UHF頻段智能型RFID讀寫器的應用研究

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：杜改麗，封治華   人氣： 發表時間：2011年10月16日

    隨著UHF頻段中國標準的逐漸明朗化以及物流、智能交通、數字景區等應用的需求，UHF頻段RFID產品在RFID產業中所占市場份額會越來越大。開發出具有數據糾錯、去冗、存儲和轉發，以及時間管理功能的智能型讀寫器產品系列將是產品發展的方向。

    1 硬件系統設計

    讀寫器的硬件設計主要包括：射頻控制模塊(硬件和固件結合的固件處理器)、INTEL R1000內部集成的射頻收發模塊、功率放大PA模塊，以及外部通信控制和存儲模塊。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議、RFID控制邏輯和主機命令解碼的控制，其與主機間的通信通過USB接口來完成；射頻收發模塊包括RF多路復用電路、高頻開關、循環器和耦合器電路；外部通信控制和存儲模塊主要完成上位機與控制芯片間的通信、調試，以及對固件的控制。

    讀寫器的收發采用2路獨立的通道，分別由發送天線和接收天線及其相關的濾波等電路組成。每組天線系統通過高頻開關外接4組天線，4組發送和接收天線可以通過AT91SAM9263來選擇。發送和接收分開的方式可以有效地提高RFID系統的整體性能，降低接收和發送系統間的干擾，在實際設計中也可以通過外部電路的改動采用單天線設計。

    本設計中采用4組天線，在特殊場合下可以有效地擴大電子標簽TAG的接收空間和范圍。

    硬件結構框圖如圖1所示。UHF頻段的RFID系統可分為射頻電路和基帶電路兩部分。射頻電路部分是標簽和讀寫器之間的高頻接口，用于完成高頻信號的調制／解調、發射／接收。基帶電路部分主要實現射頻系統控制、高頻信號的編解碼等功能，同時完成UHF RFID讀寫器與外部設備或者Host主機之間的通信接口的任務。基帶電路部分是整個讀寫器平臺的核心控制部分，支撐著整個RFID讀寫器系統的各項工作，以完成射頻模塊的控制和通信。

    在讀寫器的設計中，為了能夠對整個系統進行更好的檢測，實時地了解系統的運行情況，特意在設計中增加了系統檢測部分。R1000芯片集成有A／D模塊，但是其精度轉換速率達不到設計的要求，所以在設計中采用了外部A／D轉換器來完成對檢測信號的轉換，然后將轉換信號傳送給ARM微控制器完成系統的狀態監控。

    為了使設備可以組網以及遠距離讀寫和傳輸數據，設計中采用了以太網設計，從而使讀寫器可以在更大的距離空間上對標簽讀寫，并完成大規模組網。

    Host主機作為整個系統的主控核心負責傳輸控制，ARM微控制器的組網數據傳輸操作也受控于Host主機。USB接口不僅用作數據傳輸，而且還用來完成PC機和讀寫器之間的對話。通過設計在PC端的控制軟件，可以實時地給讀寫器發送控制信號(如系統復位、工作使能、標簽讀寫、數據傳輸、功率控制等)；同時，讀寫器將向Host主機反饋相應的狀態信號(如天線開關狀態、功率信號等)，從而配合上層軟件來控制系統的工作過程。最后，通過JTAG接口來完成對讀寫器工作狀態的實時監測和調試，從而準確無誤地驗證在整個讀寫器工作過程中，標簽讀寫和數據處理的正確性和可靠性是否滿足設計要求。

    在設計中，R1000射頻芯片不但集成了大量的射頻元件，而且在內部集成了溫度檢測和功率檢測功能，在內部各個關鍵的核心射頻電路有外接的檢測輸出引腳，從而使板卡的運行狀況和功率檢測實現了實時的檢測和控制，能夠保證系統的良好運行。

    2 外部PA電路設計

    2.1 總體設計

    在采用內部PA(Power Amplifier，功率放大器)時，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超高頻讀寫器的應用。本設計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驅動，通過外部PA子板來完成信號功率放大，然后連接至主板。其中，Balun為平衡轉換器。

    INTEL R1000的內部PA輸出經過一個偏置匹配網絡連接到一個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驅動，其連接如圖2所示。