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隨著(zhù)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(chǎn)品在RFID產(chǎn)業(yè)中所占市場(chǎng)份額會(huì )越來(lái)越大。開(kāi)發(fā)出具有數據糾錯、去冗、存儲和轉發(fā)，以及時(shí)間管理功能的智能型讀寫(xiě)器產(chǎn)品系列將是產(chǎn)品發(fā)展的方向。 1 硬件系統設計 讀寫(xiě)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(fā)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(xié)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(guò)USB接口來(lái)完成；射頻收發(fā)模塊包括RF多路復用電路、高頻開(kāi)關(guān)、循環(huán)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(xiě)器的收發(fā)采用2路獨立的通道，分別由發(fā)送天線(xiàn)和接收天線(xiàn)及其相關(guān)的濾波等電路組成。每組天線(xiàn)系統通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)外接4組天線(xiàn)，4組發(fā)送和接收天線(xiàn)可以通過(guò)AT91SAM9263來(lái)選擇。發(fā)送和接收分開(kāi)的方式可以有效地提高RFID系統的整體性能，降低接收和發(fā)送系統間的干擾，在實(shí)際設計中也可以通過(guò)外部電路的改動(dòng)采用單天線(xiàn)設計。 本設計中采用4組天線(xiàn)，在特殊場(chǎng)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(xiě)器之間的高頻接口，用于完成高頻信號的調制／解調、發(fā)射／接收�；鶐щ娐凡糠种饕獙�(shí)現射頻系統控制、高頻信號的編解碼等功能，同時(shí)完成UHF RFID讀寫(xiě)器與外部設備或者Host主機之間的通信接口的任務(wù)�；鶐щ娐凡糠质钦麄�(gè)讀寫(xiě)器平臺的核心控制部分，支撐著(zhù)整個(gè)RFID讀寫(xiě)器系統的各項工作，以完成射頻模塊的控制和通信。 在讀寫(xiě)器的設計中，為了能夠對整個(gè)系統進(jìn)行更好的檢測，實(shí)時(shí)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(lái)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(tài)監控。 為了使設備可以組網(wǎng)以及遠距離讀寫(xiě)和傳輸數據，設計中采用了以太網(wǎng)設計，從而使讀寫(xiě)器可以在更大的距離空間上對標簽讀寫(xiě)，并完成大規模組網(wǎng)。 Host主機作為整個(gè)系統的主控核心負責傳輸控制，ARM微控制器的組網(wǎng)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(lái)完成PC機和讀寫(xiě)器之間的對話(huà)。通過(guò)設計在PC端的控制軟件，可以實(shí)時(shí)地給讀寫(xiě)器發(fā)送控制信號(如系統復位、工作使能、標簽讀寫(xiě)、數據傳輸、功率控制等)；同時(shí)，讀寫(xiě)器將向Host主機反饋相應的狀態(tài)信號(如天線(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、功率信號等)，從而配合上層軟件來(lái)控制系統的工作過(guò)程。最后，通過(guò)JTAG接口來(lái)完成對讀寫(xiě)器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測和調試，從而準確無(wú)誤地驗證在整個(gè)讀寫(xiě)器工作過(guò)程中，標簽讀寫(xiě)和數據處理的正確性和可靠性是否滿(mǎn)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(gè)關(guān)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(shí)現了實(shí)時(shí)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(shí)，RFID讀寫(xiě)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(xiě)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(gè)驅動(dòng)，通過(guò)外部PA子板來(lái)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(jīng)過(guò)一個(gè)偏置匹配網(wǎng)絡(luò )連接到一個(gè)SMA(Sub-Miniature-A)連接器上，然后通過(guò)SMA輸出到PA子板作為其外部PA驅動(dòng)，其連接如圖2所示。 在設計中主板和PA子板之間通過(guò)同軸線(xiàn)纜來(lái)連接。如果要對R1000的輸出進(jìn)行測試，可以將同軸線(xiàn)纜斷開(kāi)，通過(guò)SMA接口用儀器進(jìn)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(jīng)過(guò)PA驅動(dòng)后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)3 dB的正交混頻耦合芯片XC0900E-03S將信號轉換為2個(gè)正交90°的信號，然后輸出到2個(gè)平行的集成功率放大芯片MAAP-007649-000100。此放大信號經(jīng)過(guò)一個(gè)諧波抑制的低通濾波器(LPF)后，通過(guò)同軸線(xiàn)纜輸出到主板上的定向耦合器，然后經(jīng)過(guò)輸出通道輸出。經(jīng)過(guò)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(guò)多級放大電路來(lái)實(shí)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(xiàn)性DC適配器輸入。其工業(yè)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(diǎn)。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(guò)Multisim軟件對PA中帶通濾波器進(jìn)行仿真，來(lái)測試讀寫(xiě)器的使用頻率范圍。圖6是仿真結果。 PA最大的線(xiàn)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(xiàn)纜和開(kāi)關(guān)損耗，天線(xiàn)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?xún)�，整個(gè)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(guò)溫度感應調整PA的方式來(lái)補充直接的散熱設計，從而更為有效地控制功率和優(yōu)化散熱設計。通過(guò)電源控制電路可以在需要時(shí)關(guān)閉PA，降低整個(gè)板卡的功耗。 結 語(yǔ) 本文以設計一種UHF超高頻射頻讀寫(xiě)器為目的，設計了基于射頻芯片Intel R1000和AT91SAM9263微控制器的讀寫(xiě)器系統，增加了外部PA設計，從而大大增加了讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)距離。本文所研究的讀寫(xiě)器基帶系統和射頻系統，對RFID讀寫(xiě)系列產(chǎn)品的設計具有一定的借鑒意義。 |
