基于IntelR2000的UHF RFID讀寫器的設(shè)計(jì)

近年來(lái)興起的射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是以無(wú)線電磁波信號(hào)通過(guò)近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)方式與標(biāo)簽交換能量與信息，實(shí)現(xiàn)識(shí)別目的的技術(shù)，具有數(shù)據(jù)容量大、無(wú)需接觸讀寫、保密性高、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理以及物流管理等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。按工作頻段，RFID系統(tǒng)可分為低頻、高頻、超高頻和微波等幾類。目前大多數(shù)RFID系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng)，但超高頻頻段的RFID系統(tǒng)具有操作距離遠(yuǎn)、通信速度快、成本低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，更適合未來(lái)物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用，也為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)提供了可能。

本文介紹了一種新型UHF頻段RFID讀寫器設(shè)計(jì)方案。該讀寫器是基于Intel R2000芯片、以AT91SAM7S256為微控制器，符合ISO 18000-6C和EPC global Gen2標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)超高頻RFID系統(tǒng)相比，該方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程、減小了讀寫器體積、降低了生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

1 讀寫器系統(tǒng)框圖

基于R2000的讀寫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中控制器采用ARM7內(nèi)核處理器，除了R2000的一些必要外圍元件，系統(tǒng)和天線之間必須加環(huán)行器以滿足單天線應(yīng)用，TX口還必須加功放模塊。根據(jù)讀寫器的系統(tǒng)框圖，主要器件選型如下：



1．1 RFID寬頻環(huán)行器HYG504XX

作為單天線應(yīng)用的收發(fā)隔離，環(huán)形器一般用亞鐵磁性復(fù)合材料制成，這種材料具有各向異性的特點(diǎn)，環(huán)形器為三端口器件，端口1為輸入，端口2為輸出，端口3為隔離端口，能量幾乎不能穿過(guò)，以此類推，一般UHF讀寫器上用環(huán)形器使信號(hào)按順時(shí)針?lè)较蛄魍?，?dāng)端口1為TX輸出時(shí)，RF信號(hào)會(huì)從端口2流過(guò)，而端口3即RX端口為隔離端，具體隔離度需參考器件參數(shù)和LAYOUT效果；相反，當(dāng)端口2作為收發(fā)復(fù)用端接收信號(hào)時(shí)，信號(hào)會(huì)按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)入端口3，此時(shí)泄露到TX端口的能量非常小，可以忽略，而TX泄露到RX端口的能量很大程度上影響著接收機(jī)靈敏度即實(shí)際識(shí)別效果，因此需根據(jù)接收端LNA參數(shù)，在RX端加衰減器對(duì)TX泄露信號(hào)進(jìn)行有效隔離，但由此產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)镽X接收的有用信號(hào)本身就很少，在進(jìn)行TX端泄露信號(hào)衰減的同時(shí)，RX端有用信號(hào)也被進(jìn)一步削弱，因此也會(huì)影響到LNA的接收，因此，用環(huán)形器做收發(fā)隔離只能在一定程度上產(chǎn)生效果，對(duì)于TX輸出功率給定且：ERP不超過(guò)相關(guān)規(guī)定的情況下，要提高接收機(jī)靈敏度，必須考慮增大收發(fā)兩路的隔離度，視具體需求而定。

1．2 射頻開(kāi)關(guān)HMC174

用來(lái)控制射頻輸出的通斷。在900 MHz頻段內(nèi)，輸入的1 dB壓縮點(diǎn)可以達(dá)到39 dBm，充分保證了HMC174可以承受輸入很高的射頻功率。輸入3階截取點(diǎn)可達(dá)到60 dBm，而前一級(jí)頻率合成器的輸出功率在3 dBm以內(nèi)，因而保證了信號(hào)通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)后的高線性度，最大限度地減少了射頻信號(hào)的失真。

1．3 射頻功率放大器PF01411B

PF01411B用做放大R2000的TX端輸出信號(hào)，使其滿足最大功率的輸出要求。PF01411B的主要特性為：高增益：三級(jí)放大，輸入功率0 dBm；高效率：輸出功率在35．5dBm時(shí)可達(dá)45％；增益控制范圍寬：典型值可達(dá)70dB。

1．4 射頻數(shù)控衰減器HMC273

HMC273用做衰減R2000的TX端輸出信號(hào)，功率校正用。

1．5 Impinj Indy R2000 UHF RFID讀寫器芯片

R2000是新一代UHF頻段RFID讀寫器SoC芯片，符合EPC global UHF Class 1 Gen 2／ISO 18000-6C國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成ASK調(diào)制解調(diào)器、濾波器、功放、FPGA等模塊。
1．6 微處理單元AT91SAM7S256

該器件是32位微控制器，大大提升了微控制器的實(shí)時(shí)性能，整合了全套安全運(yùn)行功能，包括由片上RC振蕩器計(jì)時(shí)的監(jiān)視器、電源以及閃存的硬件保護(hù)等。此外，該器件在最差條件下可以30 MHz的速度進(jìn)行單時(shí)鐘周期訪問(wèn)。

2 電源模塊和外設(shè)

電源模塊提供5 V，3．3 V，1．8 V的電壓，和外設(shè)做在同一塊底板上。適配器輸出的12 V直流電壓通過(guò)單片開(kāi)關(guān)電源LM2676轉(zhuǎn)換成5 V，如圖2所示，其他所需電壓值通過(guò)LM1117系列LDO產(chǎn)生，如圖3所示。外設(shè)只提供以太網(wǎng)口、USB口、串口。



AT91SAM7S256自帶以太網(wǎng)MAC，只需選用一片PHY，這里選DM9161AEP，電路如圖4所示。

PHY和MAC的接口采用RMII接口，以太網(wǎng)接口采用集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器的HR911105A，增加信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴SB的接口電路如圖5所示，由于AT91SAM7S256芯片自帶USB控制器，這部分電路相對(duì)簡(jiǎn)單，只需按照ATMEL的參考電路進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。串口電路如圖6所示，其中一個(gè)用做調(diào)試，在沒(méi)有顯示設(shè)備的情況下，啟動(dòng)信息等可以從這個(gè)串口打印輸出到Windows中的超級(jí)終端上，方便設(shè)計(jì)前期的調(diào)試過(guò)程。



3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序

讀寫器在主機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作，該系統(tǒng)與主機(jī)之間形成主從通信模式。主控模塊上電完成正常初始化過(guò)程后，就進(jìn)入等待狀態(tài)，等主機(jī)發(fā)來(lái)指令，當(dāng)接收到主機(jī)指令后，按照主控程序進(jìn)行相應(yīng)的工作。處理完畢后，將所得信息送往主機(jī)。主程序流程如框圖7所示。



4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Impinj最新的R2000進(jìn)行UHF RFID設(shè)計(jì)，可支持多協(xié)議兼容，標(biāo)簽處理速度高達(dá)每秒400多張，此超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)尤其適用于物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)表明，以此為核心的讀寫器防碰撞性能好、高級(jí)DRM算法支持每秒處理400個(gè)標(biāo)簽。這些特性減小了設(shè)備的開(kāi)發(fā)復(fù)雜度，縮短了設(shè)備的研發(fā)周期，提高了系統(tǒng)性能，加快了設(shè)備的上市時(shí)間。