一種便攜式超高頻RFID讀寫器的設(shè)計(jì)

汪大卓,孫玲玲,蔡鵬鵬

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310018)

0 引 言

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)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)的空間耦合和傳輸特性來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別[1]。RFID技術(shù)按照工作頻率不同可分為低頻(125kHz、134kHz)、高頻(13.56MHz)、超高頻(860—960MHz)、微波(2.4GHz以上)等幾類。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,高頻RFID系統(tǒng)已經(jīng)在日常生活中得到廣泛應(yīng)用,如二代身份證、公交卡等,超高頻RFID系統(tǒng)與高頻RFID系統(tǒng)相比,其優(yōu)勢(shì)在于通信距離遠(yuǎn)、速度快、抗干擾能力強(qiáng),是目前RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前超高頻RFID讀寫器多采用射頻發(fā)射鏈路、射頻接收鏈路、數(shù)字基帶分開的3塊典型電路來(lái)分開設(shè)計(jì),所需要的元器件多達(dá)幾百個(gè),難以達(dá)到便攜式RFID讀寫器的體積要求。本設(shè)計(jì)使用了符合ISO/IEC 18000-6B/6C技術(shù)規(guī)范的射頻識(shí)別前端芯片AS3992[2],硬件部分包括射頻收發(fā)鏈路、射頻功放及收發(fā)隔離電路以及控制電路,可顯著減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜程序,降低成本。

1 讀寫器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足便攜式RFID讀寫器的體積及功耗要求,本設(shè)計(jì)采用了收發(fā)鏈路一體化設(shè)計(jì)的RFID芯片AS3992作為系統(tǒng)的射頻前端,采用帶有USB接口的高速ARM處理器STM32F103VBT6作為系統(tǒng)的主控制器以及ISO/IEC 18000-6B協(xié)議的數(shù)字基帶電路,系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.1 AS3992射頻前端電路

RFID讀寫器芯片AS3992包括了完整的模擬前端電路以及ISO/IEC 18000-6C協(xié)議處理器,同時(shí)還集成了內(nèi)部高性能VCO、密集閱讀器模式(DRM)濾波器、發(fā)射鏈路預(yù)失真功能,其接收靈敏度也提高到了-78dBm。內(nèi)部可配置VCO覆蓋了從840—960MHz的頻率范圍,可用于世界范圍內(nèi)的超高頻RFID標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)含高度可配置的模擬前端,可工作于DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK調(diào)制模式。

AS3992的發(fā)射和接收鏈路需要外部提供一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘,用于發(fā)射鏈路產(chǎn)生載波、接收鏈路I/Q解調(diào)以及解調(diào)后的信號(hào)濾波,要求其精度高于10ppm,本系統(tǒng)采用了精度為2.5ppm的溫補(bǔ)晶體振蕩器DSB321SCA;為了減少片內(nèi)電路產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)而帶來(lái)的相位噪聲,AS3992片內(nèi)VCO工作在1 800MHz左右,再將其二分頻至900MHz頻段,經(jīng)測(cè)試載波頻率為915MHz時(shí),系統(tǒng)的相位噪聲在1kHz時(shí)為-80dBc/Hz,在7kHz時(shí)達(dá)到最大值-72dBc/Hz,至1MHz時(shí)已下降為-155 dBc/Hz,優(yōu)秀的相位噪聲特性使得當(dāng)標(biāo)簽返回信號(hào)十分微弱時(shí),接收鏈路仍然可能解調(diào)出正確的信號(hào),以下為對(duì)接收鏈路進(jìn)行的估算。

假設(shè)讀寫器工作于900MHz,根據(jù)Friis公式,當(dāng)天線與標(biāo)簽距離在1—8m之間時(shí)無(wú)線信道的損耗L|dB∈[-31.5,-49.7],標(biāo)簽天線所接收到的能量[3]Ptag為：

式中PEIRP為讀寫器天線的等效全向輻射功率,最大36dBm,Gtag為標(biāo)簽天線的增益,設(shè)為0dBi。則標(biāo)簽天線接收到的能量P|dBm∈[4.5,-13.7],經(jīng)標(biāo)簽反射回讀寫器前端的能量[3]為：

式中,α為標(biāo)簽反射能量與入射能量的比值,典型值為0.2。Greader為讀寫器的天線增益,典型值為6dBi。則Preader|dBm∈[-28,-64.4],為補(bǔ)償讀寫器天線和標(biāo)簽天線之間的極化誤差、多徑衰落等影響,增加6dB左右的路徑損耗裕量,則Preader|dBm∈[-34,-70.4]。AS3992的接收靈敏度最高達(dá)-78dBm,優(yōu)于估算結(jié)果對(duì)讀寫器的要求,為了適應(yīng)標(biāo)簽反向散射的不同信號(hào)強(qiáng)度,可通過(guò)調(diào)整AS3992內(nèi)部的接收調(diào)整寄存器(地址為0x0A)中的ir＜1,0＞位來(lái)獲得23dB的動(dòng)態(tài)范圍。

1.2 射頻前端功率放大及信號(hào)隔離電路

為了支持更遠(yuǎn)的讀寫距離,本設(shè)計(jì)不使用內(nèi)置的20dbm功率放大器,將AS3992設(shè)置為最大0dBm功率的高線性輸出,使用RFMD公司的射頻功率放大器SPA2118來(lái)放大發(fā)射信號(hào)的功率,SPA2118的工作頻率為810—960MHz,覆蓋了整個(gè)UHF RFID頻率范圍,其線性度高,且增益達(dá)到約33dB,1dB壓縮點(diǎn)位29dBm,則輸入功率只需要-4dBm時(shí)就可達(dá)到最大輸出功率,AS3992的輸出可直接驅(qū)動(dòng)。射頻前端的匹配、功率放大和信號(hào)隔離電路如圖2所示：

圖2 射頻前端匹配、功率放大以及信號(hào)隔離電路

使用Agilent ADS軟件對(duì)圖2所示電路低通濾波器之前的部分電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化,Balun和功率放大器S參數(shù)模型均采用生產(chǎn)商數(shù)據(jù),此匹配及功率放大器電路915Mhz中心頻點(diǎn)輸出阻抗優(yōu)化至Z=49.820+j1.392,在902—928MHz頻段內(nèi)增益仿真結(jié)果如表1所示：

表1 902—928MHz頻段內(nèi)增益仿真結(jié)果

將仿真結(jié)果回溯至電路圖中,元器件取值如圖2中標(biāo)識(shí),實(shí)際電路中因PCB參數(shù)引入誤差,可微調(diào)Balun之前的器件參數(shù)實(shí)現(xiàn)更好的匹配,匹配程度可通過(guò)AS3992片內(nèi)反射功率測(cè)量寄存器來(lái)反映。

2 讀寫器軟件設(shè)計(jì)

AS3992與主控CPU通信可采用兩種方式：并行方式,包括8bit數(shù)據(jù)、時(shí)鐘CLK以及中斷信號(hào)IRQ;串行方式,包括標(biāo)準(zhǔn)SPI接口以及中斷信號(hào)IRQ,本設(shè)計(jì)采用了并行操作,可支持EPC數(shù)據(jù)鏈路的最快速率640kbps。AS3992集成了ISO/IEC 18000-6C協(xié)議處理器,在6C模式中控制流程較為簡(jiǎn)單,本文不再對(duì)此部分軟件流程進(jìn)行分析;當(dāng)讀寫器工作于6B模式時(shí),AS3992可通過(guò)直接模式來(lái)提供支持。

AS3992的直接模式分為兩種：一種模式下輸出未經(jīng)解碼的副載波數(shù)據(jù)流;另一種模式可先由ISO/IEC 18000-6C協(xié)議處理器中功能相同的FM0解碼器進(jìn)行解碼,再輸出經(jīng)過(guò)解碼之后的數(shù)據(jù)流。兩種模式可通過(guò)協(xié)議控制寄存器(0x01)中的dir_mode位來(lái)進(jìn)行切換。在兩種模式下,發(fā)送數(shù)據(jù)均需要自行組幀、進(jìn)行曼徹斯特編碼以及計(jì)算CRC操作。一個(gè)典型的ISO/IEC 18000-6B協(xié)議[4]命令幀如圖3所示：

圖3 ISO/IEC 18000-6B命令幀格式

其中幀頭和分隔符需要程序來(lái)生成,ISO/IEC 18000-6B規(guī)定幀頭為9bit曼徹斯特編碼0;分隔符采用協(xié)議規(guī)定的分隔符1(NRZ碼格式的曼徹斯特碼：1100 11 10 10)。按照ISO/IEC 18000-6B協(xié)議,對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行清點(diǎn)[5]時(shí)的流程如圖4所示。

圖4 對(duì)ISO/IEC 18000-6B標(biāo)簽進(jìn)行清點(diǎn)的流程圖

在控制流程中,最為關(guān)鍵的步驟為讀取FIFO后,根據(jù)FIFO內(nèi)容來(lái)判斷下一步操作,如天線有效范圍內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng),將產(chǎn)生碰撞,接收到的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤,發(fā)送Fail命令之后根據(jù)標(biāo)志位選擇是否根據(jù)協(xié)議調(diào)整參數(shù),重復(fù)清點(diǎn)過(guò)程;另外AS3992進(jìn)入直接模式發(fā)送指令之后,需延時(shí)后退出直接模式,在普通模式來(lái)接收ISO/IEC 18000-6B協(xié)議的數(shù)據(jù),才能使用內(nèi)置的解碼器來(lái)輸出數(shù)據(jù)流。

3 結(jié)束語(yǔ)

使用AS3992 RFID讀寫器前端芯片,設(shè)計(jì)了一種支持ISO/IEC 18000-6B/6C雙協(xié)議的超高頻RFID讀寫器,使用Tek RSA3408頻譜分析儀實(shí)測(cè)讀寫器輸出功率可達(dá)28dBm,鄰信道功率抑制比及雜散均在ISO/IEC 18000-6協(xié)議限制范圍之內(nèi);使用增益為8dBic的圓極化天線,對(duì)本設(shè)計(jì)的讀寫器進(jìn)行性能測(cè)試,每次在天線正面的45°扇形區(qū)域隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)讀取RFID標(biāo)簽的EPC碼(96bit),逐次增加距離,結(jié)果如表2所示：

表2 標(biāo)簽讀取距離測(cè)試

測(cè)試結(jié)果表明,可在5m距離穩(wěn)定讀取Impinj Monza 3標(biāo)準(zhǔn)卡,取得了較好的效果。該設(shè)計(jì)在待機(jī)時(shí)可關(guān)閉功率放大器的供電,設(shè)置AS3992工作于待機(jī)模式,消耗電流僅5mA,通過(guò)USB或RS-232串行口來(lái)實(shí)現(xiàn)控制,可作為手持式RFID讀寫器中的射頻通信模塊。

[1]Klaus Finkenzeller.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001：6-10.

[2]austriamicrosystems AG.AS3992 Datasheet[EB/OL].http：//www.austriamicrosystems.com/eng/Products/RF-Products/RFID/AS3992,2010-02-05.

[3]倪熔華.超高頻射頻識(shí)別讀寫器接收機(jī)載波消除射頻前端的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：復(fù)旦大學(xué),2008：9-11.

[4]International Organizationfor Standardization.Information technology--Radio frequency identification for itemmanagement--Part 6：Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz[S].2006.

[5]高天寶,王敬超,張春,等.便攜式RFID讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,34(5)：56-58.