UHF頻段智能型RFID讀寫器的應(yīng)用研究
[導(dǎo)讀]隨著UHF頻段中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸明朗化以及物流、智能交通、數(shù)字景區(qū)等應(yīng)用的需求，UHF頻段RFID產(chǎn)品在RFID產(chǎn)業(yè)中所占市場(chǎng)份額會(huì)越來越大。開發(fā)出具有數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、去冗、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，以及時(shí)間管理功能的智能型讀寫器產(chǎn)品系列
隨著UHF頻段中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸明朗化以及物流、智能交通、數(shù)字景區(qū)等應(yīng)用的需求，UHF頻段RFID產(chǎn)品在RFID產(chǎn)業(yè)中所占市場(chǎng)份額會(huì)越來越大。開發(fā)出具有數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、去冗、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，以及時(shí)間管理功能的智能型讀寫器產(chǎn)品系列將是產(chǎn)品發(fā)展的方向。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
讀寫器的硬件設(shè)計(jì)主要包括：射頻控制模塊(硬件和固件結(jié)合的固件處理器)、Intel R1000內(nèi)部集成的射頻收發(fā)模塊、功率放大PA模塊，以及外部通信控制和存儲(chǔ)模塊。其中，射頻控制模塊采用Atmel公司的AT91SAM9263芯片，主要完成固件控制及智能空中接口協(xié)議、RFID控制邏輯和主機(jī)命令解碼的控制，其與主機(jī)間的通信通過USB接口來完成；射頻收發(fā)模塊包括RF多路復(fù)用電路、高頻開關(guān)、循環(huán)器和耦合器電路；外部通信控制和存儲(chǔ)模塊主要完成上位機(jī)與控制芯片間的通信、調(diào)試，以及對(duì)固件的控制。
讀寫器的收發(fā)采用2路獨(dú)立的通道，分別由發(fā)送天線和接收天線及其相關(guān)的濾波等電路組成。每組天線系統(tǒng)通過高頻開關(guān)外接4組天線，4組發(fā)送和接收天線可以通過AT91SAM9263來選擇。發(fā)送和接收分開的方式可以有效地提高RFID系統(tǒng)的整體性能，降低接收和發(fā)送系統(tǒng)間的干擾，在實(shí)際設(shè)計(jì)中也可以通過外部電路的改動(dòng)采用單天線設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)中采用4組天線，在特殊場(chǎng)合下可以有效地?cái)U(kuò)大電子標(biāo)簽TAG的接收空間和范圍。
硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。UHF頻段的RFID系統(tǒng)可分為射頻電路和基帶電路兩部分。射頻電路部分是標(biāo)簽和讀寫器之間的高頻接口，用于完成高頻信號(hào)的調(diào)制／解調(diào)、發(fā)射／接收?；鶐щ娐凡糠种饕獙?shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)控制、高頻信號(hào)的編解碼等功能，同時(shí)完成UHF RFID讀寫器與外部設(shè)備或者Host主機(jī)之間的通信接口的任務(wù)?；鶐щ娐凡糠质钦麄€(gè)讀寫器平臺(tái)的核心控制部分，支撐著整個(gè)RFID讀寫器系統(tǒng)的各項(xiàng)工作，以完成射頻模塊的控制和通信。
在讀寫器的設(shè)計(jì)中，為了能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行更好的檢測(cè)，實(shí)時(shí)地了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，特意在設(shè)計(jì)中增加了系統(tǒng)檢測(cè)部分。R1000芯片集成有A／D模塊，但是其精度轉(zhuǎn)換速率達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，所以在設(shè)計(jì)中采用了外部A／D轉(zhuǎn)換器來完成對(duì)檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換信號(hào)傳送給ARM微控制器完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。
為了使設(shè)備可以組網(wǎng)以及遠(yuǎn)距離讀寫和傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中采用了以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而使讀寫器可以在更大的距離空間上對(duì)標(biāo)簽讀寫，并完成大規(guī)模組網(wǎng)。
Host主機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控核心負(fù)責(zé)傳輸控制，ARM微控制器的組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸操作也受控于Host主機(jī)。USB接口不僅用作數(shù)據(jù)傳輸，而且還用來完成PC機(jī)和讀寫器之間的對(duì)話。通過設(shè)計(jì)在PC端的控制軟件，可以實(shí)時(shí)地給讀寫器發(fā)送控制信號(hào)(如系統(tǒng)復(fù)位、工作使能、標(biāo)簽讀寫、數(shù)據(jù)傳輸、功率控制等)；同時(shí)，讀寫器將向Host主機(jī)反饋相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)(如天線開關(guān)狀態(tài)、功率信號(hào)等)，從而配合上層軟件來控制系統(tǒng)的工作過程。最后，通過JTAG接口來完成對(duì)讀寫器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)試，從而準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證在整個(gè)讀寫器工作過程中，標(biāo)簽讀寫和數(shù)據(jù)處理的正確性和可靠性是否滿足設(shè)計(jì)要求。
在設(shè)計(jì)中，R1000射頻芯片不但集成了大量的射頻元件，而且在內(nèi)部集成了溫度檢測(cè)和功率檢測(cè)功能，在內(nèi)部各個(gè)關(guān)鍵的核心射頻電路有外接的檢測(cè)輸出引腳，從而使板卡的運(yùn)行狀況和功率檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的檢測(cè)和控制，能夠保證系統(tǒng)的良好運(yùn)行。
2 外部PA電路設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
在采用內(nèi)部PA(Power Amplifier，功率放大器)時(shí)，RFID讀寫器的作用距離十分有限(2 m)，這在很大程度上限制了RFID超高頻讀寫器的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中在輸出功率需求下，R1000的片上PA作為外部功率放大的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，通過外部PA子板來完成信號(hào)功率放大，然后連接至主板。其中，Balun為平衡轉(zhuǎn)換器。
Intel R1000的內(nèi)部PA輸出經(jīng)過一個(gè)偏置匹配網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)SMA(Sub-Miniature-A)連接器上，然后通過SMA輸出到PA子板作為其外部PA驅(qū)動(dòng)，其連接如圖2所示。
在設(shè)計(jì)中主板和PA子板之間通過同軸線纜來連接。如果要對(duì)R1000的輸出進(jìn)行測(cè)試，可以將同軸線纜斷開，通過SMA接口用儀器進(jìn)行測(cè)試。其電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。
R1000內(nèi)部PA的輸出信號(hào)在經(jīng)過PA驅(qū)動(dòng)后，再經(jīng)過一個(gè)3 dB的正交混頻耦合芯片XC0900E-03S將信號(hào)轉(zhuǎn)換為2個(gè)正交90°的信號(hào)，然后輸出到2個(gè)平行的集成功率放大芯片MAAP-007649-000100。此放大信號(hào)經(jīng)過一個(gè)諧波抑制的低通濾波器(LPF)后，通過同軸線纜輸出到主板上的定向耦合器，然后經(jīng)過輸出通道輸出。經(jīng)過PA子板的放大后，可以在900～930 MHz(美國(guó))和865～868 MHz(歐洲)頻段輸出+34 dB的輸出功率。其全部增益通過多級(jí)放大電路來實(shí)現(xiàn)。
PA子板采用了獨(dú)立電源供電的方式，可以保證功率放大電路對(duì)穩(wěn)定電源的需求，輸入電壓為7.5 V，采用外部線性DC適配器輸入。其工業(yè)工作溫度范圍為-20～+75℃。輸入PA子板的信號(hào)為R1000射頻芯片輸出的最大+10 dB調(diào)制信號(hào)。在PA子板中PA具有固定增益，因?yàn)镽1000支持變換增益范圍，其可輸入PA子板的信號(hào)范圍為-6～+10 dB，PA的變化增益范圍大概是15～30 dB，可以支持在TX通道上16 dB的變化增益，變換間隔為0.5 dB。
2.2 外部PA中衰減帶通濾波器設(shè)計(jì)
衰減帶通濾波器功能電路的原理圖如圖4所示。其中，NR為留的測(cè)試點(diǎn)。具體的參數(shù)設(shè)置如圖5所示。我們?cè)O(shè)計(jì)的超高頻使用頻率范圍是860～960 MHz，在外部PA設(shè)計(jì)中，通過Multisim軟件對(duì)PA中帶通濾波器進(jìn)行仿真，來測(cè)試讀寫器的使用頻率范圍。圖6是仿真結(jié)果。
PA最大的線性功率輸出大丁或等于34 dB，考慮到大約3 dB的多路損耗和濾波損耗以及1 dB的線纜和開關(guān)損耗，天線端口的輸出功率大約有+30 dB。PA板卡的噪聲干擾可以控制在6 dB以內(nèi)，整個(gè)PA系統(tǒng)的輸入輸出阻抗為50 Ω。在設(shè)計(jì)中要特別注意PA的散熱設(shè)計(jì)，可以通過溫度感應(yīng)調(diào)整PA的方式來補(bǔ)充直接的散熱設(shè)計(jì)，從而更為有效地控制功率和優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)。通過電源控制電路可以在需要時(shí)關(guān)閉PA，降低整個(gè)板卡的功耗。
結(jié) 語(yǔ)
本文以設(shè)計(jì)一種UHF超高頻射頻讀寫器為目的，設(shè)計(jì)了基于射頻芯片Intel R1000和AT91SAM9263微控制器的讀寫器系統(tǒng)，增加了外部PA設(shè)計(jì)，從而大大增加了讀寫器的讀寫距離。本文所研究的讀寫器基帶系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)，對(duì)RFID讀寫系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
讀寫器的硬件設(shè)計(jì)主要包括：射頻控制模塊(硬件和固件結(jié)合的固件處理器)、Intel R1000內(nèi)部集成的射頻收發(fā)模塊、功率放大PA模塊，以及外部通信控制和存儲(chǔ)模塊。其中，射頻控制模塊采用Atmel公司的AT91SAM9263芯片，主要完成固件控制及智能空中接口協(xié)議、RFID控制邏輯和主機(jī)命令解碼的控制，其與主機(jī)間的通信通過USB接口來完成；射頻收發(fā)模塊包括RF多路復(fù)用電路、高頻開關(guān)、循環(huán)器和耦合器電路；外部通信控制和存儲(chǔ)模塊主要完成上位機(jī)與控制芯片間的通信、調(diào)試，以及對(duì)固件的控制。
讀寫器的收發(fā)采用2路獨(dú)立的通道，分別由發(fā)送天線和接收天線及其相關(guān)的濾波等電路組成。每組天線系統(tǒng)通過高頻開關(guān)外接4組天線，4組發(fā)送和接收天線可以通過AT91SAM9263來選擇。發(fā)送和接收分開的方式可以有效地提高RFID系統(tǒng)的整體性能，降低接收和發(fā)送系統(tǒng)間的干擾，在實(shí)際設(shè)計(jì)中也可以通過外部電路的改動(dòng)采用單天線設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)中采用4組天線，在特殊場(chǎng)合下可以有效地?cái)U(kuò)大電子標(biāo)簽TAG的接收空間和范圍。
硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。UHF頻段的RFID系統(tǒng)可分為射頻電路和基帶電路兩部分。射頻電路部分是標(biāo)簽和讀寫器之間的高頻接口，用于完成高頻信號(hào)的調(diào)制／解調(diào)、發(fā)射／接收?；鶐щ娐凡糠种饕獙?shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)控制、高頻信號(hào)的編解碼等功能，同時(shí)完成UHF RFID讀寫器與外部設(shè)備或者Host主機(jī)之間的通信接口的任務(wù)?；鶐щ娐凡糠质钦麄€(gè)讀寫器平臺(tái)的核心控制部分，支撐著整個(gè)RFID讀寫器系統(tǒng)的各項(xiàng)工作，以完成射頻模塊的控制和通信。
在讀寫器的設(shè)計(jì)中，為了能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行更好的檢測(cè)，實(shí)時(shí)地了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，特意在設(shè)計(jì)中增加了系統(tǒng)檢測(cè)部分。R1000芯片集成有A／D模塊，但是其精度轉(zhuǎn)換速率達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，所以在設(shè)計(jì)中采用了外部A／D轉(zhuǎn)換器來完成對(duì)檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換信號(hào)傳送給ARM微控制器完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。
為了使設(shè)備可以組網(wǎng)以及遠(yuǎn)距離讀寫和傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中采用了以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而使讀寫器可以在更大的距離空間上對(duì)標(biāo)簽讀寫，并完成大規(guī)模組網(wǎng)。
Host主機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控核心負(fù)責(zé)傳輸控制，ARM微控制器的組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸操作也受控于Host主機(jī)。USB接口不僅用作數(shù)據(jù)傳輸，而且還用來完成PC機(jī)和讀寫器之間的對(duì)話。通過設(shè)計(jì)在PC端的控制軟件，可以實(shí)時(shí)地給讀寫器發(fā)送控制信號(hào)(如系統(tǒng)復(fù)位、工作使能、標(biāo)簽讀寫、數(shù)據(jù)傳輸、功率控制等)；同時(shí)，讀寫器將向Host主機(jī)反饋相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)(如天線開關(guān)狀態(tài)、功率信號(hào)等)，從而配合上層軟件來控制系統(tǒng)的工作過程。最后，通過JTAG接口來完成對(duì)讀寫器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)試，從而準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證在整個(gè)讀寫器工作過程中，標(biāo)簽讀寫和數(shù)據(jù)處理的正確性和可靠性是否滿足設(shè)計(jì)要求。
在設(shè)計(jì)中，R1000射頻芯片不但集成了大量的射頻元件，而且在內(nèi)部集成了溫度檢測(cè)和功率檢測(cè)功能，在內(nèi)部各個(gè)關(guān)鍵的核心射頻電路有外接的檢測(cè)輸出引腳，從而使板卡的運(yùn)行狀況和功率檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的檢測(cè)和控制，能夠保證系統(tǒng)的良好運(yùn)行。
2 外部PA電路設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
在采用內(nèi)部PA(Power Amplifier，功率放大器)時(shí)，RFID讀寫器的作用距離十分有限(2 m)，這在很大程度上限制了RFID超高頻讀寫器的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中在輸出功率需求下，R1000的片上PA作為外部功率放大的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，通過外部PA子板來完成信號(hào)功率放大，然后連接至主板。其中，Balun為平衡轉(zhuǎn)換器。
Intel R1000的內(nèi)部PA輸出經(jīng)過一個(gè)偏置匹配網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)SMA(Sub-Miniature-A)連接器上，然后通過SMA輸出到PA子板作為其外部PA驅(qū)動(dòng)，其連接如圖2所示。
在設(shè)計(jì)中主板和PA子板之間通過同軸線纜來連接。如果要對(duì)R1000的輸出進(jìn)行測(cè)試，可以將同軸線纜斷開，通過SMA接口用儀器進(jìn)行測(cè)試。其電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。
R1000內(nèi)部PA的輸出信號(hào)在經(jīng)過PA驅(qū)動(dòng)后，再經(jīng)過一個(gè)3 dB的正交混頻耦合芯片XC0900E-03S將信號(hào)轉(zhuǎn)換為2個(gè)正交90°的信號(hào)，然后輸出到2個(gè)平行的集成功率放大芯片MAAP-007649-000100。此放大信號(hào)經(jīng)過一個(gè)諧波抑制的低通濾波器(LPF)后，通過同軸線纜輸出到主板上的定向耦合器，然后經(jīng)過輸出通道輸出。經(jīng)過PA子板的放大后，可以在900～930 MHz(美國(guó))和865～868 MHz(歐洲)頻段輸出+34 dB的輸出功率。其全部增益通過多級(jí)放大電路來實(shí)現(xiàn)。
PA子板采用了獨(dú)立電源供電的方式，可以保證功率放大電路對(duì)穩(wěn)定電源的需求，輸入電壓為7.5 V，采用外部線性DC適配器輸入。其工業(yè)工作溫度范圍為-20～+75℃。輸入PA子板的信號(hào)為R1000射頻芯片輸出的最大+10 dB調(diào)制信號(hào)。在PA子板中PA具有固定增益，因?yàn)镽1000支持變換增益范圍，其可輸入PA子板的信號(hào)范圍為-6～+10 dB，PA的變化增益范圍大概是15～30 dB，可以支持在TX通道上16 dB的變化增益，變換間隔為0.5 dB。
2.2 外部PA中衰減帶通濾波器設(shè)計(jì)
衰減帶通濾波器功能電路的原理圖如圖4所示。其中，NR為留的測(cè)試點(diǎn)。具體的參數(shù)設(shè)置如圖5所示。我們?cè)O(shè)計(jì)的超高頻使用頻率范圍是860～960 MHz，在外部PA設(shè)計(jì)中，通過Multisim軟件對(duì)PA中帶通濾波器進(jìn)行仿真，來測(cè)試讀寫器的使用頻率范圍。圖6是仿真結(jié)果。
PA最大的線性功率輸出大丁或等于34 dB，考慮到大約3 dB的多路損耗和濾波損耗以及1 dB的線纜和開關(guān)損耗，天線端口的輸出功率大約有+30 dB。PA板卡的噪聲干擾可以控制在6 dB以內(nèi)，整個(gè)PA系統(tǒng)的輸入輸出阻抗為50 Ω。在設(shè)計(jì)中要特別注意PA的散熱設(shè)計(jì)，可以通過溫度感應(yīng)調(diào)整PA的方式來補(bǔ)充直接的散熱設(shè)計(jì)，從而更為有效地控制功率和優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)。通過電源控制電路可以在需要時(shí)關(guān)閉PA，降低整個(gè)板卡的功耗。
結(jié) 語(yǔ)
本文以設(shè)計(jì)一種UHF超高頻射頻讀寫器為目的，設(shè)計(jì)了基于射頻芯片Intel R1000和AT91SAM9263微控制器的讀寫器系統(tǒng)，增加了外部PA設(shè)計(jì)，從而大大增加了讀寫器的讀寫距離。本文所研究的讀寫器基帶系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)，對(duì)RFID讀寫系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。
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