射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)及其空間耦合和傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識(shí)別。一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)一般包括射頻標(biāo)簽、讀寫器以及主機(jī)等幾個(gè)部分。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于超高頻的RFID讀寫器較少，而且整機(jī)價(jià)格昂貴，體積龐大、需外接天線或天線陣列、不便于攜帶，且多不能單機(jī)工作。本設(shè)計(jì)的目的在于以盡可能低的硬件成本實(shí)現(xiàn)一種基于ISO/IEC18000-6B標(biāo)準(zhǔn)的便攜式RFID讀寫器，并可通過軟件升級(jí)后支持其他標(biāo)準(zhǔn)或多標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　一、理論分析
　　
　　RFID系統(tǒng)在工作時(shí)，首先由讀寫器發(fā)射一個(gè)特定的詢問信號(hào)，當(dāng)射頻標(biāo)簽感應(yīng)到這個(gè)信號(hào)后，就會(huì)給出相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)；讀寫器接收這個(gè)應(yīng)答信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，返回給外部主機(jī)或進(jìn)行相應(yīng)操作。
　　
　　本文所實(shí)現(xiàn)的讀寫器包含射頻收發(fā)模塊和數(shù)字基帶處理模塊，其中射頻收發(fā)模塊又包括射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)兩部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)在工作時(shí)，首先由數(shù)字基帶處理模塊產(chǎn)生需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的詢問信號(hào)，然后由射頻發(fā)射機(jī)將這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為射頻信號(hào)發(fā)射出去。射頻標(biāo)簽接收到這個(gè)信號(hào)后，會(huì)給出相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)，即回波信號(hào)。這個(gè)回波信號(hào)將由射頻接收機(jī)接收回來并進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)后送給數(shù)字基帶處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
　　
　　二、讀寫器硬件設(shè)計(jì)
　　
　　如前所述，本讀寫器的硬件主要包括射頻收發(fā)機(jī)模塊和數(shù)字基帶處理模塊，其中射頻收發(fā)機(jī)模塊包括射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇上，本讀寫器以降低成本為主要目標(biāo)，射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)采用了零中頻的結(jié)構(gòu)，在很大程度上減少了所需的器件;數(shù)字基帶處理模塊采用了以單片機(jī)為主的結(jié)構(gòu)，而沒有采用高速的DSP，也節(jié)省了一定的成本。下面分模塊詳述之。
　　
　　1、射頻發(fā)射機(jī)
　　
　　發(fā)射機(jī)電路主要包括晶體振蕩器、頻率綜合器、功分器、ASK調(diào)制器、功率放大器(PA)。
　　
　　本設(shè)計(jì)中，頻率綜合器采用了集成芯片SI4133，這是一款可編程的鎖相環(huán)芯片，可以通過數(shù)字編程控制其輸出頻率，這里正是通過它這一性能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在860MHz～960MHz的頻率范圍內(nèi)的跳頻操作，從而可以避免頻帶內(nèi)其他信號(hào)的干擾。
　　
　　由SI4133輸出的射頻載波經(jīng)過一個(gè)功分器后，一路送往接收機(jī)作為本地振蕩信號(hào)LO，另一路則送至ASK調(diào)制器。這里的ASK調(diào)制器采用了一款結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的芯片HMC195，它可以簡(jiǎn)化為一個(gè)高速開關(guān)，由需要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)控制其通斷，以此完成對(duì)載波的調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的載波由功率放大器進(jìn)行放大，zui后送至天線發(fā)射出去。
　　
　　鑒于實(shí)際工作的需要，這里并沒有采用高性能的功率放大器，而是采用了一個(gè)價(jià)格低廉的緩沖放大器芯片AG503，其輸出功率zui高可達(dá)17dBm，即0.05W。發(fā)射天線也采用了極為簡(jiǎn)單的PCB印制偶極子天線，無需外接。此時(shí)讀寫器的工作距離可達(dá)80cm。由于載波在近距離的自由空間的衰減近似與傳播距離的平方成正比，故可以計(jì)算當(dāng)發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率(EIRP)達(dá)到36dBm，即4W時(shí)，讀寫器的工作距離可以達(dá)到7米。
　　
　　2、射頻接收機(jī)
　　
　　接收機(jī)電路主要包括相干解調(diào)器、運(yùn)算放大器、比較器等，相干解調(diào)器采用I、Q正交解調(diào)。
　　
　　接收機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于同頻接收。因?yàn)閷?duì)于無源標(biāo)簽，在循環(huán)發(fā)送詢問信號(hào)的期間，讀寫器需要始終發(fā)送載波信號(hào)來給標(biāo)簽提供能量。然而，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的隔離一般在20dB以下，因此在接收機(jī)接收標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)的同時(shí)也會(huì)接收到這個(gè)比較強(qiáng)的載波信號(hào)，這就要求接收機(jī)必須具有很高的線性度。對(duì)于這個(gè)問題，既不能像手機(jī)系統(tǒng)中那樣采用雙頻收發(fā)，也不能像有些射頻收發(fā)機(jī)那樣采用分時(shí)收發(fā)，而只能通過提高接收機(jī)的線性度和增大發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的隔離來解決。
　　
　　本接收機(jī)中采用了一個(gè)高線性度低噪聲的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器LT5516，它的1dB壓縮點(diǎn)可達(dá)6.6dBm，而噪聲系數(shù)只有11.4dB。由于一般的低噪聲放大器(LNA)的線性度不能滿足要求，故在前端沒有采用低噪聲放大器。LT5516的RF輸入端口與LO輸入端口均采用差分輸入，故在它的兩個(gè)輸入端口處各接了一個(gè)平衡-不平衡變換器(Balun)。由于LT5516的兩個(gè)輸入端口的輸入阻抗為200Ω，而外部的RF與LO輸入信號(hào)均是匹配在50Ω，故本設(shè)計(jì)中的Balun采用的是1:4的變壓器，實(shí)現(xiàn)從單端信號(hào)到差分信號(hào)轉(zhuǎn)換的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了從50Ω到200Ω的阻抗變換。
　　
　　LT5516的輸出是正交的I，Q兩路信號(hào)，并且分別以差分形式輸出。它的輸出阻抗為60Ω，在輸出端接了270pF的對(duì)地電容，從而獲得截止頻率位于10MHz的RC低通濾波器，以此濾出高頻分量。
　　
　　運(yùn)算放大器和比較器采用了噪聲較低的LT6207，它含有4個(gè)運(yùn)算放大器，將其中兩個(gè)作為*級(jí)，另兩個(gè)作為第二級(jí)。LT5516的輸出差分信號(hào)經(jīng)過低通濾波，采用交流耦合到*級(jí)運(yùn)算放大器的輸入端，經(jīng)放大后輸出單端信號(hào)，然后再經(jīng)直流耦合到第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端。第二級(jí)運(yùn)算放大器采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電壓比較器的功能，其同相輸入端
　　
　　接比較電平。這樣在第二級(jí)的輸出端便可以得到數(shù)字信號(hào)，這就是射頻接收機(jī)處理之后的信號(hào)。該信號(hào)將被送至數(shù)字基帶處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步地處理。數(shù)字基帶處理模塊數(shù)字基帶處理模塊主要包括一個(gè)單片機(jī)、兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片、外部接口以及蜂鳴器等。
　　
　　這里的單片機(jī)采用了Philips的P89LPC932A1單片機(jī)，外部時(shí)鐘頻率為12MHz。整個(gè)系統(tǒng)的控制信號(hào)，如射頻收發(fā)機(jī)中頻率綜合器的初始化信號(hào)、使能信號(hào)、跳頻指令信號(hào)、相干解調(diào)器的使能信號(hào)以及ASK調(diào)制器的數(shù)字輸入信號(hào)等均由這個(gè)單片機(jī)提供。另外，標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)射頻接收機(jī)接收處理后也需送至單片機(jī)進(jìn)行解碼、校驗(yàn)，然后由單片機(jī)作出判斷，給出相應(yīng)的卡號(hào)等信息。
　　
　　數(shù)字基帶處理模塊與讀寫器外部的接口包括RS232串口和USB端口，這里采用了兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片MAX3232和PL2303，分別實(shí)現(xiàn)從單片機(jī)到相應(yīng)接口的信號(hào)轉(zhuǎn)換，以此完成讀寫器與外部主機(jī)的通信。這樣既可以由外部主機(jī)對(duì)讀寫器進(jìn)行控制，也可以由讀寫器將讀取的標(biāo)簽信息返回給外部主機(jī)。
　　
　　三、讀寫器軟件設(shè)計(jì)
　　
　　本讀寫器具有兩種工作模式。一種是單機(jī)工作，在這種工作模式下，讀寫器上電即工作，循環(huán)發(fā)送讀卡指令，一旦有符合本標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，便讀出其卡號(hào)，同時(shí)通過蜂鳴器給出警告。
　　
　　另一種工作模式是在外部主機(jī)控制下工作。在這種工作模式下，操作可分為兩大類：一類是對(duì)讀寫器操作，包括讀版本信息、設(shè)置天線、控制功放、IAP(應(yīng)用中編程)軟件升級(jí)和設(shè)置工作頻率模式(固定頻率和跳變頻率)等，處理完成后將信息返回給主機(jī);另一類是對(duì)標(biāo)簽操作，其中包括防沖突讀卡號(hào)、讀標(biāo)簽數(shù)據(jù)區(qū)和寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)區(qū)等，該操作指令通過Manchester編碼后發(fā)送出去，然后等待標(biāo)簽的回波信號(hào);返回?cái)?shù)據(jù)通過FM0解碼后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)正確則返回給主機(jī)。讀寫器在工作中，外部主機(jī)可以隨時(shí)應(yīng)用IAP升級(jí)功能對(duì)讀寫器的軟件進(jìn)行在線升級(jí)。如果軟件升級(jí)為支持其他標(biāo)準(zhǔn)，如NCITS_256標(biāo)準(zhǔn)、EPC標(biāo)準(zhǔn)，或者是支持多標(biāo)準(zhǔn)，則該讀寫器可升級(jí)為支持相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或多標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器。
　　
　　四、測(cè)試結(jié)果與總結(jié)
　　
　　本文闡述了射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)的工作原理，分析了該系統(tǒng)中讀寫器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上以較低的硬件成本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ISO/IEC18000-6B標(biāo)準(zhǔn)的RFID讀寫器，能夠完成在UHF頻段的防沖突讀卡號(hào)以及讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)區(qū)等功能，單標(biāo)簽讀寫速度可達(dá)80bit/5ms，在發(fā)射功率僅為17dBm，即0.05W時(shí)，工作距離可達(dá)80cm，能夠滿足本應(yīng)用中的要求。本讀寫器具有單機(jī)工作模式和受控工作模式，不需外接天線，便于攜帶，包括機(jī)殼在內(nèi)重量不足200克。工作時(shí)可在860MHz～960MHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行跳頻操作，從而避免了頻帶內(nèi)其他信號(hào)的干擾。另外還可以使用IAP功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中的在線升級(jí)，在有相應(yīng)軟件支持下可以支持其他標(biāo)準(zhǔn)或多標(biāo)準(zhǔn)。目前已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品化階段，對(duì)UHF頻段RFID讀寫器的SOC集成具有一定的參考價(jià)值。