超高頻RFID讀寫器設計細節

      近年來，RFID技術已經在社會眾多領域開始應用，對改善人們的生活質量、提高企業經濟效益、加強公共安全以及提高社會信息化水平產生了重要的影 響。根據預測，RFID標簽技術將在未來2～5年逐漸開始大規模應用，到2008年RFID標簽僅在全球供應鏈領域的市場需求將達到40億美元。RFID 技術已在世界各地得到廣泛的應用，并在安全，金融，物流等領域發揮出巨大優勢，以美國，日本和歐洲為首的發達國家對該技術的應用研究已達到相當高的水平， 而我國則處于起步階段，大多采用引進的技術成果，因而研究該技術已成為當今社會發展的必需，國內各企業RFID產品多集中在LF、HF等頻段，技術含量 低，相互問主要是小規模/低成本的惡性競爭。而UHF頻段RFID產品技術門檻高，國內具備自主研發UHF頻段RFID產品實力的企業風毛麟角。

     隨著UHF頻段中國標準的逐漸明朗化和物流、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 硬件系統的設計與實現

    讀寫器的硬件設計主要由射頻芯片控制(硬件和固件結合的Intel R1000固件處理器)模塊，集成的射頻收發(Intel R1000)模塊，功率放大PA模塊，以及外部通信控制和存儲模塊四個部分組成，其中射頻控制模塊采用了ATMEL公司的AT91SAM9263芯片，其 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和控制，其與主機間的通信通過USB接口來完成;射頻模塊包括了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、調試和對固件的控制。

讀寫器(Reader)的收發采用了兩路獨立的通道，分別有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四組天線， 四組發送和接收天線可以通過射頻控制芯片AT91SAM9263來選擇，發送和接收分開可以有效的提交整個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，設計中采用了四組天線，這樣可以特殊場合下有效的擴大TAG的接收空間和范圍。硬件組成框 圖如圖1所示。

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，射頻電路部分完成高頻信號的調制/解調，發射/接收，是標簽和讀寫器之間的高 頻接口。基帶電路部分主要完成射頻系統控制，高頻信號的編解碼等功能，同時其也要完成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。基帶部分是整個讀寫器平臺的核心控制部分，其支撐著整個RFID讀寫器系統的工作，來完 成射頻模塊的控制和通信。

在RFID閱讀器的設計中，為了對整個系統有更好的檢測，能夠實時的對系統的運行情況有比較清晰的了解，特意在設計中增加了系統檢測，在R1000的芯片的 模塊中原有AD模塊但是其精度裝換速率達不到設計的要求，所以在設計中采用了外部AD來完成對檢測的信號的轉換，然后將轉換信號傳送給ARM微控制器，由 ARM來完成系統的狀態監控。

在設計中為了設備可以組網以及遠距離讀寫和傳輸數據，在設計中采用了以太網設計，從而使閱讀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，負責上述過程中傳控制，ARM微控制器的組網數據傳輸操作受控于Host主機。USB接口在本系輸統中不僅用 作一種數據傳輸的接口，同時我們還利用其來完成PC機和讀寫器之間的“對話”。通過設計在PC端的控制軟件，我們可以實時的給讀寫器發送控制信號，如系統 復位信號，工作使能信號，標簽讀寫，數據傳輸，功率控制等，同時讀寫器也將給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的工作狀態的實時觀測和調試。從而可以準確無誤的驗證在整個讀寫器工作過程中，對標簽的 讀寫和數據處理的正確性和可靠性是否滿足我們的設計要求。

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，并在內部各個關鍵的核心射頻電路有外接的檢測輸出管腳，這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

     在采用內部PA時，RFID讀寫器的作用距離十分有限，只有大概2米的距離，這在很大程度上限制了RFID超高頻讀寫器的應用，基于這個問題，在輸 出功率需求下，IntelR1000片上PA可以做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。

Intel R1000的內部PA輸出經過一個偏置匹配網絡連接到一個SMA連接器上，然后通過SMA輸出到PA子板作為其外部PA驅動，其連接圖如3.26所示。在 設計中主板和PA子板之間的連接我們通過同軸電纜來連接，如果要對Intel R1000的輸出做測試，可以將同軸線纜斷開，通過SMA接口用儀器進行測試。

輸出信號在經過一個PA驅動后，經過一個正交耦合芯片XC0900E-03S，將信號變換為兩個正交90度的信號，然后輸出到兩個平行的集成功率放 大(PA)芯片MAAP-007649-000100，如圖3虛線內PA子板框圖所示，在其經過功率放大后兩路信號輸入到一個3 dB的正交耦合芯片內進行耦合，輸出一路功率放大信號，在本設計中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，其可以在900-930MHZ(US)和865-868MHZ(European)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。

    設計中PA板采用了獨立電源供電的方式，這樣可以保證功率放大電路需求的穩定電源需求，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模塊的信號為從Intel R1000射頻芯片輸出的最大+10dB調制信號。在本PA板卡中PA具有固定增益，因為Intel R1000支持變換增益范圍，其可輸出入PA模塊的信號范圍為-6～+10 dB，PA的變化增益范圍大概是15～30 dB，其可以支持在TX通道上16 dB的變化增益，其變換間隔為0.5 dB。

2.1 外部PA中帶通衰減濾波器設計

     利用帶通濾波器功能電路的原理，我們設計的超高頻使用頻率范圍是860～960 MHz，在外部PA部分設計中，我們通過對在multisim中對PA中帶通濾波器的仿真，測試我們設計的讀寫器的使用頻率范圍。圖5是仿真結果PA最大 的線性功率輸出大于或等于34 dB，在考慮大約3dB多路損耗和濾波損耗，以及1 dB線纜和開關損耗后，輸出到天線端口的輸出功率大約有+30 dB。PA板卡的噪音干擾可以控制在6 dB以內，整個PA系統的輸入輸出阻抗為50Ω。在設計中要特別注意PA的散熱設計，在實際設計中可以通過溫度感應來調整PA的方式來補充直接的散熱設 計，這樣可以更為有效的控制功率和優化散熱設計。通過電源控制電路，我們可以在需要時關閉PA，降低整個板卡的功耗。