基于Intel R2000的UHF RFID讀寫器的設計

摘要：設計出一種超高射頻識別系統(UHF RFID)讀寫器設計的新方案。該讀寫器采用了Intel R2000收發器芯片、AT91SAM7S256微控器，方案符合lSO 18000-6C和EPC global Gen2標準，工作頻率為840～960 MHz，標簽識別距離可達10 m。重點給出了讀寫器硬件系統組成和軟件工作流程，同時介紹了相關射頻電路。
關鍵詞：射頻識別；超高頻；ISO 18000-6C；R2000

0 引言
近年來興起的射頻識別技術(RFID)是以無線電磁波信號通過近場或遠場方式與標簽交換能量與信息，實現識別目的的技術，具有數據容量大、無需接觸讀寫、保密性高、壽命長、抗干擾能力強等優點。在工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理以及物流管理等領域的應用越來越廣泛。按工作頻段，RFID系統可分為低頻、高頻、超高頻和微波等幾類。目前大多數RFID系統為低頻和高頻系統，但超高頻頻段的RFID系統具有操作距離遠、通信速度快、成本低、尺寸小等優點，更適合未來物流、供應鏈領域的應用，也為實現物聯網提供了可能。
本文介紹了一種新型UHF頻段RFID讀寫器設計方案。該讀寫器是基于Intel R2000芯片、以AT91SAM7S256為微控制器，符合ISO 18000-6C和EPC global Gen2標準。與傳統超高頻RFID系統相比，該方案簡化了設計過程、減小了讀寫器體積、降低了生產成本，縮短了產品生產周期。

1 讀寫器系統框圖
基于R2000的讀寫器系統結構如圖1所示，其中控制器采用ARM7內核處理器，除了R2000的一些必要外圍元件，系統和天線之間必須加環行器以滿足單天線應用，TX口還必須加功放模塊。根據讀寫器的系統框圖，主要器件選型如下：

1．1 RFID寬頻環行器HYG504XX
作為單天線應用的收發隔離，環形器一般用亞鐵磁性復合材料制成，這種材料具有各向異性的特點，環形器為三端口器件，端口1為輸入，端口2為輸出，端口3為隔離端口，能量幾乎不能穿過，以此類推，一般UHF讀寫器上用環形器使信號按順時針方向流通，當端口1為TX輸出時，RF信號會從端口2流過，而端口3即RX端口為隔離端，具體隔離度需參考器件參數和LAYOUT效果；相反，當端口2作為收發復用端接收信號時，信號會按順時針方向進入端口3，此時泄露到TX端口的能量非常小，可以忽略，而TX泄露到RX端口的能量很大程度上影響著接收機靈敏度即實際識別效果，因此需根據接收端LNA參數，在RX端加衰減器對TX泄露信號進行有效隔離，但由此產生一個問題，因為RX接收的有用信號本身就很少，在進行TX端泄露信號衰減的同時，RX端有用信號也被進一步削弱，因此也會影響到LNA的接收，因此，用環形器做收發隔離只能在一定程度上產生效果，對于TX輸出功率給定且：ERP不超過相關規定的情況下，要提高接收機靈敏度，必須考慮增大收發兩路的隔離度，視具體需求而定。
1．2 射頻開關HMC174
用來控制射頻輸出的通斷。在900 MHz頻段內，輸入的1 dB壓縮點可以達到39 dBm，充分保證了HMC174可以承受輸入很高的射頻功率。輸入3階截取點可達到60 dBm，而前一級頻率合成器的輸出功率在3 dBm以內，因而保證了信號通過射頻開關后的高線性度，最大限度地減少了射頻信號的失真。
1．3 射頻功率放大器PF01411B
PF01411B用做放大R2000的TX端輸出信號，使其滿足最大功率的輸出要求。PF01411B的主要特性為：高增益：三級放大，輸入功率0 dBm；高效率：輸出功率在35．5dBm時可達45％；增益控制范圍寬：典型值可達70dB。
1．4 射頻數控衰減器HMC273
HMC273用做衰減R2000的TX端輸出信號，功率校正用。
1．5 Impinj Indy R2000 UHF RFID讀寫器芯片
R2000是新一代UHF頻段RFID讀寫器SoC芯片，符合EPC global UHF Class 1 Gen 2／ISO 18000-6C國際標準，內部集成ASK調制解調器、濾波器、功放、FPGA等模塊。
1．6 微處理單元AT91SAM7S256
該器件是32位微控制器，大大提升了微控制器的實時性能，整合了全套安全運行功能，包括由片上RC振蕩器計時的監視器、電源以及閃存的硬件保護等。此外，該器件在最差條件下可以30 MHz的速度進行單時鐘周期訪問。