超高頻RFID讀寫器部分電路設(shè)計(jì)

摘要：本文以設(shè)計(jì)一種超高頻射頻讀寫器為目的，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于射頻芯片Intel R1000和微控制器AT91SAM9263的讀寫器系統(tǒng)，增加了外部PA設(shè)計(jì)，從而大大提高了讀寫器的讀寫距離。

RFID技術(shù)的發(fā)展可以用“日新月異”這個(gè)詞來(lái)形容，隨著射頻識(shí)別在各應(yīng)用領(lǐng)域如物流、零售業(yè)的進(jìn)一步推廣，針對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用需求，對(duì)讀寫器也提出了更加嚴(yán)格的要求。射頻識(shí)別技術(shù)自產(chǎn)生到發(fā)展的時(shí)間并不算長(zhǎng)，很多技術(shù)還是處在研究階段，在國(guó)際上UHF頻段RFID產(chǎn)品以Symbol、Alien和Intermec為代表，它們都形成了RFID產(chǎn)品系列，但尚未形成完整的智能型產(chǎn)品系列，而且產(chǎn)品集成度不高，相對(duì)中國(guó)市場(chǎng)價(jià)格也較高。在國(guó)內(nèi)，UHF頻段的閱讀器產(chǎn)品起步較晚，以前又缺乏國(guó)家頻率標(biāo)準(zhǔn)的支持，只有少數(shù)企業(yè)代理國(guó)外產(chǎn)品，尚無(wú)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品問(wèn)世。

近年來(lái)，RFID技術(shù)已經(jīng)在社會(huì)眾多領(lǐng)域開始應(yīng)用，對(duì)改善人們的生活質(zhì)量、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、加強(qiáng)公共安全以及提高社會(huì)信息化水平產(chǎn)生了重要的影響。根據(jù)預(yù)測(cè)，RFID標(biāo)簽技術(shù)將在未來(lái)2～5年逐漸開始大規(guī)模應(yīng)用，到2008年RFID標(biāo)簽僅在全球供應(yīng)鏈領(lǐng)域的市場(chǎng)需求將達(dá)到40億美元。RFID技術(shù)已在世界各地得到廣泛的應(yīng)用，并在安全，金融，物流等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大優(yōu)勢(shì)，以美國(guó)，日本和歐洲為首的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用研究已達(dá)到相當(dāng)高的水平，而我國(guó)則處于起步階段，大多采用引進(jìn)的技術(shù)成果，因而研究該技術(shù)已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的必需，國(guó)內(nèi)各企業(yè)RFID產(chǎn)品多集中在LF、HF等頻段，技術(shù)含量低，相互問(wèn)主要是小規(guī)模/低成本的惡性競(jìng)爭(zhēng)。而UHF頻段RFID產(chǎn)品技術(shù)門檻高，國(guó)內(nèi)具備自主研發(fā)UHF頻段RFID產(chǎn)品實(shí)力的企業(yè)風(fēng)毛麟角。

隨著UHF頻段中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸明朗化和物流、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(lái)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)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

讀寫器的硬件設(shè)計(jì)主要由射頻芯片控制(硬件和固件結(jié)合的Intel R1000固件處理器)模塊，集成的射頻收發(fā)(Intel R1000)模塊，功率放大PA模塊，以及外部通信控制和存儲(chǔ)模塊四個(gè)部分組成，其中射頻控制模塊采用了ATMEL公司的AT91SAM9263芯片，其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)命令解碼和控制，其與主機(jī)間的通信通過(guò)USB接口來(lái)完成;射頻模塊包括了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)試和對(duì)固件的控制。

讀寫器(Reader)的收發(fā)采用了兩路獨(dú)立的通道，分別有發(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(guò)高頻開關(guān)外接四組天線，四組發(fā)送和接收天線可以通過(guò)射頻控制芯片AT91SAM9263來(lái)選擇，發(fā)送和接收分開可以有效的提交整個(gè)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(guò)外部電路的改動(dòng)采用單天線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中采用了四組天線，這樣可以特殊場(chǎng)合下有效的擴(kuò)大TAG的接收空間和范圍。硬件組成框圖如圖1所示。

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，射頻電路部分完成高頻信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)，發(fā)射/接收，是標(biāo)簽和讀寫器之間的高頻接口。基帶電路部分主要完成射頻系統(tǒng)控制，高頻信號(hào)的編解碼等功能，同時(shí)其也要完成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Р糠质钦麄€(gè)讀寫器平臺(tái)的核心控制部分，其支撐著整個(gè)RFID讀寫器系統(tǒng)的工作，來(lái)完成射頻模塊的控制和通信。

在閱讀器的設(shè)計(jì)中，為了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有更好的檢測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況有比較清晰的了解，特意在設(shè)計(jì)中增加了系統(tǒng)檢測(cè)，在R1000的芯片的模塊中原有AD模塊但是其精度裝換速率達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，所以在設(shè)計(jì)中采用了外部AD來(lái)完成對(duì)檢測(cè)的信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換信號(hào)傳送給ARM微控制器，由ARM來(lái)完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。

在設(shè)計(jì)中為了設(shè)備可以組網(wǎng)以及遠(yuǎn)距離讀寫和傳輸數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)中采用了以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而使閱讀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)上述過(guò)程中傳控制，ARM微控制器的組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸操作受控于Host主機(jī)。USB接口在本系輸統(tǒng)中不僅用作一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌冢瑫r(shí)我們還利用其來(lái)完成PC機(jī)和讀寫器之間的“對(duì)話”。通過(guò)設(shè)計(jì)在PC端的控制軟件，我們可以實(shí)時(shí)的給讀寫器發(fā)送控制信號(hào)，如系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，工作使能信號(hào)，標(biāo)簽讀寫，數(shù)據(jù)傳輸，功率控制等，同時(shí)讀寫器也將給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(lái)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。最后，通過(guò)JTAG接口來(lái)完成對(duì)讀寫器的工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀測(cè)和調(diào)試。從而可以準(zhǔn)確無(wú)誤的驗(yàn)證在整個(gè)讀寫器工作過(guò)程中，對(duì)標(biāo)簽的讀寫和數(shù)據(jù)處理的正確性和可靠性是否滿足我們的設(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，并在內(nèi)部各個(gè)關(guān)鍵的核心射頻電路有外接的檢測(cè)輸出管腳，這使板卡的運(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)

在采用內(nèi)部PA時(shí)，RFID讀寫器的作用距離十分有限，只有大概2米的距離，這在很大程度上限制了RFID超高頻讀寫器的應(yīng)用，基于這個(gè)問(wèn)題，在輸出功率需求下，IntelR1000片上PA可以做為外部功率放大的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)外部PA子板來(lái)完成信號(hào)功率放大，然后連接至主板。

Intel R1000的內(nèi)部PA輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)偏置匹配網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)SMA連接器上，然后通過(guò)SMA輸出到PA子板作為其外部PA驅(qū)動(dòng)，其連接圖如3.26所示。在設(shè)計(jì)中主板和PA子板之間的連接我們通過(guò)同軸電纜來(lái)連接，如果要對(duì)Intel R1000的輸出做測(cè)試，可以將同軸線纜斷開，通過(guò)SMA接口用儀器進(jìn)行測(cè)試。其電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

輸出信號(hào)在經(jīng)過(guò)一個(gè)PA驅(qū)動(dòng)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)正交耦合芯片XC0900E-03S，將信號(hào)變換為兩個(gè)正交90度的信號(hào)，然后輸出到兩個(gè)平行的集成功率放大(PA)芯片MAAP-007649-000100，如圖3虛線內(nèi)PA子板框圖所示，在其經(jīng)過(guò)功率放大后兩路信號(hào)輸入到一個(gè)3 dB的正交耦合芯片內(nèi)進(jìn)行耦合，輸出一路功率放大信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中此放大信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)諧波抑制的低通濾波器LPF后，通過(guò)同軸線纜輸出到主板上的定向耦合器，然后經(jīng)過(guò)輸出通道輸出。經(jīng)過(guò)PA子板的放大后，其可以在900-930MHZ(US)和865-868MHZ(European)頻段輸出+34 dB的輸出功率。其全部增益通過(guò)多級(jí)放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)中PA板采用了獨(dú)立電源供電的方式，這樣可以保證功率放大電路需求的穩(wěn)定電源需求，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模塊的信號(hào)為從Intel R1000射頻芯片輸出的最大+10dB調(diào)制信號(hào)。在本PA板卡中PA具有固定增益，因?yàn)镮ntel R1000支持變換增益范圍，其可輸出入PA模塊的信號(hào)范圍為-6～+10 dB，PA的變化增益范圍大概是15～30 dB，其可以支持在TX通道上16 dB的變化增益，其變換間隔為0.5 dB。

2.1 外部PA中帶通衰減濾波器設(shè)計(jì)

利用帶通濾波器功能電路的原理，對(duì)帶通濾波器的部分電路進(jìn)行仿真得到圖4所示結(jié)果：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部分設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)對(duì)在multisim中對(duì)PA中帶通濾波器的仿真，測(cè)試我們?cè)O(shè)計(jì)的讀寫器的使用頻率范圍。圖5是仿真結(jié)果PA最大的線性功率輸出大于或等于34 dB，在考慮大約3dB多路損耗和濾波損耗，以及1 dB線纜和開關(guān)損耗后，輸出到天線端口的輸出功率大約有+30 dB。PA板卡的噪音干擾可以控制在6 dB以內(nèi)，整個(gè)PA系統(tǒng)的輸入輸出阻抗為50Ω。在設(shè)計(jì)中要特別注意PA的散熱設(shè)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過(guò)溫度感應(yīng)來(lái)調(diào)整PA的方式來(lái)補(bǔ)充直接的散熱設(shè)計(jì)，這樣可以更為有效的控制功率和優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)。通過(guò)電源控制電路，我們可以在需要時(shí)關(guān)閉PA，降低整個(gè)板卡的功耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用的設(shè)計(jì)，由高度集成的射頻芯片R1000來(lái)代替大量分離元件來(lái)完成整個(gè)射頻電路的詢問(wèn)、接收和中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加了外部PA設(shè)計(jì)，從而大大提高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。