HF頻段RFID長距離讀寫器的研究與開發

射頻識別技術（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據獲取技術。與傳統的條碼、磁卡等自動識別技術相比，RFID技術在工作距離、保密性、智能化及其環境適應能力等方面都有顯著優勢，且可同時識別多個高速運動物體，有廣闊的發展前景[1]。
　　RFID系統由電子標簽、天線、讀寫器三部分組成。讀寫器通過天線發送、接收信號，無接觸地讀取和識別標簽中所保存的數據，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技術的核心。目前HF頻段RFID讀寫器的研發正處于逐步成熟階段，國際上知名的大公司有TI、Philips等，國內生產廠商相對較少，且大部分都是在已有射頻芯片的基礎上進行數字部分的研發，系統集成商則是在國外公司知識產權的基礎上根據客戶需要做適當改進。
　　HF頻段RFID系統中標簽所獲能量微弱，無力再向周圍發射無線電波，只能反射來自讀寫器的電磁波,故標簽的響應信號微弱，影響讀寫距離。本文針對這一問題，在介紹電子標簽的基礎上，給出了一種基于開放式門禁系統應用的讀寫器設計方法，提出將模擬板、數字板分別研發的思想，大大提高了讀寫距離。該讀寫器工作頻率為13.56MHz，符合ISO-15693協議。硬件電路采用TI的TMS320F2812為主控芯片，以符合ISO-15693協議的所有無源標簽為讀寫目標，軟件設計很好地實現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，內部一般保存有約定格式的電子數據，且具有無法修改、仿造、全球唯一的識別號（UID）。在HF頻段RFID系統中，當讀寫器處于工作狀態時，與其相連的天線線圈不斷地向外發出一組固定頻率(13.56MHz)的電磁波。當無源電子標簽進入讀寫器工作區域時，在該電磁波的激勵下，標簽內的LC串聯諧振電路產生諧振，從而使電容充電而產生電荷。該電容又通過一個單向導電的電子泵，將電容內的電荷泵送到另一個電容內存儲。當后者充電達到2V時，它就可用作為標簽內部其他電路的工作電源。標簽芯片中的有關電路對讀寫器發來的信號進行解調、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為“讀”命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼、調制后通過標簽內部天線再發送給讀寫器；若為修改信息的“寫”命令，有關控制邏輯就會使內部電荷泵提升工作電壓，以擦除EEPROM中的內容并進行改寫；若經判斷發現所對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息[2]。
2 讀寫器硬件設計
　　目前的RFID讀寫器大多采用一塊射頻芯片完成整個系統的收發，雖簡單易行，但降噪性能和系統靈敏度始終沒有改善。
　　本設計提出模擬、數字部分分別研發的思想，硬件框圖如圖1所示。由DSP芯片產生脈沖位置編碼(PPM)信號，再對13.56MHz載頻進行調制。已調信號的功率很弱，需先進行功率放大，再經濾波和調諧加到天線上，以提高對卡的操作距離。系統可通過DSP實現輸出功率控制，最小功率為0.25W。天線線圈在13.56MHz工作頻率上呈現阻抗形式，為了實現與50Ω系統的功率匹配，需先通過匹配電路將此阻抗轉換為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，放大后送入解調器，最后將解調后的信號送入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, 由此形成大的數據網絡,以實現對標簽的管理、操作等。因此讀寫器的硬件設計分為模擬部分和數字部分。模擬部分即射頻模塊；數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
　　本設計自主研發了一塊供電電壓為24V的模擬板，簡要論述如下。
2.1.1 發送模塊
發送模塊的功能：(1)13.56MHz的晶振產生載波信號，DSP將欲發送的信息及調制幅度(10％)傳送至74HC125D芯片端，完成ASK調制；(2)NPN型射頻功率晶體管實現功率放大；(3)經匹配電路將載頻由天線發送出去。
2.1.2 接收模塊
接收模塊的功能：(1)設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載波混頻后獲得調制到423kHz單副載波上的中頻信號；(4)將中頻信號放大并包絡檢波出原始信號；(5)運放LM358整形放大；(6)將解調后的模擬信號送至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的接收性能有直接影響，用網絡分析儀調試天線諧振在13.56MHz，輸出阻抗為50?贅。此外，應防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，要選擇介電常數公差小的基材。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 數字部分