超高頻射頻識別讀寫器的研究與設計

李寶山，李 革

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010）

超高頻射頻識別讀寫器的研究與設計

李寶山，李 革

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010）

超高頻射頻識別系統(tǒng)具有存儲容量大、讀寫速度快、識別距離遠和可同時讀寫多個電子標簽等特點，已經在眾多領域得到了廣泛的應用。為了滿足市場需求，文章對超高頻讀寫器的內部結構進行了研究，并提出了一種基于ARM的超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器的設計方案。文中從硬件和軟件兩個方面對讀寫器的設計進行了闡述，給出了讀寫器的設計結構、工作流程以及相關的軟件流程圖。實際應用結果表明，該讀寫器具有讀寫速度快、讀寫效率高、識別距離遠等優(yōu)點，可以滿足市場需求。

超高頻; 射頻識別; 讀寫器

1 引言

超高頻射頻識別[1]（RFID，Radio Frequency Identification），即無線射頻識別技術，是自動識別技術的一種，通過無線耦合的方式進行非接觸雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關數據，不需人工接觸、不需光學可視即可完成信息輸入和處理，并且操作簡單快捷，具有廣泛的應用前景。

RFID系統(tǒng)按工作頻率可分為低頻、高頻、超高頻、微波四個頻段。其中，UHF RFID系統(tǒng)具有讀寫距離遠、同時識別多標簽以及讀寫速度快等優(yōu)點，因此UHF RFID系統(tǒng)使用的場景越來越多，UHF頻段的RFID產品也逐漸成為這個行業(yè)的主流產品。

2 系統(tǒng)結構及其工作原理

2.1 系統(tǒng)結構

基本的RFID系統(tǒng)主要由三部分組成：電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）、PC機或后臺數據庫，其基本結構如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)結構圖

2.2 系統(tǒng)的工作原理

RFID技術的基本工作原理[2]是利用空間電磁波的耦合或者傳播來進行通信，達到自動識別被識別對象、獲取識別對象相關信息的目的。讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當貼有電子標簽的物體進入無線識別系統(tǒng)讀寫器的識讀范圍時，其天線將產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息，讀寫器接收到電子標簽發(fā)射回來的電磁波信號后，經過處理得到電子標簽存儲的代碼等信息，這些信息可以作為物體的特征數據被傳送到計算機進一步處理。

3 UHF讀寫器設計

3.1 讀寫器的結構

根據 ISO 18000-6B 標準和 RFID 讀寫系統(tǒng)的要求，經過研究，確定讀寫器的設計結構如圖2所示。讀寫器主要有三部分組成：（1）主控部分，本設計中，主控部分選用ARM9單片機；（2）射頻部分，射頻部分又由發(fā)射部分和接收部分兩部分組成，其中發(fā)射部分由調制器、濾波器和功率放大器組成；接收部分由濾波電路解調器多級運放和整形電路組成；（3）天線。

圖2 UHF讀寫器內部結構圖

3.2 工作流程

讀寫器的工作過程分為發(fā)送讀寫命令和接收標簽返回信息兩階段，發(fā)送讀標簽命令工作流程為：

（1）計算機發(fā)送讀標簽命令給主控制器，主控制器收到來自計算機的讀標簽信號，啟動讀標簽程序，主控制器內相應編解碼電路FPGA對讀標簽令進行編碼，FPGA將編碼好的基帶信號送至調制器[3]；

（2）調制器將基帶信號與本振信號混合，將混合信號調至到 UHF 頻段；

（3）調制后的高頻信號被送至功率放大器進行放大；

（4）放大后的信號被送入環(huán)形器，環(huán)形器再將高頻信號送至天線發(fā)射。

接收標簽返回信息的工作流程為：

（1）標簽接收到讀寫器發(fā)來的信號，獲得能量被激活，開始執(zhí)行讀寫器命令，并將返回的應答信息以后向散射調制方式送至天線；

（2）天線將接收到的信號經環(huán)形器送至帶通濾波器濾波；

（3）信號經過濾波后被送至解調電路，解調電路將信號進行解調后送至放大電路進行放大；放大后的信號被送至整形電路，形成基帶信號送至編解碼電路解碼；

（4）編解碼電路將基帶信號進行解碼并進行CRC校驗，形成標簽信息，傳給 ARM[4]；

（5）最后，ARM 將接收的標簽信息按照一定規(guī)則傳給計算機進行處理。

3.3 主控部分

主控模塊選擇 ARM為控制芯片，該模塊的主要功能就是協(xié)調系統(tǒng)工作。主要包括控制讀寫器與計算機的數據通訊；在啟動時向 FPGA 傳送配置數據初始化 FPGA；控制鎖相環(huán)頻率合成器的輸出頻率使其產生系統(tǒng)所需的頻率；控制發(fā)射輸出的功率大?。辉谧x標過程中向 FPGA 傳送讀標簽命令從而啟動編碼程序和對接收的信號進行解碼[5]；處理標簽信息，實現防沖突功能。

3.4 發(fā)射部分

發(fā)射部分的原理圖如圖3所示。發(fā)射部分的工作流程如下：

（1）ARM主控制器設定工作頻率，控制頻率合成器產生載波頻率并送至功率分配器；

（2）編解碼電路將標簽命令編碼成基帶信號送至混頻器；

（3）混頻器將載波信號和基帶信號混合將其調制到所需頻率，調制后的高頻送帶通濾波器濾波[6]，然后送至功率放大器進行放大，功率放大器的放大倍數由 ARM 根據需要控制；

（4）放大后的信號經環(huán)形器送天線發(fā)射。

圖3 發(fā)射部分原理圖

3.5 接收部分

同樣，標簽返回讀寫器的信息，也要由相應的接收電路進行接收和處理，接收部分的原理圖如圖4所示。接收部分的工作流程如下：

（1）環(huán)形器將天線接收到的標簽信號送至帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號送至小信號放大器進行放大；

（2）放大后的信號被送至 90°相移功率分配器，90°相移功率分配器將信號分成正交的兩路信號[7]：一路是沒有相移的信號，另一路是相移 90°的信號，這兩路信號同時送到兩個完全相同的解調電路進行解調；

（3）解調電路解調出相對應的中頻 IF 信號并送入二階LC低通濾波器，濾除殘留的載波；

（4）解調濾波后的信號通過差分放大電路，然后被送至電壓比較器；

（5）電壓比較器將放大后完整的解調信號電壓與設定的基準電壓比較，還原成標簽返回信息的基帶信號，經整形后送至編解碼電路解碼處理。

圖4 接收部分原理圖

3.6 讀寫器軟件設計

系統(tǒng)控制軟件[8]包括對讀寫器的初始化、配置控制器和編解碼電路、設定發(fā)射功率、發(fā)送尋卡命令、防沖突算法實現、讀卡命令、數據處理、與計算機進行通信等。軟件控制流程如圖 5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結束語

超高頻讀寫器對系統(tǒng)的要求比較高，它要求數據傳輸和處理速度快，選擇ARM9作為主控制器，增強數據處理速度的同時也適應不斷增加的RFID標簽和讀寫器之間的數據傳遞量。另外，選擇ARM9作為控制器，其處理速度快、接口資源豐富、可擴展性強，為以后在實際應用中讀寫器的升級擴展打下良好的基礎。經過測試，該讀寫器在同類型產品設計中具有一定優(yōu)勢，各項性能都符合系統(tǒng)設計要求。

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[1] 肖菊蘭，張紅雨.超高頻FRID讀寫器設計[J].北京：電子設計工程，2010.

[2] 王曉華，周曉光，孫百生.超高頻射頻識別讀寫器設計[J].北京：電子測量技術，2007.

[3] 尚銳.一種超高頻RFID讀寫器的設計[J].儀表技術，2008（8）∶ 31-33.

[4] 蔣泰，李柏.UHF頻段射頻識別讀寫器的設計[J].廣西工學院學報，2007（3）∶48-51.

[5] EPCglobal Inc. Specification for RFID Air Interface[S].EPCglobal Inc., 2008.

[6] Joshua Y Maina，Marlin H Mickle，Michael R Lovell，et al. Application of CDMA for anti-collision and increased read efficiency of multiple RFID tags[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2007,11（6）∶28-29.

[7] Kipnis I, Chiu S, Loyer M, et al．A 900MHz UHF RFID reader 6transceiver IC[R]．IEEE Int Solid-State Circuits Conf Dig Tech Papers, 2007.

[8] 張福洪，鄧朝日，趙曉紅，等.RFID讀寫器發(fā)射模塊電路設計與實現[J].電子器件, 2009.

[9] 章小城，向偉，徐丹.基于 Intel R1000芯片的超高頻RFID手持式讀寫器設計[J].計算機與數字工程, 2008.

[10] 李偉.超高頻FRID讀寫器的研究與設計[D].鄭州大學碩士學位論文，2010.

[11] 陳友平.基于ARM9的UHF讀寫器模塊設計[D].電子科技大學碩士學位論文，2010.

[12] 曾慶遠. 基于ARM嵌入式平臺的RFID讀寫設計[D].電子科技大學碩士學位論文，2009.

Research and Design of UHF RFID Reader

LI Bao-shan，LI Ge
（Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,China）

The system of UHF RFID has the advantages such as storage capacity, read and write speed,recognition distance, and can read or write multiple RFID tags simultaneously, which has been applied widely in many fi elds. In order to meet market requirements, this paper proposes a design project of a UHF RFID system interrogator based on ARM. In this paper, two aspects of hardware and software design of the interrogator are described, the design gives the structure of interrogator, work processes and the related fl ow chart of software. The practical results show that the interrogator has the advantages of read and write speed, eff i cient read-write, recognition distance and so on, which can meet market requirements.

UHF; RFID; reader

TN92

A

1681-1070（2011）09-0023-04

2011-06-20

李寶山（1965—），男，教授，主要研究方向為射頻識別系統(tǒng)研究及應用；

李 革（1986—），男，山西大同人，碩士研究生，主要研究方向為射頻識別系統(tǒng)及其應用。