UHF频段智能型RFID读写器的应用研究 读写器, 处理器, 硬件

Bazinga

随着UHF频段中国标准的逐渐明朗化以及物流、智能交通、数字景区等应用的需求，UHF频段RFID产品在RFID产业中所占市场份额会越来越大。开发出具有数据纠错、去冗、存储和转发，以及时间管理功能的智能型读写器产品系列将是产品发展的方向。
　　1 硬件系统设计
　　读写器的硬件设计主要包括：射频控制模块(硬件和固件结合的固件处理器)、INTEL R1000内部集成的射频收发模块、功率放大PA模块，以及外部通信控制和存储模块。其中，射频控制模块采用Atmel公司的AT91SAM9263芯片，主要完成固件控制及智能空中接口协议、RFID控制逻辑和主机命令解码的控制，其与主机间的通信通过USB接口来完成；射频收发模块包括RF多路复用电路、高频开关、循环器和耦合器电路；外部通信控制和存储模块主要完成上位机与控制芯片间的通信、调试，以及对固件的控制。
　　读写器的收发采用2路独立的通道，分别由发送天线和接收天线及其相关的滤波等电路组成。每组天线系统通过高频开关外接4组天线，4组发送和接收天线可以通过AT91SAM9263来选择。发送和接收分开的方式可以有效地提高RFID系统的整体性能，降低接收和发送系统间的干扰，在实际设计中也可以通过外部电路的改动采用单天线设计。
　　本设计中采用4组天线，在特殊场合下可以有效地扩大电子标签TAG的接收空间和范围。
　　硬件结构框图如图1所示。UHF频段的RFID系统可分为射频电路和基带电路两部分。射频电路部分是标签和读写器之间的高频接口，用于完成高频信号的调制／解调、发射／接收。基带电路部分主要实现射频系统控制、高频信号的编解码等功能，同时完成UHF RFID读写器与外部设备或者Host主机之间的通信接口的任务。基带电路部分是整个读写器平台的核心控制部分，支撑着整个RFID读写器系统的各项工作，以完成射频模块的控制和通信。

　　在读写器的设计中，为了能够对整个系统进行更好的检测，实时地了解系统的运行情况，特意在设计中增加了系统检测部分。R1000芯片集成有A／D模块，但是其精度转换速率达不到设计的要求，所以在设计中采用了外部A／D转换器来完成对检测信号的转换，然后将转换信号传送给ARM微控制器完成系统的状态监控。
　　为了使设备可以组网以及远距离读写和传输数据，设计中采用了以太网设计，从而使读写器可以在更大的距离空间上对标签读写，并完成大规模组网。
　　Host主机作为整个系统的主控核心负责传输控制，ARM微控制器的组网数据传输操作也受控于Host主机。USB接口不仅用作数据传输，而且还用来完成PC机和读写器之间的对话。通过设计在PC端的控制软件，可以实时地给读写器发送控制信号(如系统复位、工作使能、标签读写、数据传输、功率控制等)；同时，读写器将向Host主机反馈相应的状态信号(如天线开关状态、功率信号等)，从而配合上层软件来控制系统的工作过程。最后，通过JTAG接口来完成对读写器工作状态的实时监测和调试，从而准确无误地验证在整个读写器工作过程中，标签读写和数据处理的正确性和可靠性是否满足设计要求。
　　在设计中，R1000射频芯片不但集成了大量的射频元件，而且在内部集成了温度检测和功率检测功能，在内部各个关键的核心射频电路有外接的检测输出引脚，从而使板卡的运行状况和功率检测实现了实时的检测和控制，能够保证系统的良好运行。
　　2 外部PA电路设计
　　2.1 总体设计
在采用内部PA(Power Amplifier，功率放大器)时，RFID读写器的作用距离十分有限(2 m)，这在很大程度上限制了RFID超高频读写器的应用。本设计中在输出功率需求下，R1000的片上PA作为外部功率放大的一个驱动，通过外部PA子板来完成信号功率放大，然后连接至主板。其中，Balun为平衡转换器。
　　INTEL R1000的内部PA输出经过一个偏置匹配网络连接到一个SMA(Sub-Miniature-A)连接器上，然后通过SMA输出到PA子板作为其外部PA驱动，其连接如图2所示。

　　在设计中主板和PA子板之间通过同轴线缆来连接。如果要对R1000的输出进行测试，可以将同轴线缆断开，通过SMA接口用仪器进行测试。其电路设计框图如图3所示。

　　R1000内部PA的输出信号在经过PA驱动后，再经过一个3 dB的正交混频耦合芯片XC0900E-03S将信号转换为2个正交90°的信号，然后输出到2个平行的集成功率放大芯片MAAP-007649-000100。此放大信号经过一个谐波抑制的低通滤波器(LPF)后，通过同轴线缆输出到主板上的定向耦合器，然后经过输出通道输出。经过PA子板的放大后，可以在900～930 MHz(美国)和865～868 MHz(欧洲)频段输出+34 dB的输出功率。其全部增益通过多级放大电路来实现。
　　PA子板采用了独立电源供电的方式，可以保证功率放大电路对稳定电源的需求，输入电压为7.5 V，采用外部线性DC适配器输入。其工业工作温度范围为-20～+75℃。输入PA子板的信号为R1000射频芯片输出的最大+10 dB调制信号。在PA子板中PA具有固定增益，因为R1000支持变换增益范围，其可输入PA子板的信号范围为-6～+10 dB，PA的变化增益范围大概是15～30 dB，可以支持在TX通道上16 dB的变化增益，变换间隔为0.5 dB。
　　2.2 外部PA中衰减带通滤波器设计
　　衰减带通滤波器功能电路的原理图如图4所示。其中，NR为留的测试点。具体的参数设置如图5所示。我们设计的超高频使用频率范围是860～960 MHz，在外部PA设计中，通过Multisim软件对PA中带通滤波器进行仿真，来测试读写器的使用频率范围。图6是仿真结果。

　　PA最大的线性功率输出大丁或等于34 dB，考虑到大约3 dB的多路损耗和滤波损耗以及1 dB的线缆和开关损耗，天线端口的输出功率大约有+30 dB。PA板卡的噪声干扰可以控制在6 dB以内，整个PA系统的输入输出阻抗为50 Ω。在设计中要特别注意PA的散热设计，可以通过温度感应调整PA的方式来补充直接的散热设计，从而更为有效地控制功率和优化散热设计。通过电源控制电路可以在需要时关闭PA，降低整个板卡的功耗。
　　结 语
　　本文以设计一种UHF超高频射频读写器为目的，设计了基于射频芯片INTEL R1000和AT91SAM9263微控制器的读写器系统，增加了外部PA设计，从而大大增加了读写器的读写距离。本文所研究的读写器基带系统和射频系统，对RFID读写系列产品的设计具有一定的借鉴意义