《電子技術應用》
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UHF頻段智能型RFID讀寫器的研究與應用
杜改麗,封治華
摘要: 本文以設計一種UHF超高頻射頻讀寫器為目的,設計 了基于射頻芯片Intel R1000和AT91SAM9263微控制器的讀寫器系統,增加了外部PA設計,從而大大增加了讀寫器的讀寫距離。本文所研究的讀寫器基帶系統和射頻系統,對RFID讀寫系列產品的設計具有一定的借鑒意義。
Abstract:
Key words :

隨著UHF頻段中國標準的逐漸明朗化以及物流、智能交通、數字景區等應用的需求,UHF頻段RFID產品在RFID產業中所占市場份額會越來越大。開發出具有數據糾錯、去冗、存儲和轉發,以及時間管理功能的智能型讀寫器產品系列將是產品發展的方向。

1 硬件系統設計

讀寫器的硬件設計主要包括:射頻控制模塊(硬件和固件結合的固件處理器)、Intel R1000內部集成的射頻收發模塊、功率放大PA模塊,以及外部通信控制和存儲模塊。其中,射頻控制模塊采用Atmel公司的AT91SAM9263芯片,主要完成固件控制及智能空中接口協議、RFID控制邏輯和主機命令解碼的控制,其與主機間的通信通過USB接口來完成;射頻收發模塊包括RF多路復用電路、高頻開關、循環器和耦合器電路;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、調試,以及對固件的控制。

讀寫器的收發采用2路獨立的通道,分別由發送天線和接收天線及其相關的濾波等電路組成。每組天線系統通過高頻開關外接4組天線,4組發送和接收天線可以通過 AT91SAM9263來選擇。發送和接收分開的方式可以有效地提高RFID系統的整體性能,降低接收和發送系統間的干擾,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。

本設計中采用4組天線,在特殊場合下可以有效地擴大電子標簽TAG的接收空間和范圍。

硬件結構框圖如圖1所示。UHF頻段的RFID系統可分為射頻電路和基帶電路兩部分。射頻電路部分是標簽和讀寫器之間的高頻接口,用于完成高頻信號的調制/解調、發射/接收?;鶐щ娐凡糠种饕獙崿F射頻系統控制、高頻信號的編解碼等功能,同時完成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щ娐凡糠质钦麄€讀寫器平臺的核心控制部分,支撐著整個RFID讀寫器系統的各項工作,以完成射頻模塊的控制和通信。



在讀寫器的設計中,為了能夠對整個系統進行更好的檢測,實時地了解系統的運行情況,特意在設計中增加了系統檢測部分。R1000芯片集成有A/D模塊,但是其精度轉換速率達不到設計的要求,所以在設計中采用了外部A/D轉換器來完成對檢測信號的轉換,然后將轉換信號傳送給ARM微控制器完成系統的狀態監控。

為了使設備可以組網以及遠距離讀寫和傳輸數據,設計中采用了 以太網設計,從而使讀寫器可以在更大的距離空間上對標簽讀寫,并完成大規模組網。

Host主機作為整個系統的主控核心負責傳輸控制,ARM微控制器的組網數據傳輸操作也受控于Host主機。USB接口不僅用作數據傳輸,而且還用來完成PC機和讀寫器之間的對話。通過設計在PC端的控制軟件,可以實時地給讀寫器發送控制信號(如系統復位、工作使能、標簽讀寫、數據傳輸、功率控制等);同時,讀寫器將向Host主機反饋相應的狀態信號 (如天線開關狀態、功率信號等),從而配合上層軟件來控制系統的工作過程。最后,通過JTAG接口來完成對讀寫器工作狀態的實時監測和調試,從而準確無誤地驗證在整個讀寫器工作過程中,標簽讀寫和數據處理的正確性和可靠性是否滿足設計要求。

在設計中,R1000射頻芯片不但集成了大量的射頻元件,而且在內部集成了溫度檢測和功率檢測功能,在內部各個關鍵的核心射頻電路有外接的檢測輸出引腳,從而使板卡的運行狀況和功率檢測實現了實時的檢測和控制,能夠保證系統的良好運行。

2 外部PA電路設計

2.1 總體設計

在采用內部 PA(Power Amplifier,功率放大器)時,RFID讀寫器的作用距離十分有限(2 m),這在很大程度上限制了RFID超高頻讀寫器的應用。本設計中在輸出功率需求下,R1000的片上PA作為外部功率放大的一個驅動,通過外部PA子板來完成信號功率放大,然后連接至主板。其中,Balun為平衡轉換器。

Intel R1000的內部PA輸出經過一個偏置匹配網絡連接到一個SMA(Sub-Miniature-A)連接器上,然后通過SMA輸出到PA子板作為其外部 PA驅動,其連接如圖2所示。



在設計中主板和PA子板之間通過同軸線纜來連接。如果要對R1000的輸出進行測試,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3所示。

R1000內部PA的輸出信號在經過PA驅動后,再經過一個3 dB的正交混頻耦合芯片XC0900E-03S將信號轉換為2個正交90°的信號,然后輸出到2個平行的集成功率放大芯片MAAP- 007649-000100。此放大信號經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,然后經過輸出通道輸出。經過 PA子板的放大后,可以在900~930 MHz(美國)和865~868 MHz(歐洲)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。

PA子板采用了獨立電源供電的方式,可以保證功率放大電路對穩定電源的需求,輸入電 壓為7.5 V,采用外部線性DC適配器輸入。其工業工作溫度范圍為-20~+75℃。輸入PA子板的信號為R1000射頻芯片輸出的最大+10 dB調制信號。在PA子板中PA具有固定增益,因為R1000支持變換增益范圍,其可輸入PA子板的信號范圍為-6~+10 dB,PA的變化增益范圍大概是15~30 dB,可以支持在TX通道上16 dB的變化增益,變換間隔為0.5 dB。

2.2 外部 PA中衰減帶通濾波器設計

衰減帶通濾波器功能電路的原理圖如圖4所示。其中,NR為留的測試點。具體的參數設置如圖5所示。我們設計的超高頻使用頻率范圍是860~960 MHz,在外部PA設計中,通過Multisim軟件對PA中帶通濾波器進行仿真,來測試讀寫器的使用頻率范圍。圖6是仿真結果。



PA最大的線性功率輸出大丁或等于34 dB,考慮到大約3 dB的多路損耗和濾波損耗以及1 dB的線纜和開關損耗,天線端口的輸出功率大約有+30 dB。PA板卡的噪聲干擾可以控制在6 dB以內,整個PA系統的輸入輸出阻抗為50 Ω。在設計中要特別注意PA的散熱設計,可以通過溫度感應調整PA的方式來補充直接的散熱設計,從而更為有效地控制功率和優化散熱設計。通過電源控制電路可以在需要時關閉PA,降低整個板卡的功耗。

結  語

本文以設計一種UHF超高頻射頻讀寫器為目的,設計 了基于射頻芯片Intel R1000和AT91SAM9263微控制器的讀寫器系統,增加了外部PA設計,從而大大增加了讀寫器的讀寫距離。本文所研究的讀寫器基帶系統和射頻系統,對RFID讀寫系列產品的設計具有一定的借鑒意義。

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