基于R2000的高性能多天線結構讀寫器方案設計

近年來，隨著信息技術的不斷發(fā)展與進步，物聯(lián)網(wǎng)技術得到了飛躍發(fā)展，并擁有廣闊的應用前景。無線射頻識別(RFID)作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術，其應用前景隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的深入發(fā)展受到越來越多的關注。而隨著低功耗和高性能集成射頻收發(fā)芯片的不斷推出，小型化、模塊化、高性能的超高頻RFID讀寫器也應運而生。

本論文主要是設計一款基于R2000的高性能多天線結構讀寫器，和一般UHFRFID系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)流程一樣，按照應用需求分析、確定指標參數(shù)、制定系統(tǒng)方案、硬件電路設計、_上位機軟件設計、系統(tǒng)集成、整機性能測試、形成產(chǎn)品順序進行，整個項目產(chǎn)品開發(fā)流程如圖2-1所示。

(1)應用需求分析

在該階段主要是通過市場調研了解市場需求。本文涉及的讀寫器產(chǎn)品是應廣東省中山市一家公司的需求而設計，主要是面向倉儲管理、物流供應鏈管理兩個應用領域。這兩個應用領域需要讀寫器能夠對電子標簽實現(xiàn)遠距離無漏識別，同時要求無漏識別速度快。

(2)確定指標參數(shù)

在了解市場單位的應用需求一設計一 -款能對電子標簽實現(xiàn)高速、無漏、遠距離識別的讀寫器，為此需要先確定電路總體參數(shù)指標要求，并將指標細化分到各個部分，從而確定器件的選擇范圍， 便于總體方案設計。

(3)制定系統(tǒng)方案

確定了電路指標參數(shù)后，需要根據(jù)各電路模塊要求選擇合適的芯片器件，并將器件關鍵引腳標注出來，將各部分電路框圖連接，構成整個系統(tǒng)方案。在這個過程中需要考慮系統(tǒng)方案的可實施性，同時盡量優(yōu)化設計研發(fā)成本。

(4)設計硬件電路

在制定系統(tǒng)方案時只是粗略描述了電路各部分的框圖，在硬件電路設計過程中需詳細設計各電路原理圖， 以及電路模塊的接口形式，為組成電路系統(tǒng)做好前期準備。

(5)系統(tǒng)集成

在這個階段主要是將電路整體聯(lián)系起來，設計整個電路的原理圖和PCB版圖，逐步焊接電路并調試電路保證電路每部分都能正常工作，最后將各電路模塊組合在一起構成一個電路系統(tǒng)。

(6)整機性能測試

待電路調試通過后，將電路模塊安放在讀寫器磨具內，燒寫和配置相應的驅動程序和控制程序，模擬實際應用環(huán)境，進行整機性能測試。

(7)形成產(chǎn)品

整機性能測試完成后，需要進行穩(wěn)定性和高低溫測試，待所有測試通過后，貼_上合格證，將產(chǎn)品放進包裝盒內，準備出貨。

2.2、超高頻RFID系統(tǒng)組成

超高頻RFID系統(tǒng)有四個重要組成部分，分別為上位機系統(tǒng)、讀寫器、天線和電子標簽，此系統(tǒng)的工作過程是0-1：。上位機發(fā)送指令給讀寫器， 讀寫器在上位機指令的控制下，開啟射頻模塊發(fā)送高頻信號，通過天線在RFID電子標簽周圍形成磁場，當磁場強度足夠大時，標簽內部的芯片電路被激活，然后將自身攜帶的信息加載到電磁波中返回給讀寫器，讀寫器接收并轉換數(shù)據(jù)信息，再通過上位機的加工處理，完成電子標簽信息的獲取過程。而當標簽離開射頻磁場時，標簽由于沒有足夠的能量激活芯片電路而處于休眠狀態(tài)。整個系統(tǒng)組成如圖2-2所示：

2.2.1上位機

本文中的上位機主要是指集成在整個設備內部，與射頻模塊通信的PC主控機。超高頻RFID讀寫器需要上位機發(fā)出控制指令啟動讀寫器發(fā)送射頻信號，讀寫器接收到標簽返回的信號也需要上位機處理并進行存儲，實現(xiàn)整個超高頻RFID系統(tǒng)的正常工作。

2.2.2讀寫器

超高頻讀寫器( Reader)即射頻模塊， 是整個RFID系統(tǒng)的關鍵組成部分。首先射頻模塊決定了整個系統(tǒng)的工作頻段;其次，讀寫器的發(fā)送功率和接收靈敏度直接影響整個系統(tǒng)的最大識別距離。射頻收發(fā)電路、數(shù)字基帶控制電路和電源管理模塊是讀寫器的主要組成部分。射頻發(fā)射鏈路主要是產(chǎn)生高頻載波信號，完成基帶信號的調制與功率放大，以便為電子標簽提供足夠的能量。射頻接收電路則實現(xiàn)對電子標簽返回信號的解調與低噪聲放大。數(shù)字基帶電路用來解析上位機控制指令，以便控制射頻收發(fā)電路的工作。電源管理部分主要是給各電路模塊供電，使各電路模塊能夠正常工作。

2.2.3天線

天線(Antenna)是一種無源裝置，用來實現(xiàn)電磁波與電流信號的相互轉換。天線在超高頻RFID系統(tǒng)中主要用來發(fā)送與接收高頻載波信號。超高頻RFID系統(tǒng)的天線配置可以采用收發(fā)分離與收發(fā)合一一兩種形式。收發(fā)分離主要是采用兩個天線將射頻信號分離，-一個用來發(fā)送讀寫器輸出的射頻信號，另一個用來接收標簽返回的射頻信號，采用這種方式射頻收發(fā)信號間的相互干擾小，成本相對較高。收發(fā)合一則是用環(huán)形器或定向耦合器實現(xiàn)收發(fā)信號的分離，該方案中射頻收發(fā)信號間的相互干擾較為嚴重，需要有效地抑制射頻載波泄漏對接收信號的干擾?？紤]到實際設計成本與簡化電路結構，本設計中的讀寫器采用定向耦合器搭建收發(fā)分離電路結構并使用增益為8dBi的圓極化天線。

2.2.4電子標簽

電子標簽(Tag) 是數(shù)據(jù)信息的載體，主要由偶極子天線、諧振電容以及微型IC芯片封裝而成!41。RFID讀寫器發(fā)送的電磁波在空間形成磁場，當標簽進入磁場范圍內且磁場能量足夠大時，標簽芯片中的電源管理電壓便依靠此電磁波能量感應出電壓為標簽芯片供電，并將內部信息加載到電磁波中并返回讀寫器，完成讀寫器與電子標簽之間的無線通信。

標簽的靈敏度對射頻識別系統(tǒng)讀寫距離有著舉足輕重的影響。本設計中的超高頻RFID讀寫器采用E4IB倉存物流標簽和Monza4QT標簽，兩款標簽接收靈敏度均在- 15dBm (30uW)左右，能夠到達遠距離識別的要求。

2.3、系統(tǒng)功能分析

考慮到常規(guī)單天線或四天線讀寫器盤存范圍受限，本論文中提出設計多天線結構的讀寫器方案，讓天線能夠覆蓋倉庫的每個角落，確保倉庫內所有貨物上的RFID電子標簽都能被讀寫器無漏識別。

鑒于分立電路元件搭建的射頻收發(fā)系統(tǒng)過于復雜，電路體積龐大，在設計電路方案時，考慮采用高集成度芯片作為主射頻收發(fā)芯片來實現(xiàn)電路方案，在保證電路性能的前提條件下，簡化電路結構，并設計成了射頻收發(fā)電路模塊，可以獨立與其他上位機使用，進一一步簡化了整套設備的電路模塊組成結構， 并提高整個電路系統(tǒng)穩(wěn)定性。

當前RFID技術中的信息安全問題時常發(fā)生，導致商家或者個人的重要信息泄露，這阻礙了RFID技術的進一一步發(fā)展與普及。為了消除RFID技術中的信息安全隱患，在設計過程中結合特殊技術， 通過上位機軟件實現(xiàn)對標簽的加密處理，需要輸入密碼口令才能訪問商家或者個人私有信息內容。結合上述功能需求與當前市面_上讀寫器的特點，本文設計的讀寫器要求的性能指標如下：

(1)工作頻段： 840 MHz ~ 960 MHz;

(2)最大輸出功率：≥30 dBm;

(3)接收機靈敏度：≤-80 dBm;

(4)識別標簽距離：≥15米;

(5)無漏識別標簽數(shù)目： 2200張(10s內);

(7)射頻模塊功耗：≤10W;

(8)實時顯示設備的工作狀態(tài);

(9)標簽信息安全。

為了實現(xiàn)上述功能，在設計超高頻臺式讀寫器系統(tǒng)過程中，從高讀寫性能、多天線結構、工作指示功能、讀寫信息安全四個方面考慮軟硬件電路的設計。

2.3.1高讀寫性能

在設計超高頻RFID讀寫器硬件電路結構時，需采用阻抗匹配網(wǎng)絡和低插入損耗電路結構，使得射頻信號功率從源端向負載端的最大化傳輸。設計完成的超高頻RFID讀寫器射頻端口最大輸出功率需達到31 dBm，能夠在10s內快速無漏

識別240張超高頻RFID電子標簽，整個讀寫器接收機靈敏度小于-80 dBm。在測試過程中采用8dBi增益的天線與接收靈敏度為-15dBm的E4IB電子物流標簽，電子標簽最大可被識別的距離超過15米。超高頻RFID讀寫器識別電子標簽過程如圖2-3所示。

RFID讀寫器發(fā)射高頻載波信號，此信號經(jīng)過天線轉化為電磁波，而電磁波在空間介質中-一般有傳輸損耗。整個讀寫器采用圓極化天線， 假設天線在方向角包圍的曲面區(qū)域各方向均勻輻射能量，且能量密度在該曲面各處相同，對于此類各向同性天線，其接收功率與天線有效面積成正比。在距離天線L米遠處，天線的輻射面積為s，則

2.3.2多天線結構

當前市面上常見的超高頻RFID讀寫器多為單天線或者四天線結構，這兩款讀寫器只適合應用于盤存小范圍內的電子標簽。對于較大范圍的電子標簽采用多臺讀寫器來完成盤點任務，不僅會帶來高昂的成本，而且還需要解決多臺讀寫器同時工作時信號之間相互干擾問題。基于上述考慮，本文設計了- -款多天線結構超高頻RFID讀寫器，不僅能夠完成大范圍內電子標簽的盤點，而且各天線端口采用時分復用，因此也不存在讀寫器各天線端口信號間的相互干擾問題。讀寫器多天線電路結構如圖2-4所示。

在設計過程中通過兩級開關，共配置十六個天線端口，采用時分復用的方式，每個天線端口都可以獨立工作，進行電子標簽的盤存和初始化工作。多天線結構能夠覆蓋更大的空間區(qū)域，保證在倉存管理過程中能夠識別到所有方位上標簽。為實現(xiàn)讀寫器對標簽的無漏識別，天線應朝不同方位均勻安放，保證天線能夠覆蓋到所有標簽。測試過程中兩種多天線讀寫器天線位置安放如圖2-5所示。

在實際應用過程中可根據(jù)實際需要，選擇超高頻RFID讀寫器天線的數(shù)目和天線的安放位置，以保證使選擇的天線的輻射范圍能夠覆蓋所有RFID電子標簽，從而保證在倉存管理過程中所有標簽都能至少能被一個天線發(fā)射的信號識別到，實現(xiàn)倉存管理中的高速無漏識別。

2.3.3工作指示功能

常規(guī)讀寫器無法實時掌握每個天線端口的工作狀態(tài)，當某個天線端口出現(xiàn)異常狀況時難以及時發(fā)現(xiàn)， 長期這樣工作會降低工作效率并影響讀寫器的性能，為避免這種情況的出現(xiàn)，在設計讀寫器硬件電路結構時，增加工作指示功能電路，這樣可以通過指示燈的狀態(tài)實時了解整個讀寫器的工作情況。

工作指示功能包括讀寫器上電指示、開機指示、射頻模塊供電指示和每個天線端口工作狀態(tài)指示。上電指示是用來判斷整個讀寫器是否通電; 開機指示燈則是用來指示讀寫器上位機系統(tǒng)是否啟動;射頻模塊供電指示用來指示上位機軟件是否成功發(fā)送驅動信號，讓電源管理模塊給射頻模塊供電;天線端口指示電路主要是讓十六個指示燈與十六個天線端一一對應，實現(xiàn)指示燈實時顯示每個天線端口的工作狀態(tài)。

2.3.4、讀寫信息安全

目前超高頻RFID技術處于發(fā)展階段，相關應用領域對信息安全要求不高，導致很多廠商和用戶對RFID系統(tǒng)中的信息安全問題不夠重視。隨著超高頻RFID技術的不斷發(fā)展與成熟，信息安全問題將變得尤為重要。

本文在考慮讀寫器與電子標簽安全通信方面，采用IMPINJ公司的Monza4QT電子標簽， 該電子標簽包括私有配置與公共配置兩種模式。在保密隱私性較高的場合，可以通過上位機程序將標簽設置為私有配置模式，在私有配置模式下讀寫標簽私有信息需要訪問密碼。當超高頻RFID讀寫器需要識別電子標簽私有信息時，需要先通過上位機程序輸入訪問密碼，待身份驗證通過后讀寫器才能識別標簽用戶區(qū)信息;如果識別到標簽的讀寫器需要改變標簽用戶區(qū)的內容時，需要在上位機程序界面中輸入寫標簽密碼驗證。采用這種私有配置加密方法，可以防止標簽信息被其它讀寫器非法獲取、修改甚至惡意毀壞。

2.4、硬件電路設計方案

對于一般的超高頻RFID讀寫器硬件電路而言，其電路可以分解為數(shù)據(jù)接口電路、數(shù)字基帶控制電路以及射頻收發(fā)電路，本文在讀寫器內部增加上位機主控平臺，這樣設計完成的讀寫器可以脫離其他控制平臺而獨立工作?；倦娐贩桨附M成如圖2-6所示。

其中數(shù)據(jù)接口電路與上位機連接，主要用來向數(shù)字基帶模塊燒寫控制程序與相關配置，以便實現(xiàn)讀寫器與上位機的通信;數(shù)字基帶電路接收、解析上位機傳來控制指令并發(fā)出信息給射頻收發(fā)電路(201;射頻收發(fā)電路收到基帶控制電路發(fā)送過來的信號后產(chǎn)生高頻載波，對基帶信號進行各種變換處理，并經(jīng)過放大處理向外輻射以及接收處理電子標簽返回來的信號，實現(xiàn)讀寫器對電子標簽的獲取。

2.4.1接口電路

接口電路是超高頻RFID讀寫器重要組成部分，一般由基帶控制電路程序配置接口電路與上位機通信接口電路兩大組成部分。常見的基帶電路程序配置接口電路有UART、J-TAG 等，這些接口電路實現(xiàn)對讀寫器基帶電路程序的配置與燒寫。讀寫器與上位機通信接口一般有RS232、RS485、USB與RJ45等，其中RS232屬于雙工單端通信方式，通信距離能夠達到10米左右，最大通信速率為20 kbps;

RS485是半雙工平衡通信，通信距離能達到1千米，數(shù)據(jù)傳輸速率能達到10Mbps;而USB是一種雙向同步傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)接口，最大傳輸速率達12 Mbps，最大特點是支持熱拔插。在設計高性能多天線結構讀寫器過程中，為了使用方便并支持熱拔插，射頻模塊接口采用USB與上位機通信，而程序的燒寫與配置采用UART及J-TAG方式。

2.4.2數(shù)字基帶電路

數(shù)字基帶電路是超高頻RFID讀寫器模塊的重要組成部分。本文設計的讀寫器數(shù)字基帶電路ARM采用Atmel公司的一款集成芯片。該ARM控制芯片是-款32位精簡指令處理器，擁有256kb閃存(Flash)和64kb靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)，其內部結構按功能可分為數(shù)據(jù)10口模塊、參考時鐘模塊、電源模塊和J-TAG與UART接口模塊四個部分。

ARM芯片與射頻收發(fā)電路的數(shù)據(jù)通信主要是通過數(shù)據(jù)IO口模塊實現(xiàn)的，這些數(shù)據(jù)信息包括發(fā)送與接收過程的時鐘信號(TCK)、 數(shù)據(jù)幀信號(FRM)、 數(shù)據(jù)信息(DIO)， 功率檢測反饋信號以及射頻開關控制信號。

參考時鐘模塊用來為整個ARM芯片提供參考時鐘信號。內部含有一個鎖相環(huán)電路結構，輸出時鐘頻率為80 MHz~200 MHz，參考時鐘晶振頻率為18.432 MHz;外部有一個低功耗的RC振蕩器，可以提供22~42 KHz的振蕩頻率。

電源模塊采用低通濾波和去耦合電容為芯片中的數(shù)據(jù)I0口模塊和存儲電路提供穩(wěn)定的工作電壓。

J-TAG與UART接口模塊則用來向基帶主控芯片燒寫代碼程序、實現(xiàn)在線編程和芯片測試。

2.4.3射頻收發(fā)電路

整個超高頻讀寫器電路中最關鍵部分是射頻收發(fā)電路的設計，目前主要采用如下兩種方式設計：

(1)采用分立元器件搭建射頻收發(fā)電路，

(2)采用集成的射頻收發(fā)芯片加外圍電路實現(xiàn)收發(fā)功能。采用分立元件搭建方案設計的超高頻RFID讀寫器擁有自主知識產(chǎn)權， 分立器件的采購相對容易， 但因電路結構復雜增加設計難度， 且電路性能較差。而采用集成射頻收發(fā)芯片設計的讀寫器開發(fā)周期短、電路結構簡單，整機穩(wěn)定性好，不足之處是集成芯片價格偏高。從電路結構與系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，本文中選擇采用集成芯片設計多天線讀寫器。

對于傳統(tǒng)的超高頻RFID而言，其讀寫器的收發(fā)電路由以下三部分組成，分別是發(fā)射鏈路、接收電路以及收發(fā)分離網(wǎng)絡。本方案在硬件電路設計過程中增加了兩極開關電路和功率檢測保護電路，通過兩極開關的級聯(lián)， 設計出了時分復用的十六天線結構。功率檢測電路能夠實時檢測射頻鏈路發(fā)送和接收功率是否在規(guī)定的范圍內，以保證整個射頻收發(fā)電路不會因為功率異常而被燒毀。設計完成的超高頻RFID讀寫器的射頻收發(fā)電路結構如圖2-7所示。

本項目是需要設計一款超高頻RFID讀寫器， 目前市面上主流的UHF頻段的集成收發(fā)芯片主要有Phychips的PR9000、奧威公司的AS3992和Impinj公司的R2000三款。這三款芯片的主要參數(shù)對比如表2-1所示。

由表2-1可知，三款集成射頻收發(fā)芯片適用頻率、調制方式以及支持協(xié)議基本相同，主要在發(fā)射功率與接收靈敏度方面有較大差異。其中R2000芯片的接收靈敏度最小，最易于實現(xiàn)本項目產(chǎn)品識別距離遠的設計指標，R2000芯片內部基本結構如圖2-8所示。

(2)射頻接收電路

接收電路主要實現(xiàn)對標簽返回信號的接收變換處理。當前常見的接收電路結構主要有如下兩種形式：一種是超外差式，另一種是直接下變頻。

超外差式接收機經(jīng)過兩次下變頻將高頻載波信號解調為基帶信號，主要有如下特點：

1)經(jīng)過一次變頻后的信號屬于中頻信號，其頻率比載波信號頻率低很多，信號頻率越低對信道選擇濾波器的要求也越低。

2)接收信號通常很微弱，為了能夠正常接收到標簽返回的信號，接收機需要很大的功率增益;采用超外差式結構，通過兩次下變頻將信號變換到中頻和低頻， 在低頻段_上更容易對信號進行高增益放大。

3)在頻率較為固定的中頻。上解調和模數(shù)轉換也相對容易。

直接下變頻接收機中高頻載波信號直接被變換為基帶信號，因此也稱為為零中頻(ZIF) 接收機。它的優(yōu)勢體現(xiàn)在：接收機前端結構簡單，只包含低噪聲放大器(LNA)和混頻器，且對低噪聲放大器增益要求不高，容易實現(xiàn)動態(tài)范圍大這一要求; 由于變換后輸出的是基帶信號，僅用電路結構簡單的低通濾波器就能實現(xiàn)對有用信號的選擇。

R2000內部接收鏈路只有一個混頻器電路，適合采用零中頻接收機結構。接收機靈敏度為-84 dBm。 從標簽返回來的信號與發(fā)射機耦合過來的自校準信號疊加后，進入功率增益為7 dB的射頻低噪聲放大器，分為1，Q兩路，與耦合過來的發(fā)射信號進行下變頻，將射頻信號解調為基帶信號，混頻器后面的可調交流電容將基帶信號中的直流成分濾除，然后通過最大增益為24 dB的自動增益控制電路放大，經(jīng)過帶寬可調的低通濾波電路，進入模數(shù)轉換電路，完成信號的接收過程。

2.5、本章小結

本章節(jié)介紹了超高頻RFID讀寫器電路的總體方案，主要是采用集成的收發(fā)芯片R2000來搭建射頻前端電路和AT9ISAM7S-256集成芯片作為基帶控制電路核心部分。整個讀寫器電路結構得以簡化、設計調試難度降低、工作性能穩(wěn)定。其中高讀寫性能、多天線結構、實時指示工作狀態(tài)和標簽信息安全是本文設計的基于R2000讀寫器的特色之處。