因此LTC2291能在25MSps的速度下,提供充裕的超額採樣效能,精準(zhǔn)地?cái)X取解調(diào)變訊號。若有需要,可在基頻數(shù)位訊號處理器(DSP)中,建置更多的數(shù)位過濾功能。這種設(shè)計(jì)帶來最高的彈性,讓接收器能設(shè)定邏輯門檻,讓基頻處理器能在數(shù)位模式下運(yùn)作。
高動態(tài)范圍射頻發(fā)送器設(shè)計(jì)
發(fā)送器採用整合型鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換調(diào)變器,如圖3所示,LT5568提供極高的線性比例以及低雜訊的門檻,為訊號的傳送提供優(yōu)異的動態(tài)范圍。調(diào)變器接收來自數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器(DAC)的正交基頻I與Q訊號,經(jīng)過轉(zhuǎn)換與調(diào)變后,直接輸出成900MHz的傳送頻率。
就內(nèi)部而言,一個(gè)高精準(zhǔn)度正交相位偏移器分割了區(qū)域振盪器(Local Oscillator, LO)。調(diào)變后的射頻訊號結(jié)合成一個(gè)單端、單邊頻的射頻輸出訊號,并以46dBc進(jìn)行鏡像抑制。此外,調(diào)變器對I與Q混頻器進(jìn)行匹配,將LO載波訊號最大抑制在-43dBm。
組成的調(diào)變電路展現(xiàn)出良好的鄰近頻道功率比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)效能,滿足傳輸頻譜遮蔽的需求。例如,在調(diào)變器射頻輸出值達(dá)-8dBm時(shí),ACPR則高於-60dBc。由於輸出端的雜訊相當(dāng)?shù)?,因此訊號可放大至最大的功?瓦(美國為+30dBm),或是歐規(guī)的2瓦。由於功率是用來為標(biāo)籤提供電力,藉以達(dá)到最大的讀取距離,因此不論是在何種狀況下,ACPR都須維持固定值。LTC5505射頻功率偵測器的內(nèi)部溫度補(bǔ)償機(jī)制,能精準(zhǔn)地測量功率,并提供穩(wěn)定回饋機(jī)制,來調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出訊號。
基頻處理與網(wǎng)路介面
在基頻部分,現(xiàn)場可編程邏輯閘陣列(FPGA)可針對傳送至DAC的訊號以及從ADC傳來的訊號,進(jìn)行波形頻道化的作業(yè)。這個(gè)流程亦稱為數(shù)位中頻(IF)處理,其中包含一些過濾、增益控制、頻率轉(zhuǎn)換、以及取樣率改變等作業(yè)。FPGA甚至能以平行模式處理多個(gè)頻道。
圖4顯示RFID讀取機(jī)架構(gòu)的分區(qū)模式。其他基頻作業(yè)包括:
.預(yù)先偵測
.序列評估
.調(diào)變與解調(diào)變(包括ASK、頻率與相位偏移調(diào)變)
.訊號產(chǎn)生
.相關(guān)器處理
.尖峰偵測與門檻限制
.CRC與檢查碼
.編碼與解碼(包括不歸零(NRZ)、曼徹斯特 (Manchester)編碼、單極、差分、雙極、米勒(Miller) 編碼)
.訊框偵測
.ID解擾碼
.安全加密引擎
接收到的RFID標(biāo)籤資料會透過序列埠或網(wǎng)路介面,傳送至企業(yè)系統(tǒng)伺服器。這種傳統(tǒng)架構(gòu)已演變成復(fù)雜分散式TCP/IP網(wǎng)路的一部分,在此環(huán)境中,讀取機(jī)負(fù)責(zé)管理鄰近的標(biāo)籤。如今,讀取機(jī)則扮演標(biāo)籤與智慧型分散式資料庫系統(tǒng)之間的閘道器,連結(jié)至各種企業(yè)軟體應(yīng)用系統(tǒng)中。
這些基頻作業(yè)依據(jù)硬體/軟體的分割狀態(tài),可在FPGA或數(shù)位訊號處理器、或結(jié)合兩種元件的系統(tǒng)上執(zhí)行。
基頻處理器不僅控制各種基頻作業(yè)的功能與排程,亦負(fù)責(zé)連結(jié)層通訊協(xié)定的作業(yè)。這些基頻作業(yè)包括:跳頻、側(cè)聽后傳送、以及防碰撞演算法的處理。此外,基頻處理器亦可提供像是乙太網(wǎng)路、USB、或Firewire等介面。
基頻作業(yè)與數(shù)位射頻頻道化的處理功能,讓以FPGA型態(tài)的解決方案具備更高的吸引力與整合度。FPGA功能、DSP功能、基頻處理器功能,能藉由一個(gè)嵌入式處理器整合至一個(gè)FPGA元件中。
藉由FPGA快速實(shí)現(xiàn)RFID讀取機(jī)設(shè)計(jì)
圖5顯示一個(gè)以FPGA為基礎(chǔ)的RFID處理器架構(gòu),其中的嵌入式處理器可使用一個(gè)硬體IP,如PowerPC,也可以是軟體核心如MicroBlaze,或甚至混合PowerPC與MicroBlaze。設(shè)計(jì)者可連結(jié)內(nèi)建的硬體乙太網(wǎng)路媒體存取控制(EMAC),透過外部乙太網(wǎng)路實(shí)體層元件連結(jié)至乙太網(wǎng)路。另一種替代方案是採用Lite Ethernet MAC IP來搭配/100-BaseT網(wǎng)路。
PowerPC/MicroBlaze嵌入型處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行以下作業(yè):
.EPC 資料處理與轉(zhuǎn)送
.通訊協(xié)定處理
.詢答作業(yè)的排程
.TCP/IP網(wǎng)路介面
.控制與監(jiān)視
.?dāng)?shù)據(jù)機(jī)控制器
.升級代理元件
.HTTP伺服器
.SNMP/MIB處理
以賽靈思(Xilinx)的一款千兆乙太網(wǎng)路系統(tǒng)(Gigabit Ethernet System)參考設(shè)計(jì)-GSRD為例,其為一款EDK型態(tài)的參考系統(tǒng),能在TCP/IP通訊協(xié)定與使用者資料介面間,扮演高效能橋接元件。GSRD元件具備的功能,可應(yīng)付TCP/IP系統(tǒng)每位元組與每個(gè)封包的處理需求。
TCP傳送效能量測指標(biāo),現(xiàn)已有MontaVista Linux作業(yè)系統(tǒng)以及Treck的專屬版本。藉由賽靈思XPS平臺的微處理器函式庫定義(Micro-processor Library Definition, MLD),Nucleus PLUS即時(shí)作業(yè)系統(tǒng),可運(yùn)用MicroBlaze與PowerPC處理器,為系統(tǒng)帶來更強(qiáng)的功能。同時(shí)能運(yùn)用晶片內(nèi)部記憶體來降低功耗、縮小尺寸,并提升效能,而完備的中介軟體,讓其成為RFID后端網(wǎng)路系統(tǒng)最佳的解決方案。
可攜式讀取機(jī)能連結(jié)各類硬碟、QWERTY鍵盤、可攜式記憶體介面、各種顯示器、以及其他以復(fù)雜可程式化邏輯元件(CPLD)實(shí)現(xiàn)的周邊裝置(圖6),這些CPLD能以極低的耗電量、高速效能、以及小型晶片封裝之優(yōu)勢,協(xié)助應(yīng)用處理器與支援上述功能。
展望未來,RFID讀取機(jī)將會把如RF通訊協(xié)定處理等各種前端DSP功能,整合至FPGA元件。目前RF通訊協(xié)定處理仍是由獨(dú)立DSP元件負(fù)責(zé)。嵌入式軟體處理器核心已能提供優(yōu)異的DMIPS/MHz效能,不久將能取代后端外部處理器,以支援控制讀取機(jī)的應(yīng)用功能,透過可編程邏輯元件為RFID讀取機(jī)帶來最大彈性與降低成本的優(yōu)勢。
(Niladri Roy與Akshaya Trivedi分別為Xilinx公司ISM垂直行銷部門資深經(jīng)理與無線方案垂直行銷部門資深系統(tǒng)工程師;James Wong為Linear Technology公司產(chǎn)品行銷經(jīng)理)