UHF频段智能型RFID读写器的应用研究概要.docx
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UHF频段智能型RFID读写器的应用研究概要
NEWPRODUCT&TECH新器件新技术
paper@.cn(投稿专用
2010年第4期
Microcontrollers&EmbeddedSystems
49
UHF频段智能型RFID读写器的应用研究
杜改丽1,封治华2
(1.河南职工医学院,郑州451191;2.中国电子科技集团公司第二十七研究所
摘要:
使用高度集成的射频芯片R1000代替大量分立元件,来完成整个射频电路的询问、接收和中频接收机的设计。
该设计极大地简化了系统,提高了系统的性能和稳定性;同时增加了外部PA设计,从而大大增加了读写器的读写距离。
关键词:
UHF;RFID;R1000;固件处理器;PA中图分类号:
TN830文献标识码:
A
ApplicationResearchonIntelligentRFIDReaderinUHFBAND
DuGaili1,FengZhihua2
(1.HenanMedicalCollegeforStaffandWorks,Zhengzhou451191,China;2.27thInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation
Abstract:
UsinghighlyintegratedRFchipR1000toreplacealargenumberofseparatecomponents,theinquiries,receivingandIFreceiveroftheRFcircuitaredesigned.Itgreatlysimplifiesthesystemdesignandimprovessystemperformanceandstability.Theexter2nalPAisdesignedtoincreasethereaderpsread/writerange.Keywords:
UHF;RFID;R1000;firmwareprocessor;PA
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(
硬件和图1硬件结构框图
固件结合的固件处理器、IntelR1000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
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ECH
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adv@.cn(广告专用
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UHFRFID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(PowerAmplifier,功率放大器时,RFID读写器的作用距离十分有限(2m,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。
IntelR1000的内部PA输出经过一个偏置匹配网络连接到一个SMA(Sub2Miniature2A连接器上,然后通
过图2内部PA和外部PA的连接
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。
图3PA子板设计框图
R1000内部PA的输出信号在经过PA驱动后,再经过一个3dB的正交混频耦合芯片XC0900E203S将信号转换为2个正交90b的信号,然后输出到2个平行的集成功率放大芯片MAAP20076492000100。
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900~930MHz(美国和865~868MHz(欧洲频段输出+34dB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7.5V,采用外部线性DC适配器输入。
其工业工作温度范围为-20~+75e。
输入PA子板的信号为R1000射频芯片输出的最大+10dB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~+10dB,PA的变化增益范围大概是15~30dB,可以支持在TX通道上16dB的变化增益,变换间隔为0.5dB。
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860~960MHz,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。
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图4
衰减带通滤波器电路
图5
参数设置
图6仿真结果
PA最大的线性功率输出大于或等于34dB,考虑到大约3dB的多路损耗和滤波损耗以及1dB的线缆和开
关损耗,天线端口的输出功率大约有+30dB。
PA板卡的噪声干扰可以控制在6dB以内,整个PA系统的输入输出阻抗为508。
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IntelR1000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。
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(收稿日期:
2009212209
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SendByte(0x00;//写dummybyte
while(n{
*block=RcvByte(;block++;n--;}
delay(1;cs=1;}
M25P16的连续读操作与连续写不同的是,无论
READ还是FAST_READ,在起始地址处1字节的数据读出后,会自动寻址更高地址处的数据,故程序中无需ad2dress++语句。
除了对M25P16的初始化、读写之外,经常还要对其进行擦除操作,擦除有扇区擦除和整体擦除2种方式,执行数据擦除将使内部所有数据变为FFH。
擦除操作与写操作类似,在此不再赘述。
结
语
本文介绍的M25P16与PIC16F877A的接口已应用
于自来水流量数据采集的本地存储中。
运行稳定可靠,未发现数据丢失现象,对其他应用有一定的参考价值。
参考文献
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孙晓晔(助理工程师,主要研究领域为嵌入式技术和远程监控。
(收稿日期:
2009212207
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