超高頻RFID讀寫器部分電路設計

摘要：本文以設計一種超高頻射頻讀寫器為目的，設計和實現(xiàn)了基于射頻芯片Intel R1000和微控制器AT91SAM9263的讀寫器系統(tǒng)，增加了外部PA設計，從而大大提高了讀寫器的讀寫距離。

RFID技術(shù)的發(fā)展可以用“日新月異”這個詞來形容，隨著射頻識別在各應用領(lǐng)域如物流、零售業(yè)的進一步推廣，針對各種復雜環(huán)境的應用需求，對讀寫器也提出了更加嚴格的要求。射頻識別技術(shù)自產(chǎn)生到發(fā)展的時間并不算長，很多技術(shù)還是處在研究階段，在國際上UHF頻段RFID產(chǎn)品以Symbol、Alien和Intermec為代表，它們都形成了RFID產(chǎn)品系列，但尚未形成完整的智能型產(chǎn)品系列，而且產(chǎn)品集成度不高，相對中國市場價格也較高。在國內(nèi)，UHF頻段的閱讀器產(chǎn)品起步較晚，以前又缺乏國家頻率標準的支持，只有少數(shù)企業(yè)代理國外產(chǎn)品，尚無具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品問世。

近年來，RFID技術(shù)已經(jīng)在社會眾多領(lǐng)域開始應用，對改善人們的生活質(zhì)量、提高企業(yè)經(jīng)濟效益、加強公共安全以及提高社會信息化水平產(chǎn)生了重要的影響。根據(jù)預測，RFID標簽技術(shù)將在未來2～5年逐漸開始大規(guī)模應用，到2008年RFID標簽僅在全球供應鏈領(lǐng)域的市場需求將達到40億美元。RFID技術(shù)已在世界各地得到廣泛的應用，并在安全，金融，物流等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大優(yōu)勢，以美國，日本和歐洲為首的發(fā)達國家對該技術(shù)的應用研究已達到相當高的水平，而我國則處于起步階段，大多采用引進的技術(shù)成果，因而研究該技術(shù)已成為當今社會發(fā)展的必需，國內(nèi)各企業(yè)RFID產(chǎn)品多集中在LF、HF等頻段，技術(shù)含量低，相互問主要是小規(guī)模/低成本的惡性競爭。而UHF頻段RFID產(chǎn)品技術(shù)門檻高，國內(nèi)具備自主研發(fā)UHF頻段RFID產(chǎn)品實力的企業(yè)風毛麟角。

隨著UHF頻段中國標準的逐漸明朗化和物流、智能交通、數(shù)字景區(qū)等應用的需求.UHF頻段RFID產(chǎn)品在RFID產(chǎn)業(yè)中所占市場份額會越來越大。開發(fā)出具有數(shù)據(jù)糾錯、去冗、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)以及時間管理功能的智能型讀寫器產(chǎn)品系列將是產(chǎn)品發(fā)展的方向。

1 硬件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

讀寫器的硬件設計主要由射頻芯片控制(硬件和固件結(jié)合的Intel R1000固件處理器)模塊，集成的射頻收發(fā)(Intel R1000)模塊，功率放大PA模塊，以及外部通信控制和存儲模塊四個部分組成，其中射頻控制模塊采用了ATMEL公司的AT91SAM9263芯片，其主要完成固件控制及智能空中接口協(xié)議、RFID控制邏輯和主機命令解碼和控制，其與主機間的通信通過USB接口來完成;射頻模塊包括了RF多路復用電路，高頻開關(guān)，循環(huán)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(diào)試和對固件的控制。

讀寫器(Reader)的收發(fā)采用了兩路獨立的通道，分別有發(fā)送天線和接收天線及其相關(guān)的濾波等電路組成，每組天線系統(tǒng)通過高頻開關(guān)外接四組天線，四組發(fā)送和接收天線可以通過射頻控制芯片AT91SAM9263來選擇，發(fā)送和接收分開可以有效的提交整個RFID系統(tǒng)的整體性能，降低接收和發(fā)送系統(tǒng)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，設計中采用了四組天線，這樣可以特殊場合下有效的擴大TAG的接收空間和范圍。硬件組成框圖如圖1所示。

如圖1所示UHF頻段的RFID系統(tǒng)可分為射頻電路和基帶電路兩部分，射頻電路部分完成高頻信號的調(diào)制/解調(diào)，發(fā)射/接收，是標簽和讀寫器之間的高頻接口?；鶐щ娐凡糠种饕瓿缮漕l系統(tǒng)控制，高頻信號的編解碼等功能，同時其也要完成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?；鶐Р糠质钦麄€讀寫器平臺的核心控制部分，其支撐著整個RFID讀寫器系統(tǒng)的工作，來完成射頻模塊的控制和通信。

在閱讀器的設計中，為了對整個系統(tǒng)有更好的檢測，能夠?qū)崟r的對系統(tǒng)的運行情況有比較清晰的了解，特意在設計中增加了系統(tǒng)檢測，在R1000的芯片的模塊中原有AD模塊但是其精度裝換速率達不到設計的要求，所以在設計中采用了外部AD來完成對檢測的信號的轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換信號傳送給ARM微控制器，由ARM來完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。

在設計中為了設備可以組網(wǎng)以及遠距離讀寫和傳輸數(shù)據(jù)，在設計中采用了以太網(wǎng)設計，從而使閱讀器可以在更大的距離空間上對標簽讀寫，并完成大規(guī)模組網(wǎng)。

Host主機作為整個系統(tǒng)的主控核心，負責上述過程中傳控制，ARM微控制器的組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸操作受控于Host主機。USB接口在本系輸統(tǒng)中不僅用作一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，同時我們還利用其來完成PC機和讀寫器之間的“對話”。通過設計在PC端的控制軟件，我們可以實時的給讀寫器發(fā)送控制信號，如系統(tǒng)復位信號，工作使能信號，標簽讀寫，數(shù)據(jù)傳輸，功率控制等，同時讀寫器也將給Host主機反饋相應的狀態(tài)信號，如天線開關(guān)狀態(tài)、功率信號等，從而配合上層軟件來控制系統(tǒng)的工作過程。最后，通過JTAG接口來完成對讀寫器的工作狀態(tài)的實時觀測和調(diào)試。從而可以準確無誤的驗證在整個讀寫器工作過程中，對標簽的讀寫和數(shù)據(jù)處理的正確性和可靠性是否滿足我們的設計要求。

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(nèi)部集成了溫度檢測和功率檢測功能，并在內(nèi)部各個關(guān)鍵的核心射頻電路有外接的檢測輸出管腳，這使板卡的運行狀況和功率檢測實現(xiàn)了實時的檢測和控制，能夠保證系統(tǒng)的良好運行。

2 外部PA電路設計

在采用內(nèi)部PA時，RFID讀寫器的作用距離十分有限，只有大概2米的距離，這在很大程度上限制了RFID超高頻讀寫器的應用，基于這個問題，在輸出功率需求下，IntelR1000片上PA可以做為外部功率放大的一個驅(qū)動，通過外部PA子板來完成信號功率放大，然后連接至主板。

Intel R1000的內(nèi)部PA輸出經(jīng)過一個偏置匹配網(wǎng)絡連接到一個SMA連接器上，然后通過SMA輸出到PA子板作為其外部PA驅(qū)動，其連接圖如3.26所示。在設計中主板和PA子板之間的連接我們通過同軸電纜來連接，如果要對Intel R1000的輸出做測試，可以將同軸線纜斷開，通過SMA接口用儀器進行測試。其電路設計框圖如圖2所示。

輸出信號在經(jīng)過一個PA驅(qū)動后，經(jīng)過一個正交耦合芯片XC0900E-03S，將信號變換為兩個正交90度的信號，然后輸出到兩個平行的集成功率放大(PA)芯片MAAP-007649-000100，如圖3虛線內(nèi)PA子板框圖所示，在其經(jīng)過功率放大后兩路信號輸入到一個3 dB的正交耦合芯片內(nèi)進行耦合，輸出一路功率放大信號，在本設計中此放大信號經(jīng)過一個諧波抑制的低通濾波器LPF后，通過同軸線纜輸出到主板上的定向耦合器，然后經(jīng)過輸出通道輸出。經(jīng)過PA子板的放大后，其可以在900-930MHZ(US)和865-868MHZ(European)頻段輸出+34 dB的輸出功率。其全部增益通過多級放大電路來實現(xiàn)。

設計中PA板采用了獨立電源供電的方式，這樣可以保證功率放大電路需求的穩(wěn)定電源需求，輸入電壓為7.5 V，采用外部線性DC適配器輸入。其工業(yè)工作溫度范圍為：-20/+75℃。輸入PA模塊的信號為從Intel R1000射頻芯片輸出的最大+10dB調(diào)制信號。在本PA板卡中PA具有固定增益，因為Intel R1000支持變換增益范圍，其可輸出入PA模塊的信號范圍為-6～+10 dB，PA的變化增益范圍大概是15～30 dB，其可以支持在TX通道上16 dB的變化增益，其變換間隔為0.5 dB。

2.1 外部PA中帶通衰減濾波器設計

利用帶通濾波器功能電路的原理，對帶通濾波器的部分電路進行仿真得到圖4所示結(jié)果：我們設計的超高頻使用頻率范圍是860～960 MHz，在外部PA部分設計中，我們通過對在multisim中對PA中帶通濾波器的仿真，測試我們設計的讀寫器的使用頻率范圍。圖5是仿真結(jié)果PA最大的線性功率輸出大于或等于34 dB，在考慮大約3dB多路損耗和濾波損耗，以及1 dB線纜和開關(guān)損耗后，輸出到天線端口的輸出功率大約有+30 dB。PA板卡的噪音干擾可以控制在6 dB以內(nèi)，整個PA系統(tǒng)的輸入輸出阻抗為50Ω。在設計中要特別注意PA的散熱設計，在實際設計中可以通過溫度感應來調(diào)整PA的方式來補充直接的散熱設計，這樣可以更為有效的控制功率和優(yōu)化散熱設計。通過電源控制電路，我們可以在需要時關(guān)閉PA，降低整個板卡的功耗。

3 結(jié)束語

本文采用的設計，由高度集成的射頻芯片R1000來代替大量分離元件來完成整個射頻電路的詢問、接收和中頻接收機的設計，極大的簡化了系統(tǒng)設計，提高了系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加了外部PA設計，從而大大提高了讀寫器的讀寫距離。本文所研究的讀寫器基帶系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)，對RFID讀寫系列產(chǎn)品的設計具有一定的借鑒意義。