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

在當今的現(xiàn)代化社會，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)計通過在指定的物品上掛載標簽，采用UHF射頻卡讀寫器作為控制核心對目標標簽加以識別與讀取，配合鏈接MSP430處理器及自制的圓極化天線，實現(xiàn)了物品的定位功能，并通過配合使用GSM模塊，以短消息的方式告知主人物品的位置及安全信息。標簽的信息可通過PC機鍵盤輸入進行更改。UHF射頻卡讀寫器中的防碰撞算法保證了標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。有效地實現(xiàn)了物品——系統(tǒng)——用戶的緊密聯(lián)接，從而達成了設(shè)計功能要求。

1.2 天線部分

1.2.1 天線的設(shè)計原理

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

貼片形狀結(jié)構(gòu)的不同會導(dǎo)致天線性能的迥異，在方形貼片對角線上像波導(dǎo)拐彎那樣切掉一個45°的角。該分離單元就可以使饋電場形成兩個空間正交簡并模的諧振頻率發(fā)生分離。為實現(xiàn)圓極化， 這兩個模必須達到幅值相等、相位相差90°。相等幅值可以通過適當選擇饋電位置實現(xiàn)，需選取饋電點選取位于切角貼片中心線上。90°相移的產(chǎn)生有兩個因素，一個是饋電點位置，另一個是分離單元的尺寸。由腔模理論知微帶貼片天線激勵?？傻刃橐徊⒙?lián)的RLC 諧振電路［5］。為了使電子標簽在各個位置都能被識別，設(shè)計采用圓極化天線。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，讓金屬探針起到更好的饋電作用。通過仿真、測試，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)計天線為圓極化貼片天線，具體設(shè)計要求和參數(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。

讀寫器通過射頻信號與標簽進行通信，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簽，標簽收到命令后進行應(yīng)答響應(yīng)。標簽根據(jù)命令返回有用數(shù)據(jù)信息給讀寫器。讀寫器對標簽返回信號處理后再傳回上位機。

本設(shè)計中的UHF主要實現(xiàn)了以下幾個功能：

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

（2）讀寫器與上位機進行通信。讀寫器通過特定接口與上位機相連接，如RS-232、USB、RJ45 等。上位機向讀寫器發(fā)送控制命令，控制讀寫器對標簽的操作。讀寫器將標簽返回的信息傳回給上位機。

（3）讀寫器可以完成對多個標簽的讀寫功能，實現(xiàn)了防碰撞處理。

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

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處理模塊，設(shè)計要解決的主要問題是抑制干擾，正確進行信號收發(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，激活工作區(qū)域內(nèi)的無源標簽并為其正常工作提供能量;

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

（3）接收標簽返回的射頻信號并進行下變頻處理;

（4）控制頻率綜合器進行跳頻處理。本次設(shè)計中的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 兩路信號自動選擇時不會出現(xiàn)通信的盲點，而且射頻芯片還自帶 A/D 轉(zhuǎn)換電路，可以用于測量讀寫器的發(fā)射功率。

對于讀寫器的射頻發(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天線，將接收和發(fā)送分開或者使用一個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，缺少任何一個模塊都不能構(gòu)成完整的讀寫系統(tǒng)。基帶模塊主要功能如下：

（1）控制標簽與讀寫器間的數(shù)據(jù)交換;

（2）執(zhí)行單標簽識別和防沖撞算法;

（3）與上位機軟件進行通信，并執(zhí)行從上位機軟件發(fā)來的命令;

（4）控制讀寫器和標簽間的身份驗證;

（5）控制頻率步進和發(fā)射信號功率。

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)計中，MSP430F149單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令控制GSM模塊實現(xiàn)各種無線通信功能。通過GSM模塊與MSP430F149單片機的配合使用，我們可以將重要的信息在第一時間以短信的方式發(fā)送給用戶，如果標簽所標記的物件超出我們設(shè)定的安全范圍，用戶的手機將收到GSM模塊發(fā)送的報警提醒信息，達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PC鍵盤輸入，可以編寫或修改電子標簽所標記的物品信息，設(shè)置保護物品的安全范圍，在實現(xiàn)尋物目的時，可以設(shè)定尋物范圍，方便用戶進行失物的搜索。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，顯示清晰簡潔操作方便，實現(xiàn)了人機界面友好的目的。

2、軟件設(shè)計與流程

2.1 系統(tǒng)的軟件整體

下面將介紹本次設(shè)計系統(tǒng)的軟件部分，整體軟件的設(shè)計思路如下圖所示，軟件主要包括三個部分：（1）UHF部分的防碰撞算法;（2）MSP430F149單片機整體控制程序;（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

讀寫器在沒有采用多址訪問控制機制的情況下，如果個能被同一讀寫器識別的多個電子標簽同時處在讀寫器能夠識別的范圍內(nèi)，電子標簽將同時響應(yīng)讀寫器的指令。信道會被電子標簽爭用，導(dǎo)致信號互相干擾，讀寫器不能正確接收數(shù)據(jù)，也不能準確識別電子標簽信息。當多個電子標簽使讀寫器發(fā)生判斷錯誤，讀寫器會認為電子標簽不在自己的作用范圍內(nèi)或無法讀取信息，即發(fā)生了碰撞問題。

通過查閱相關(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、時隙ALOHA算法、幀時隙ALOHA算法、動態(tài)幀時隙 ALOHA算法。本次設(shè)計的UHF讀寫器采用動態(tài)幀時隙 ALOHA算法。

讀寫器可以統(tǒng)計出一幀時隙中成功識別的時隙數(shù)Nr，發(fā)生碰撞的時隙數(shù)Nc，如果當前讀寫器周圍的電子標簽數(shù)為N，則剩余的電子標簽數(shù)為N-Nr。 根據(jù)對動態(tài)幀時隙算法的分析可知，下一幀的時隙數(shù)為L1=N-Nr。通過查閱相關(guān)算法資料得知，電子標簽的估計公式為：N=Nr+2.39Nc。

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

讀寫器對一幀中各個時隙進行檢測，檢測結(jié)果可分為三種情況：

（1）正確接收電子標簽信息Nr+1;

（2）電子標簽發(fā)生碰撞Nr+1;

（3）無電子標簽應(yīng)答信號。

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

3 、系統(tǒng)測試與誤差分析

3.1 天線仿真與測試結(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：

通過矢量網(wǎng)絡(luò)測試儀測試，實際天線在0.92GHz處S11達到-17.5dB，其增益為8.7dB。通過旋轉(zhuǎn)標簽，測試天線的圓極化特性，發(fā)現(xiàn)無論標簽如何放置，都可準確讀取，確認圓極化特性良好。

3.2 UHF讀寫器測試結(jié)果

利用貼有電子標簽的物品對UHF讀寫器的有效識別范圍、標簽識別個數(shù)以及靈敏度等性能進行測量，測量結(jié)果如下表所示。

3.3 GSM短信功能測試結(jié)果

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

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