超高頻RFID讀寫器的原理是怎樣的

RFID系統(tǒng)通常主要由電子標(biāo)簽、讀寫器、天線3部分組成。讀寫器對電子標(biāo)簽進(jìn)行操作，并將所獲得的電子標(biāo)簽信息反饋給PC機(jī)。射頻識(shí)別技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，逐漸被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通運(yùn)輸、防偽、跟蹤及軍事等方面。按工作頻段不同，RFID系統(tǒng)可以分為低頻、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)，更適合未來物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管目前，RFID超高頻技術(shù)的發(fā)展已比較成熟，也已經(jīng)有了一些標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽的價(jià)格也有所下降;但RFID超高頻讀寫器卻有變得更大，更復(fù)雜和更昂貴的趨勢，其消耗能量將更多，制造元件達(dá)數(shù)百個(gè)之多。然而，這里的設(shè)計(jì)采用高度集成的R1000，可以解決上述問題，既可降低芯片設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，又能使制造商制造出體積更小，更有創(chuàng)新性的讀寫器，從而開拓新的RFID應(yīng)用領(lǐng)域。

1、讀寫器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)選用W78E465作為主控模塊，IntelR1000收發(fā)器作為射頻模塊。該設(shè)計(jì)可以作為手持終端，并用RS 232串行通信模塊和電平轉(zhuǎn)換接口MAX232與上位機(jī)相連。系統(tǒng)硬件原理見圖1。

1.1 主控模塊

W78E365是具有帶ISP功能的FLASH EPROM的低功耗8位微控制器，可用于固件升級(jí)。

它的指令集與標(biāo)準(zhǔn)8052指令集完全兼容。W78E365包含64KB的主ROM，4 KB的輔助FLASH EPROM，256B片內(nèi)RAM;4個(gè)8位雙向、可位尋址的I/0口;一個(gè)附加的4位I/O口P4;3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器及1個(gè)串行口。這些外圍設(shè)備都由有9個(gè)中斷源和4級(jí)中斷能力的中斷系統(tǒng)支持。為了方便用戶進(jìn)行編程和驗(yàn)證，W78E365內(nèi)含的ROM允許電編程和電讀寫。一旦代碼確定后，用戶就可以對代碼進(jìn)行保護(hù)。

W78E365內(nèi)部ROM僅64 KB，內(nèi)存太小，故采用AT29C256作為外擴(kuò)ROM.線路連接見圖2

1.2 收發(fā)模塊

射頻模塊采用Intel R1000收發(fā)器。R1000內(nèi)包含了一個(gè)能源擴(kuò)大器，使得它可以在近距離或者2 m內(nèi)對標(biāo)簽進(jìn)行編碼和閱讀，而具體距離由讀寫器所使用的天線決定。有了額外的外部能源擴(kuò)大器，使用R1000讀寫器的讀寫范圍可以達(dá)到10 m.R1000必須與單獨(dú)的微處理器連接，這個(gè)微處理器可以把由R1000數(shù)字信息處理器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成EPc或者18000-6c格式的代碼，其工作頻率為860～960 MHz，共有56個(gè)引腳，采用0.18μmSiGe BiCMOs先進(jìn)工藝，體積僅為8 mm×8 mm，功耗只有1.5 w左右，具有很高的集成度。

R1000與W78E365的連接見圖3.射頻信號(hào)經(jīng)天線進(jìn)入電橋，輸出信號(hào)被分為兩路，一路信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器和不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進(jìn)入R1000的射頻輸入口。另一路信號(hào)經(jīng)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進(jìn)人R1000的本振輸入口。這兩路信號(hào)在R1000內(nèi)部經(jīng)過解調(diào)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列操作后，將所得的數(shù)字信息送給W78E365.W78E365對收到的信號(hào)經(jīng)解碼和校驗(yàn)，將所得信息送往上位機(jī)，并將其對R1000的命令編碼和加密后發(fā)送給R1000.這些命令在R1000內(nèi)部經(jīng)過調(diào)制和PA，再經(jīng)過平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換和濾波，由天線發(fā)射出去。數(shù)字模塊中的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)來自于外部TCXO產(chǎn)生的24 MHz參考頻率。

系統(tǒng)中通過∑-△DACS的信號(hào)頻率為24 MHz;通過∑-△ADCS的信號(hào)頻率為48 MHz。

R1000內(nèi)部集成了接收器和發(fā)射器。實(shí)質(zhì)上，接收器是一個(gè)零中頻接收機(jī)。下變頻后，直流的大部分被復(fù)位，由交流耦合電容器濾除。模擬中頻濾波器提供粗略的頻道選擇。它具有可編程帶寬滿足大范圍的數(shù)字通過率。該濾波器可以配置成兩個(gè)實(shí)際的低通濾波器，也可以配置成復(fù)雜的單相帶通濾波器。經(jīng)濾波后，I，Q信號(hào)被數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。濾波器中自動(dòng)中頻增益的升高會(huì)降低模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。

R1000中，發(fā)射器支持同相正交矢量調(diào)制和極化調(diào)制。前者，用于SSB-ASK調(diào)制和反相幅移鍵控調(diào)制;后者，用于DSB-ASK.在這兩種調(diào)制方式下，數(shù)字模塊產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過∑一△數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和重建濾波器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

在SSB-ASK調(diào)制方式下，基帶編碼信號(hào)經(jīng)希爾伯特濾波器產(chǎn)生復(fù)合的同相信號(hào)I和正交信號(hào)Q，經(jīng)∑-△數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將I，Q數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，進(jìn)入模擬模塊，該模擬信號(hào)經(jīng)天線發(fā)射出去。在PR-ASK調(diào)制方式下，用混頻器將信號(hào)反相彌補(bǔ)AM部分的時(shí)延，反相時(shí)延控制有一個(gè)可編程時(shí)延，使極化調(diào)制的相位與幅度之問的時(shí)間錯(cuò)誤趨于最小值。在DSB-ASK調(diào)制方式下，基帶編碼和脈沖信號(hào)同樣也經(jīng)過希爾伯特濾波器產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合的I，Q信號(hào)。所不同的是脈沖成型信號(hào)預(yù)先進(jìn)行了扭曲，這樣可以補(bǔ)償調(diào)幅傳遞函數(shù)中的非線性。這個(gè)經(jīng)過預(yù)先扭曲的調(diào)幅控制信號(hào)經(jīng)過∑-△數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最后通過天線發(fā)射出去。

基于功率要求和調(diào)制方式的不同，R1000有全功率非線性，低功率非線性和線性3種發(fā)射模式。在DSB-ASK調(diào)制模式下。R1000采用全功率非線性發(fā)射模式。為了發(fā)射R1000允許的天線上最大發(fā)射功率值為+30dBm，需在R1000外部接1個(gè)PA.采用class—C極化調(diào)制能夠提高系統(tǒng)的功率效率。在這種發(fā)射方式下，只有在DSB—ASK調(diào)制方式才有效。低功率非線性發(fā)射模式與全功率非線性發(fā)射模式相似，只是外部不再需要PA.相反，只使用內(nèi)部較低的輸出功率，在這種發(fā)射方式下只有DSB—ASK調(diào)制方式有效。在線性發(fā)射模式下，R1000的PA—out信號(hào)與外部線性PA相連，這是因?yàn)镾SB—ASK調(diào)制方式要求1個(gè)線性的PA.需要指出的是在R1000外部接1個(gè)PA時(shí)，會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，但同時(shí)放大了傳輸信號(hào)的功率，使信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)，提高了讀寫器的讀寫距離。

基于C超高頻RFID技術(shù)而生產(chǎn)的北京旭航電子新技術(shù)有限公司的電子封印，將半導(dǎo)體芯片與普通封印整合為一提，形成具有安全、防偽的智能封印;洗脫液計(jì)算機(jī)的廣泛普及及應(yīng)用，通過智能封印管理系統(tǒng)對封印實(shí)現(xiàn)電子化、信息化管理，完善計(jì)量部門日常對封印的巡檢監(jiān)督監(jiān)察。

1.3 天線

對Intel R1000超高頻收發(fā)器，基于不同的天線子系統(tǒng)，天線有兩種配置情況。第一種情況是單天線模式。在這種情況下，用一個(gè)回路來隔離發(fā)射路徑和接收路徑，每根天線都具備接收器和發(fā)射器的功能。第二種情況是雙天線模式。同樣用分離的天線將接收器和發(fā)射器連接起來，通常情況下，兩根獨(dú)立的天線由一個(gè)開關(guān)控制，每根天線僅具備接收器功能或發(fā)射器功能。

對單天線模式，因天線的反射系數(shù)并不理想，所以接收增益不能太大，會(huì)有飽和的問題。以R1000的高接收靈敏度，可以搭配-10 dB左右的Coupler，視整體線路的隔離而定;對于雙天線模式，天線的收發(fā)隔離比較理想，接收路徑可以使用高增益。

該設(shè)計(jì)采用雙天線模式，用矩形微帶天線和同軸電纜構(gòu)成讀寫器的天線。該微帶天線的基板材料采用介電常數(shù)比較高的陶瓷基片，厚0.635 mm.天線寬為70.5 mm，長為52.689 mm，微帶線寬度為0.598 mm，饋電點(diǎn)選取在天線寬邊中心。經(jīng)過ADS仿真，該天線中心頻率為915 MHz.為減小天線反射系數(shù)，達(dá)到較理想的匹配，對天線串聯(lián)一根長度為18.471 mm，阻值為50Ω的傳輸線，然后再并聯(lián)一根長度為24.678 mm，阻值為50Ω的傳輸線。經(jīng)ADS仿真優(yōu)化得知，在中心頻率915 MHz處，天線最大輻射方向上的方向性系數(shù)為3.535;效率為40.087%;增益為1.417。

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