UHF頻段智能型RFID讀寫器的研究與應用

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。基帶電路部分主要實現射頻系統控制、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。基帶電路部分是整個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。