50便攜式RFID讀寫器是怎樣設(shè)計出來的

射頻識別（RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號及 其空間耦合和傳輸特性，實現(xiàn)對靜止或移動物體的自動識別。一個射頻識別系統(tǒng)一般包括射頻標簽、讀寫器以及主機等幾個部分。目前國內(nèi)應(yīng)用于超高頻的RFID讀寫器較少，而且整機價格昂貴，體積龐大、需外接天線或天線陣列、不便于攜帶，且多不能單機工作。本設(shè)計的目的在于以盡可能低的硬件成本實現(xiàn)一種基于ISO/IEC 18000-6B標準的便攜式RFID讀寫器，并可通過軟件升級后支持其他標準或多標準。

1. 理論分析

RFID系統(tǒng)在工作時，首先由讀寫器發(fā)射一個特定的詢問信號，當射頻標簽感應(yīng)到這個信號后，就會給出相應(yīng)的應(yīng)答信號;讀寫器接收這個應(yīng)答信號并對其進行處理，返回給外部

主機或進行相應(yīng)操作。

本文所實現(xiàn)的讀寫器包含射頻收發(fā)模塊和數(shù)字基帶處理模塊，其中射頻收發(fā)模塊又包括射頻發(fā)射機和射頻接收機兩部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)在工作時，首先由數(shù)字基帶處理模塊產(chǎn)生需要向射頻標簽發(fā)送的詢問信號，然后由射頻發(fā)射機將這個信號轉(zhuǎn)換成為射頻信號發(fā)射出去。射頻標簽接收到這個信號后，會給出相應(yīng)的應(yīng)答信號，即回波信號。這個回波信號將由射頻接收機接收回來并進行處理，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后送給數(shù)字基帶處理模塊進行進一步的處理。

2. 讀寫器硬件設(shè)計

如前所述，本讀寫器的硬件主要包括射頻收發(fā)機模塊和數(shù)字基帶處理模塊，其中射頻收發(fā)機模塊包括射頻發(fā)射機和射頻接收機，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇上，本讀寫器以降低成本為主要目標，射頻發(fā)射機和射頻接收機采用了零中頻的結(jié)構(gòu)，在很大程度上減少了所需的器件;數(shù)字基帶處理模塊采用了以單片機為主的結(jié)構(gòu)，而沒有采用高速的DSP，也節(jié)省了一定的成本。下面分模塊詳述之。

2.1 射頻發(fā)射機

發(fā)射機電路主要包括晶體振蕩器、頻率綜合器、功分器、ASK調(diào)制器、功率放大器（PA）

本設(shè)計中，頻率綜合器采用了集成芯片SI4133，這是一款可編程的鎖相環(huán)芯片，可以通過數(shù)字編程控制其輸出頻率，這里正是通過它這一性能，實現(xiàn)了系統(tǒng)在860MHz～960MHz的頻率范圍內(nèi)的跳頻操作，從而可以避免頻帶內(nèi)其他信號的干擾。由SI4133輸出的射頻載波

經(jīng)過一個功分器后，一路送往接收機作為本地振蕩信號LO，另一路則送至ASK調(diào)制器。這里的ASK調(diào)制器采用了一款結(jié)構(gòu)非常簡單的芯片HMC195，它可以簡化為一個高速開關(guān)，由需要發(fā)送的數(shù)字信號控制其通斷，以此完成對載波的調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的載波由功率放大器進行放大，最后送至天線發(fā)射出去。

鑒于實際工作的需要，這里并沒有采用高性能的功率放大器，而是采用了一個價格低廉的緩沖放大器芯片AG503，其輸出功率最高可達17dBm，即0.05W。發(fā)射天線也采用了極為簡單的PCB印制偶極子天線，無需外接。此時讀寫器的工作距離可達80cm 。由于載波在近距離的自由空間的衰減近似與傳播距離的平方成正比，故可以計算當發(fā)射機的等效發(fā)射功率（EIRP）達到36dBm，即4W時，讀寫器的工作距離可以達到7米。

2.2 射頻接收機

接收機電路主要包括相干解調(diào)器、運算放大器、比較器等，其主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。相干解調(diào)器采用I、Q正交解調(diào)。

接收機的設(shè)計難點主要在于同頻接收。因為對于無源標簽，在循環(huán)發(fā)送詢問信號的期間，讀寫器需要始終發(fā)送載波信號來給標簽提供能量。然而，從發(fā)射機到接收機的隔離一般在20dB以下，因此在接收機接收標簽應(yīng)答信號的同時也會接收到這個比較強的載波信號，這就要求接收機必須具有很高的線性度。對于這個問題，既不能像手機系統(tǒng)中那樣采用雙頻收發(fā)，也不能像有些射頻收發(fā)機那樣采用分時收發(fā)，而只能通過提高接收機的線性度和增大發(fā)射機與接收機之間的隔離來解決。

本接收機中采用了一個高線性度低噪聲的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器LT5516，它的1dB壓縮點可達6.6dBm，而噪聲系數(shù)只有11.4dB。由于一般的低噪聲放大器（LNA）的線性度不能滿足要求，故在前端沒有采用低噪聲放大器。LT5516的RF輸入端口與LO輸入端口均采用差分輸入，故在它的兩個輸入端口處各接了一個平衡-不平衡變換器（Balun）。（圖中未示出）由于LT5516的兩個輸入端口的輸入阻抗為200Ω，而外部的RF與LO輸入信號均是匹配在50Ω，故本設(shè)計中的Balun采用的是1:4的變壓器，實現(xiàn)從單端信號到差分信號轉(zhuǎn)換的同時也實現(xiàn)了從50Ω到200Ω的阻抗變換。

LT5516的輸出是正交的I，Q兩路信號，并且分別以差分形式輸出。它的輸出阻抗為60Ω，在輸出端接了270pF的對地電容，從而獲得截止頻率位于10MHz的RC低通濾波器，以此濾出高頻分量。

運算放大器和比較器采用了噪聲較低的LT6207，它含有4個運算放大器，將其中兩個作為第一級，另兩個作為第二級。LT5516的輸出差分信號經(jīng)過低通濾波，采用交流耦合到第一級運算放大器的輸入端，經(jīng)放大后輸出單端信號，然后再經(jīng)直流耦合到第二級運算放大器的反相輸入端。第二級運算放大器采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電壓比較器的功能，其同相輸入端

接比較電平。這樣在第二級的輸出端便可以得到數(shù)字信號，這就是射頻接收機處理之后的信號。該信號將被送至數(shù)字基帶處理模塊進行進一步地處理。 2.3 數(shù)字基帶處理模塊

數(shù)字基帶處理模塊主要包括一個單片機、兩個轉(zhuǎn)換芯片、外部接口以及蜂鳴器等，其主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

這里的單片機采用了Philips的P89LPC932A1單片機，外部時鐘頻率為12MHz。整個系統(tǒng)的控制信號，如射頻收發(fā)機中頻率綜合器的初始化信號、使能信號、跳頻指令信號、相干解調(diào)器的使能信號以及ASK調(diào)制器的數(shù)字輸入信號等均由這個單片機提供。另外，標簽的應(yīng)答信號經(jīng)射頻接收機接收處理后也需送至單片機進行解碼、校驗，然后由單片機作出判斷，給出相應(yīng)的卡號等信息。

數(shù)字基帶處理模塊與讀寫器外部的接口包括RS232串口和USB端口，這里采用了兩個轉(zhuǎn)換芯片MAX3232和PL2303，分別實現(xiàn)從單片機到相應(yīng)接口的信號轉(zhuǎn)換，以此完成讀寫器與外部主機的通信。這樣既可以由外部主機對讀寫器進行控制，也可以由讀寫器將讀取的標簽信息返回給外部主機。

3. 讀寫器軟件設(shè)計

本讀寫器具有兩種工作模式。一種是單機工作，在這種工作模式下，讀寫器上電即工作，循環(huán)發(fā)送讀卡指令，一旦有符合本標準的標簽進入場區(qū)，便讀出其卡號，同時通過蜂鳴器給出警告。

另一種工作模式是在外部主機控制下工作。在這種工作模式下，操作可分為兩大類：一類是對讀寫器操作，包括讀版本信息、設(shè)置天線、控制功放、IAP（應(yīng)用中編程）軟件升級和設(shè)置工作頻率模式（固定頻率和跳變頻率）等，處理完成后將信息返回給主機;另一類是對標簽操作，其中包括防沖突讀卡號、讀標簽數(shù)據(jù)區(qū)和寫標簽數(shù)據(jù)區(qū)等，該操作指令通過Manchester編碼后發(fā)送出去，然后等待標簽的回波信號;返回數(shù)據(jù)通過FM0解碼后進行CRC校驗，數(shù)據(jù)正確則返回給主機。讀寫器在工作中，外部主機可以隨時應(yīng)用IAP升級功能對讀寫器的軟件進行在線升級。如果軟件升級為支持其他標準，如NCITS_256標準、EPC標準，或者是支持多標準，則該讀寫器可升級為支持相應(yīng)標準或多標準的讀寫器。

主程序的流程圖如圖5所示。

4. 測試結(jié)果與總結(jié)

本文闡述了射頻識別（RFID）系統(tǒng)的工作原理，分析了該系統(tǒng)中讀寫器的設(shè)計難點，并在此基礎(chǔ)上以較低的硬件成本設(shè)計實現(xiàn)了一個基于ISO/IEC18000-6B標準的RFID讀寫器，能夠完成在UHF頻段的防沖突讀卡號以及讀寫標簽數(shù)據(jù)區(qū)等功能，單標簽讀寫速度可達80bit/5ms，在發(fā)射功率僅為17dBm，即0.05W時，工作距離可達80cm，能夠滿足本應(yīng)用中的要求。本讀寫器具有單機工作模式和受控工作模式，不需外接天線，便于攜帶，包括機殼在內(nèi)重量不足200克。工作時可在860MHz～960MHz的頻率范圍內(nèi)進行跳頻操作，從而避免了頻帶內(nèi)其他信號的干擾。另外還可以使用IAP功能實現(xiàn)應(yīng)用中的在線升級，在有相應(yīng)軟件支持下可以支持其他標準或多標準。目前已經(jīng)進入產(chǎn)品化階段，對UHF頻段RFID讀寫器的SOC集成具有一定的參考價值。

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