引言

RFID技術的發展為物聯網的廣泛應用提供了技術支持，超高頻（UHF）讀寫器憑借讀取距離遠、速度快的特點，未來必將在各個行業得到廣泛的應用。目前，國內的大部分UHF讀寫器都是基于單頻點或者頻帶較窄，在讀取標簽的過程中容易出現盲區，導致無法順利讀取標簽。

本文提出了一種基于FPGA的數字跳頻技術，通過上位機設置中心頻點和跳頻步進，利用FPGA對集成鎖相環芯片進行配置，得到期望的頻率，實現跳頻讀取標簽，從而解決了實際情況中的盲區問題。

1 總體框架

UHF讀寫器總體設計框圖如圖1所示。主控芯片采用Altera公司的Cyclone III系列FPGA芯片EP3C25Q240C8。該芯片有24 624個LE、149個用戶I/O口、608 256位存儲器、4個鎖相環;外部接口多，資源豐富，非常適合在早期研發階段擴展各種功能。

FPGA外擴512MB SRAM和64 MB NOR Flash存儲器，能夠實現SOPC設計、操作系統移植、讀寫器擴展的功能（比如網絡接入能力）;有USB外設，方便數據的USB傳輸;利用串口轉USB芯片CP2102，可方便上位機軟件實現對硬件的配置參數進行控制。

FPGA從上位機發送的命令碼中解碼出各種配置參數，完成射頻發射電路中Si4133中心頻率以及跳頻步進的設置，對功率放大器芯片RF21 73的工作模式進行選擇，實現EPC GEN2協議規定的與標簽交互命令的PIE編碼和FM0，Miller 2、4、8解碼，將讀取到的標簽EPC通過串口發送給上位機軟件，實現人機交互。

2 鎖相環芯片Si4133工作原理

Si4133是Silicon Laboratories公司推出的一款應用于GSM和GPRS無線通信的芯片，內部含有集成壓控振蕩器的多邊帶射頻頻率合成器。其內部框圖如圖2所示。

該芯片包含3路獨立的PLL，分別由相位檢測器（PD）、環路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）以及可編程分頻器構成。其中RF1、RF2的輸出端口復用，所以RF1和RF2只能由其中一路頻率輸出。圖3為實際應用電路圖。

以RF2這一路為例，外部晶振輸入頻率fXIN經過R分頻得到fXIN/R，與輸出頻率fRFOUT的N分頻信號fRFOUT/N一起送入相位檢測器進行相位比較，得到一個與相位差成正比的模擬電壓u（t），該電壓經過環路濾波器得到一個直流分量作為壓控振蕩器的輸入，對壓控振蕩器進行頻率調整。當fXIN/R=fRFOUT/N時，電路的輸出頻率趨于穩定，實現頻率鎖定，RFOUT輸出頻率為 。

RF1的壓控振蕩器中心頻率為947 MHz～1.72GHz，RF2的壓控振蕩器中心頻率為789 MHz～1.43GHz，IF的壓控振蕩器中心頻率為526～952 MHz。由于EPC GEN2協議規定的RFID頻率為860～960 MHz，故選擇RF2生成載波信號，中心頻率在920～928 MHz之間進行跳頻。

Si4133采用I2C總線對內部9個寄存器進行配置，從而實現軟件控制參數。寄存器0～8分別為：主配置寄存器、鑒相器增益寄存器、掉電寄存器、RF1的N分頻寄存器、RF2的N分頻寄存器、中頻的N分頻寄存器、RF1的R分頻寄存器、RF2的R分頻寄存器、中頻的R分頻寄存器。每個寄存器的寫控制字為22位，前18位為數據位，其中高位在前，后4位為寄存器地址，寫寄存器需滿足圖4所示的串行接口時序圖。

為利用FPGA內部的嵌入式邏輯分析儀對實際的信息進行采樣得到的部分波形圖，如圖5所示。可以看到，對Si4133進行配置的波形符合時序圖，完成了對Si4133的配置，達到了預期的效果。

3 上位機軟件設計

上位機軟件采用Microsoft公司的VC++6.0編寫，使用API函數方式編程。串口上位機編程分4個步驟：打開串口、配置參數、讀寫數據、關閉串口。下面詳細介紹各個步驟用到的一些函數。

編譯通過后，PC機通過串口線連接到FPGA電路板，圖6為上位機發送跳頻配置參數，FPGA在讀取到標簽號后，將數據發送給上位機。

4 硬件測試

圖7為用安捷倫的頻譜儀實際測試的頻譜圖。可以看到，中心頻率與軟件設置的924 MHz一致，輸出功率為16.22 dBm。由測試結果可以看出，功率輸出、相位噪聲、雜散抑制等都達到較好的效果，應用于UHF讀寫器項目中，能夠順利工作。通過上位機設置中心頻率為924MHz，跳頻步進為1 MHz。讀取到的標簽號為300000000000000000000001C3F2，為十六進制顯示，與圖6中輸出信息中的標簽號相同。

結語

本文介紹了如何通過上位機軟件發送數字跳頻的參數給FPGA，FPGA根據解碼得到的參數對集成鎖相環芯片Si4133、功率放大器和外設進行配置，得到數字跳頻的載波信號。在讀取標簽的工程中，能夠解決之前固定頻點時的盲區問題，順利讀取到標簽。

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