基于PR9000的微型可嵌入UHF RFID讀寫器模塊設(shè)計

卓建明

(廈門藍(lán)海環(huán)科儀器有限公司，福建 廈門 361005)

物聯(lián)網(wǎng)就是把所有物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)概念是在2005國際電信聯(lián)盟在突尼斯舉行的 “信息社會全球峰會”上正式提出的。隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐漸從理論走向了應(yīng)用，目前已經(jīng)成為公認(rèn)的21世紀(jì)改變民生的十大技術(shù)，是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，是一個全新的技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。

作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域四大技術(shù)之首的射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)近年來也得到了越來越快的發(fā)展，RFID也在逐步趨向于成熟，各種相關(guān)產(chǎn)品層出不窮，應(yīng)用也越來越多樣化，由于UHF 頻段的技術(shù)門檻相對較高，目前國內(nèi)市場還處在應(yīng)用研究和小規(guī)模試用階段。但由于UHF RFID應(yīng)用前景廣闊，存在著巨大的潛在市場，所以研究UHF頻段的RFID技術(shù)有著巨大的意義[4-5]。

本文主要介紹了一種基于PHYCHIPS公司PR9000芯片的微型可嵌入UHF RFID讀寫器模塊的實(shí)現(xiàn)方案。PR9000結(jié)合外圍電路和射頻前端電路可實(shí)現(xiàn)對UHF RFID ISO18000-C/EPC global GEN 2標(biāo)簽的識別，并通過模塊提供的對外接口UART實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 PR9000芯片介紹

PR9000是一個高集成、高性能的單片UHF RFID讀寫器SoC解決方案，內(nèi)部集成了UHF RFID射頻前端收發(fā)模塊、基帶處理模塊、80C52微處理器以及64 KB的Flash和16 KB SRAM的片上存儲空間，對外提供UART、SPI、I2C等數(shù)據(jù)通信接口，并提供了多個I/O和中斷資源。其內(nèi)部還集成了電源管理模塊，采用單電源供電，可讀寫符合ISO18000-C/EPC global GEN 2協(xié)議的UHF RFID標(biāo)簽[6]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

PR9000低功耗、小體積和低成本的特性決定了其廣闊的應(yīng)用市場，可被嵌入到手機(jī)等一類手持式電子產(chǎn)品中。

1.2 PR9000及外圍電路設(shè)計

PR9000內(nèi)部集成了各種模塊，簡化了外圍電路的設(shè)計，在實(shí)際應(yīng)用中只需要設(shè)計簡單的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)對UHF RFID標(biāo)簽的識別，這些電路包括收發(fā)端電路、環(huán)路濾波器、外部時鐘電路以及數(shù)據(jù)通信接口，PR9000外轉(zhuǎn)電路模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 PR9000外圍電路模塊結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 收發(fā)端電路設(shè)計

PR9000可以采用單天線和雙天線模式，所謂雙天線設(shè)計就是收發(fā)采用獨(dú)立的天線分別實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)收、發(fā)端信號完全隔離，但是必然會增加模塊面積，并不適合本模塊的設(shè)計方案，所以本方案采用單天線模式。所謂單天線模式就是收發(fā)端共用一個天線，而接收端和發(fā)送端采用隔離器件隔離其強(qiáng)弱信號，一般采用環(huán)形器或是耦合器來實(shí)現(xiàn)[7]。設(shè)計采用了定向耦合器來實(shí)現(xiàn)，耦合器的直通端連接PR9000的發(fā)送端，耦合端得到的信號經(jīng)過一定的處理后發(fā)送給PR9000的接收端，從而實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)送與接收。

在發(fā)送端，平衡信號經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)后輸入到平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)，然后經(jīng)過一個π型濾波器后進(jìn)入定向耦合器，再經(jīng)過低通濾波器后由天線發(fā)送出去。在接收端，天線獲取到信號經(jīng)過低通濾波器，再經(jīng)過耦合器的耦合，在耦合端獲取到該信號經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配和一定的衰減轉(zhuǎn)換成接收端的平衡信號傳輸給PR9000的接收端，從而實(shí)現(xiàn)信號的接收。

1.2.2 時鐘輸入與鎖相環(huán)濾波器設(shè)計

PR9000內(nèi)部集成了時鐘控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)時鐘頻率放大和信號提純，系統(tǒng)能以較低的時鐘頻率輸入獲取較高的系統(tǒng)工作頻率，本方案采用19.2 MHz的外部有源晶振作為系統(tǒng)的外部時鐘輸入。

為了獲取到本振信號，系統(tǒng)需要完成頻率合成，PR9000內(nèi)部集成了PFD和VCO，所以只需要在外部設(shè)計相應(yīng)的鎖相環(huán)濾波器就可以實(shí)現(xiàn)。常用的鎖相環(huán)濾波器是一種低通濾波器，有有源和無源之分，無源鎖相環(huán)濾波器一般由電阻、電容組成，有源鎖相環(huán)濾波器一般還加上放大器，用于濾除PFD中誤差電壓的高頻成分和噪聲，從而改善VCO的頻譜純度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。在本方案采用由電阻、電容組成的無源濾波器。

1.2.3 通信接口與電源設(shè)計

PR9000內(nèi)部集成了基帶電路模塊和處理器模塊。基帶電路模塊包含了發(fā)送處理模塊和接收處理模塊，是射頻端和處理器模塊之間的橋梁；處理器模塊包括80C52微處理器和16 KB的SRAM以及64 KB的Flash的存儲空間，用于搭載空中接口協(xié)議以及與主機(jī)之間的通信。對外通信接口有I2C、ISP以及UART接口等，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)通信與調(diào)試。本設(shè)計只采用UART接口就可實(shí)現(xiàn)程序的下載以及與主機(jī)之間命令及數(shù)據(jù)的交互。作為一個可嵌入模塊，為了讓主機(jī)更好地控制，模塊還提供了一個使能信號，以便主機(jī)控制本模塊啟動，實(shí)現(xiàn)合理的工作模式。因此，本模塊對外通信接口共有4個，即兩個UART接口、一個使能接口以及一個RESET接口。

整個模塊采用3.3 V單電源供電，PR9000的數(shù)字部分供電和模擬部分供電由一個磁珠隔離。

加上電源部分，整個模塊的對外接口只有6個，包括3.3 V電源輸入、地以及4個信號接口。

1.3 PCB設(shè)計

PCB板采用兩層板設(shè)計，板厚0.8 mm，對外接口采用焊盤設(shè)計，為了更好地嵌入并固定到其他PCB板上，模塊除了6個對外接口外還增加了10個接地焊盤。PCB板充分考慮了信號的完整性和電磁兼容，模塊采用屏蔽罩設(shè)計，并設(shè)計了天線SMA接口。整個模塊的PCB大小為 20 mm×25 mm[9-10]。

2 模塊測試

本設(shè)計模塊的測試主機(jī)為普通帶串口的PC機(jī)，當(dāng)然，模塊與主機(jī)之間的串口連接需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化芯片把TTL電平轉(zhuǎn)化成RS232電平。給模塊下載好程序后，連接天線(2.5 dBi)，并使能模塊，在天線輻射區(qū)域內(nèi)測試標(biāo)簽識別距離，經(jīng)過多個標(biāo)簽測試，平均識別距離為200 mm。為了測試其發(fā)送功率，采用了矢量分析儀和頻譜儀等測試儀器，對模塊的發(fā)射功率 (920 MHz～925 MHz)進(jìn)行測試，具體測試結(jié)果如圖3、圖4所示，其中圖3為頻帶功率譜，圖4為瞬時功率譜。

本文設(shè)計了一個微型可嵌入UHF RFID讀寫器模塊，并在20 mm×25 mm大小的PCB板上完成了整個模塊的合理布局[10]。測試實(shí)驗(yàn)表明，該模塊可在2.5 dBi天線下，實(shí)現(xiàn)200 mm的識別距離，達(dá)到了良好的工作性能。該設(shè)計對外提供了UART接口和焊盤方便嵌入到其他PCB板，具有很大的商用價值。

圖3 頻帶功率譜

圖4 瞬時功率譜

[1]張儉.走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)[J].中國物流與采購，2009(22)：38-39.

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[3]寧煥生，王炳輝.RFID重大工程與國家物聯(lián)網(wǎng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]康偉.RFID在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[EB/OL].http：//www.3216.com/news.asp?id=20558.2011-05-03.

[5]康東，石喜勤，李勇鵬.射頻識別(RFID)核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]PHYCHIPS公司.PR9000 datasheet[Z].2010.

[7]游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[8]劉奡.寬帶 PLL環(huán)路濾波器的設(shè)計[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[9]王守三.PCB的電磁兼容設(shè)計技術(shù)、技巧和工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[10]趙建領(lǐng).Protel電路設(shè)計與制版寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.