采用UHF射頻卡讀寫器與MSP430處理器實(shí)現(xiàn)圓極化天線的設(shè)計(jì)

在當(dāng)今的現(xiàn)代化社會(huì)，科技發(fā)展迅速，物品向小型化、微型化發(fā)展已經(jīng)成為一種必然。本設(shè)計(jì)通過(guò)在指定的物品上掛載標(biāo)簽，采用UHF射頻卡讀寫器作為控制核心對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽加以識(shí)別與讀取，配合鏈接MSP430處理器及自制的圓極化天線，實(shí)現(xiàn)了物品的定位功能，并通過(guò)配合使用GSM模塊，以短消息的方式告知主人物品的位置及安全信息。標(biāo)簽的信息可通過(guò)PC機(jī)鍵盤輸入進(jìn)行更改。UHF射頻卡讀寫器中的防碰撞算法保證了標(biāo)簽讀取的抗干擾性和穩(wěn)定性，自制天線的高增益和優(yōu)良性能為有效搜索范圍提供了保障。

1 、原理分析與硬件電路圖

1.1 整體原理結(jié)構(gòu)圖

按圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由UHF射頻讀寫器與天線、GSM模塊、MSP430處理器、屏顯設(shè)備及輸入設(shè)備相連接而成。有效地實(shí)現(xiàn)了物品——系統(tǒng)——用戶的緊密聯(lián)接，從而達(dá)成了設(shè)計(jì)功能要求。

1.2 天線部分

1.2.1 天線的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)腔模理論，微帶貼片天線用帶線或同軸探針激勵(lì)時(shí)，電磁場(chǎng)在貼片和接地板間建立。矩形貼片可當(dāng)成一個(gè)等效的開路邊界的諧振腔，它四周為理想磁壁，周壁磁場(chǎng)等于零; 上下壁為理想電壁［4］。

貼片形狀結(jié)構(gòu)的不同會(huì)導(dǎo)致天線性能的迥異，在方形貼片對(duì)角線上像波導(dǎo)拐彎那樣切掉一個(gè)45°的角。該分離單元就可以使饋電場(chǎng)形成兩個(gè)空間正交簡(jiǎn)并模的諧振頻率發(fā)生分離。為實(shí)現(xiàn)圓極化， 這兩個(gè)模必須達(dá)到幅值相等、相位相差90°。相等幅值可以通過(guò)適當(dāng)選擇饋電位置實(shí)現(xiàn)，需選取饋電點(diǎn)選取位于切角貼片中心線上。90°相移的產(chǎn)生有兩個(gè)因素，一個(gè)是饋電點(diǎn)位置，另一個(gè)是分離單元的尺寸。由腔模理論知微帶貼片天線激勵(lì)?？傻刃橐徊⒙?lián)的RLC 諧振電路［5］。為了使電子標(biāo)簽在各個(gè)位置都能被識(shí)別，設(shè)計(jì)采用圓極化天線。微帶天線的圓極化帶寬近似與其Q值成反比，因此為了得到寬頻帶的圓極化微帶天線，我們選擇空氣作為介質(zhì)，既節(jié)約了成本也降低了天線的損耗，并且也能保證天線擁有良好的圓極化特性。用4個(gè)輔助支撐柱配合金屬探針固定貼片，保證了貼片平整穩(wěn)固的同時(shí)，讓金屬探針起到更好的饋電作用。通過(guò)仿真、測(cè)試，可以最終選定天線的特性及優(yōu)化其性能。

1.2.2 天線的結(jié)構(gòu)及尺寸

本設(shè)計(jì)天線為圓極化貼片天線，具體設(shè)計(jì)要求和參數(shù)性能如表1所示。

1.3 UHF射頻讀寫器模塊

1.3.1 UHF射頻讀寫器基本原理

UHF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，讀寫器作為整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，其基帶處理性能的優(yōu)劣將直接影響讀寫器性能的優(yōu)劣。

讀寫器通過(guò)射頻信號(hào)與標(biāo)簽進(jìn)行通信，完成信息交換。在 UHF RFID 系統(tǒng)中，一般讀寫器先發(fā)送一條命令給電子標(biāo)簽，標(biāo)簽收到命令后進(jìn)行應(yīng)答響應(yīng)。標(biāo)簽根據(jù)命令返回有用數(shù)據(jù)信息給讀寫器。讀寫器對(duì)標(biāo)簽返回信號(hào)處理后再傳回上位機(jī)。

本設(shè)計(jì)中的UHF主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能：

（1）讀寫器與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信。讀寫器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，電子標(biāo)簽根據(jù)命令進(jìn)行響應(yīng)，返回有用數(shù)據(jù)。

（2）讀寫器與上位機(jī)進(jìn)行通信。讀寫器通過(guò)特定接口與上位機(jī)相連接，如RS-232、USB、RJ45 等。上位機(jī)向讀寫器發(fā)送控制命令，控制讀寫器對(duì)標(biāo)簽的操作。讀寫器將標(biāo)簽返回的信息傳回給上位機(jī)。

（3）讀寫器可以完成對(duì)多個(gè)標(biāo)簽的讀寫功能，實(shí)現(xiàn)了防碰撞處理。

（4）讀寫器具有數(shù)據(jù)校驗(yàn)的功能。能夠?qū)?shù)據(jù)的正確性進(jìn)行判斷。

1.3.2 UHF射頻讀寫器的硬件部分

射頻模塊是讀寫器射頻信號(hào)處理模塊，設(shè)計(jì)要解決的主要問(wèn)題是抑制干擾，正確進(jìn)行信號(hào)收發(fā)，射頻模塊的主要任務(wù)如下：

（1）根據(jù)協(xié)議要求發(fā)射一定功率的射頻信號(hào)，激活工作區(qū)域內(nèi)的無(wú)源標(biāo)簽并為其正常工作提供能量;

（2）將待發(fā)射的編碼信號(hào)調(diào)制到射頻，把數(shù)據(jù)和命令傳送給標(biāo)簽;

（3）接收標(biāo)簽返回的射頻信號(hào)并進(jìn)行下變頻處理;

（4）控制頻率綜合器進(jìn)行跳頻處理。本次設(shè)計(jì)中的UHF采用AS3992 射頻芯片，AS3992支持 PM 調(diào)制和AM 調(diào)制，這樣射頻芯片在 I/Q 兩路信號(hào)自動(dòng)選擇時(shí)不會(huì)出現(xiàn)通信的盲點(diǎn)，而且射頻芯片還自帶 A/D 轉(zhuǎn)換電路，可以用于測(cè)量讀寫器的發(fā)射功率。

對(duì)于讀寫器的射頻發(fā)射電路部分，AS3992 可以采用低功率線性輸出模式或低功率差分輸出模式，我們采用低功率線性輸出模式。通過(guò)外部的功率放大器，將輸出功率放大到 23dBm-30dBm 之間。AS3992 射頻發(fā)射電路主要由耦合匹配電路、功率放大電路、差分轉(zhuǎn)單端電路、濾波電路和定向耦合電路構(gòu)成。輸出匹配電路將解耦、差分轉(zhuǎn)單端電路、匹配電路作為整體由匹配電路輸出，輸出匹配電路如圖4所示，功率放大電路如圖5所示。

UHF RFID 讀寫器可以使用兩個(gè)天線，將接收和發(fā)送分開或者使用一個(gè)天線但需要射頻隔離電路，考慮到使用射頻隔離電路可以降低設(shè)計(jì)成本，所以采用了定向耦合器作為收發(fā)隔離電路，具體電路如圖6所示。

RFID 讀寫器從功能模塊上劃分為射頻模塊和基帶模塊，缺少任何一個(gè)模塊都不能構(gòu)成完整的讀寫系統(tǒng)?；鶐K主要功能如下：

（1）控制標(biāo)簽與讀寫器間的數(shù)據(jù)交換;

（2）執(zhí)行單標(biāo)簽識(shí)別和防沖撞算法;

（3）與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行從上位機(jī)軟件發(fā)來(lái)的命令;

（4）控制讀寫器和標(biāo)簽間的身份驗(yàn)證;

（5）控制頻率步進(jìn)和發(fā)射信號(hào)功率。

基帶模塊由微處理器、通信接口電路、電源電路及輔助電路等部分組成?；鶐K總體框圖，如圖7所示。

1.4 GSM模塊

在本次設(shè)計(jì)中，MSP430F149單片機(jī)通過(guò)RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能。通過(guò)GSM模塊與MSP430F149單片機(jī)的配合使用，我們可以將重要的信息在第一時(shí)間以短信的方式發(fā)送給用戶，如果標(biāo)簽所標(biāo)記的物件超出我們?cè)O(shè)定的安全范圍，用戶的手機(jī)將收到GSM模塊發(fā)送的報(bào)警提醒信息，達(dá)到了防止失竊的目的;物品丟失后，用戶也能收到包含丟失物品名稱、丟失具體時(shí)間等信息的短信，方便用戶找回失物。

1.5 PC輸入導(dǎo)致顯示模塊

通過(guò)PC鍵盤輸入，可以編寫或修改電子標(biāo)簽所標(biāo)記的物品信息，設(shè)置保護(hù)物品的安全范圍，在實(shí)現(xiàn)尋物目的時(shí)，可以設(shè)定尋物范圍，方便用戶進(jìn)行失物的搜索。并將這些設(shè)定的內(nèi)容與信息在屏幕上顯示，顯示屏幕采用液晶觸摸屏，顯示清晰簡(jiǎn)潔操作方便，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面友好的目的。

2、軟件設(shè)計(jì)與流程

2.1 系統(tǒng)的軟件整體

下面將介紹本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分，整體軟件的設(shè)計(jì)思路如下圖所示，軟件主要包括三個(gè)部分：（1）UHF部分的防碰撞算法;（2）MSP430F149單片機(jī)整體控制程序;（3）GSM模塊短信發(fā)送程序編寫。

2.2 UHF讀寫器整體軟件模塊

讀寫器軟件模塊劃分以及模塊間結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖8所示。

2.3 UHF防碰撞算法

讀寫器在沒(méi)有采用多址訪問(wèn)控制機(jī)制的情況下，如果個(gè)能被同一讀寫器識(shí)別的多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)處在讀寫器能夠識(shí)別的范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽將同時(shí)響應(yīng)讀寫器的指令。信道會(huì)被電子標(biāo)簽爭(zhēng)用，導(dǎo)致信號(hào)互相干擾，讀寫器不能正確接收數(shù)據(jù)，也不能準(zhǔn)確識(shí)別電子標(biāo)簽信息。當(dāng)多個(gè)電子標(biāo)簽使讀寫器發(fā)生判斷錯(cuò)誤，讀寫器會(huì)認(rèn)為電子標(biāo)簽不在自己的作用范圍內(nèi)或無(wú)法讀取信息，即發(fā)生了碰撞問(wèn)題。

通過(guò)查閱相關(guān)資料，了解到目前廣泛應(yīng)用的防碰撞算法基本上都是 TDMA（Time Division MulTIple Access，時(shí)分多址）法。主要分為兩類TDMA法：分別是基于ALOHA的防碰撞算法和基于二叉樹的防碰撞算法，這兩種算法在RFID系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。在 RFID中ALOHA算法被分為：純ALOHA算法、時(shí)隙ALOHA算法、幀時(shí)隙ALOHA算法、動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙 ALOHA算法。本次設(shè)計(jì)的UHF讀寫器采用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙 ALOHA算法。

讀寫器可以統(tǒng)計(jì)出一幀時(shí)隙中成功識(shí)別的時(shí)隙數(shù)Nr，發(fā)生碰撞的時(shí)隙數(shù)Nc，如果當(dāng)前讀寫器周圍的電子標(biāo)簽數(shù)為N，則剩余的電子標(biāo)簽數(shù)為N-Nr。 根據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法的分析可知，下一幀的時(shí)隙數(shù)為L(zhǎng)1=N-Nr。通過(guò)查閱相關(guān)算法資料得知，電子標(biāo)簽的估計(jì)公式為：N=Nr+2.39Nc。

動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙 ALOHA 算法先初始化幀長(zhǎng)F=M，M的值可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定;幀周期內(nèi)初始化：Nc=Nr=0，Nc為碰撞時(shí)隙數(shù)，Nr 為正確接收時(shí)隙數(shù)。讀寫器發(fā)送帶有幀時(shí)隙長(zhǎng)度的指令，等待讀寫器識(shí)別范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽響應(yīng)指令。圖5-3表示整個(gè)電子標(biāo)簽防碰撞算法的識(shí)別過(guò)程。

讀寫器對(duì)一幀中各個(gè)時(shí)隙進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可分為三種情況：

（1）正確接收電子標(biāo)簽信息Nr+1;

（2）電子標(biāo)簽發(fā)生碰撞Nr+1;

（3）無(wú)電子標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)。

在上述的三種情況中，每檢測(cè)完一個(gè)時(shí)隙都要使時(shí)隙數(shù)M-1，如果時(shí)隙數(shù)M為0則判斷Nc是否也為0，如果Nc也為0就表示沒(méi)有電子標(biāo)簽發(fā)生碰撞且都被識(shí)別;如果Nc不為0則表示電子標(biāo)簽發(fā)生碰撞，根據(jù)Nc的大小重新調(diào)整M的值，對(duì)剩余電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，直到所有電子標(biāo)簽都被識(shí)別。

3 、系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

3.1 天線仿真與測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

利用HFSS軟件，我們仿真了天線，其仿真數(shù)據(jù)如下：

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)試，實(shí)際天線在0.92GHz處S11達(dá)到-17.5dB，其增益為8.7dB。通過(guò)旋轉(zhuǎn)標(biāo)簽，測(cè)試天線的圓極化特性，發(fā)現(xiàn)無(wú)論標(biāo)簽如何放置，都可準(zhǔn)確讀取，確認(rèn)圓極化特性良好。

3.2 UHF讀寫器測(cè)試結(jié)果

利用貼有電子標(biāo)簽的物品對(duì)UHF讀寫器的有效識(shí)別范圍、標(biāo)簽識(shí)別個(gè)數(shù)以及靈敏度等性能進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下表所示。

3.3 GSM短信功能測(cè)試結(jié)果

GSM模塊的掛載使系統(tǒng)人機(jī)交流更加豐富，智能化得到體現(xiàn)。