HF頻段RFID長距離讀寫器的研究與開發(fā)

射頻識別技術(shù)（RFID）是上世紀80年代興起并不斷走向成熟的一項自動無線識別和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。與傳統(tǒng)的條碼、磁卡等自動識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)在工作距離、保密性、智能化及其環(huán)境適應(yīng)能力等方面都有顯著優(yōu)勢，且可同時識別多個高速運動物體，有廣闊的發(fā)展前景[1]。
　　RFID系統(tǒng)由電子標簽、天線、讀寫器三部分組成。讀寫器通過天線發(fā)送、接收信號，無接觸地讀取和識別標簽中所保存的數(shù)據(jù)，并將信息傳送至上位機進一步處理，從而達到目標識別的目的。由此可見，讀寫器是RFID技術(shù)的核心。目前HF頻段RFID讀寫器的研發(fā)正處于逐步成熟階段，國際上知名的大公司有TI、Philips等，國內(nèi)生產(chǎn)廠商相對較少，且大部分都是在已有射頻芯片的基礎(chǔ)上進行數(shù)字部分的研發(fā)，系統(tǒng)集成商則是在國外公司知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上根據(jù)客戶需要做適當改進。
　　HF頻段RFID系統(tǒng)中標簽所獲能量微弱，無力再向周圍發(fā)射無線電波，只能反射來自讀寫器的電磁波,故標簽的響應(yīng)信號微弱，影響讀寫距離。本文針對這一問題，在介紹電子標簽的基礎(chǔ)上，給出了一種基于開放式門禁系統(tǒng)應(yīng)用的讀寫器設(shè)計方法，提出將模擬板、數(shù)字板分別研發(fā)的思想，大大提高了讀寫距離。該讀寫器工作頻率為13.56MHz，符合ISO-15693協(xié)議。硬件電路采用TI的TMS320F2812為主控芯片，以符合ISO-15693協(xié)議的所有無源標簽為讀寫目標，軟件設(shè)計很好地實現(xiàn)了多卡識別的防碰撞算法。
1 電子標簽簡介
　　每個電子標簽由耦合元件及芯片組成，內(nèi)部一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，且具有無法修改、仿造、全球唯一的識別號（UID）。在HF頻段RFID系統(tǒng)中，當讀寫器處于工作狀態(tài)時，與其相連的天線線圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率(13.56MHz)的電磁波。當無源電子標簽進入讀寫器工作區(qū)域時，在該電磁波的激勵下，標簽內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生諧振，從而使電容充電而產(chǎn)生電荷。該電容又通過一個單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷泵送到另一個電容內(nèi)存儲。當后者充電達到2V時，它就可用作為標簽內(nèi)部其他電路的工作電源。標簽芯片中的有關(guān)電路對讀寫器發(fā)來的信號進行解調(diào)、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進行判斷。若為“讀”命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過標簽內(nèi)部天線再發(fā)送給讀寫器；若為修改信息的“寫”命令，有關(guān)控制邏輯就會使內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，以擦除EEPROM中的內(nèi)容并進行改寫；若經(jīng)判斷發(fā)現(xiàn)所對應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯信息[2]。
2 讀寫器硬件設(shè)計
　　目前的RFID讀寫器大多采用一塊射頻芯片完成整個系統(tǒng)的收發(fā)，雖簡單易行，但降噪性能和系統(tǒng)靈敏度始終沒有改善。
　　本設(shè)計提出模擬、數(shù)字部分分別研發(fā)的思想，硬件框圖如圖1所示。由DSP芯片產(chǎn)生脈沖位置編碼(PPM)信號，再對13.56MHz載頻進行調(diào)制。已調(diào)信號的功率很弱，需先進行功率放大，再經(jīng)濾波和調(diào)諧加到天線上，以提高對卡的操作距離。系統(tǒng)可通過DSP實現(xiàn)輸出功率控制，最小功率為0.25W。天線線圈在13.56MHz工作頻率上呈現(xiàn)阻抗形式，為了實現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，需先通過匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω電阻，然后通過50Ω同軸電纜連接到讀寫器末級。在接收通道中，由標簽響應(yīng)回來的信號，首先通過帶通濾波器取出一邊帶，放大后送入解調(diào)器，最后將解調(diào)后的信號送入DSP芯片上作A/D采樣判決，并進行解碼和校驗，完成整個信號的接收處理。該讀寫器用于開放式門禁系統(tǒng)時，除完成簡單的標簽識別外，還需通過RS232接口與上位機通信, 由此形成大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)對標簽的管理、操作等。因此讀寫器的硬件設(shè)計分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分即射頻模塊；數(shù)字部分又可分為主控模塊，電源管理模塊和對外接口模塊、所選芯片如表1所示。

2.1 模擬部分
　　本設(shè)計自主研發(fā)了一塊供電電壓為24V的模擬板，簡要論述如下。
2.1.1 發(fā)送模塊
發(fā)送模塊的功能：(1)13.56MHz的晶振產(chǎn)生載波信號，DSP將欲發(fā)送的信息及調(diào)制幅度(10％)傳送至74HC125D芯片端，完成ASK調(diào)制；(2)NPN型射頻功率晶體管實現(xiàn)功率放大；(3)經(jīng)匹配電路將載頻由天線發(fā)送出去。
2.1.2 接收模塊
接收模塊的功能：(1)設(shè)計窄帶濾波器取出一邊帶，并濾除13.56MHz頻率分量；(2)二級放大電路；(3)將邊帶信號與本地13.56MHz載波混頻后獲得調(diào)制到423kHz單副載波上的中頻信號；(4)將中頻信號放大并包絡(luò)檢波出原始信號；(5)運放LM358整形放大；(6)將解調(diào)后的模擬信號送至DSP采樣。
　　該射頻模塊的輸出阻抗為50?贅，外接天線的匹配狀況對系統(tǒng)的接收性能有直接影響，用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試天線諧振在13.56MHz，輸出阻抗為50?贅。此外，應(yīng)防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，要選擇介電常數(shù)公差小的基材。射頻部分盡量使用SMT(表面貼裝式)元件，減少過孔，并在表面加接地金屬屏蔽層[3]。
2.2 數(shù)字部分