多天線低頻大功率RFID讀卡器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

金佳駿，錢松榮

0 引言

RFID（Radio Frequency Identification）射頻識別技術(shù)，是自動識別技術(shù)的一種，以電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式的雙向通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。RFID技術(shù)根據(jù)使用頻率的不同，基本上可以分為4類：低頻（低于 135kHz）、高頻（13.56MHz）、超高頻（860-960MHz）和微波（2.45GHz）。不同頻段的RFID系統(tǒng)由于各頻率自身特性的不同，其應(yīng)用領(lǐng)域也各有不同[1]。低頻RFID系統(tǒng)的最大的優(yōu)點(diǎn)在于低頻頻段具有很強(qiáng)的場穿透性，可以穿透液體、人體組織、建筑物等，標(biāo)簽識別性能不受環(huán)境影響。因此，低頻RFID系統(tǒng)可以在需要良好的場穿透性的環(huán)境下良好工作。

現(xiàn)有的低頻RFID讀卡器識別距離普遍在10cm以內(nèi)[2][3]，且工作在單天線模式下，覆蓋范圍很小，大大制約了低頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展。針對現(xiàn)有低頻RFID讀卡器的不足，本文提出了一種多天線大功率低頻 RFID讀卡器的設(shè)計方案，通過同時引入多天線和大功率兩種技術(shù)，多天線技術(shù)提升了讀卡器的物理擴(kuò)展范圍，大功率提升了讀卡器的單天線讀取性能。多天線與大功率技術(shù)的結(jié)合能夠有效提升低頻 RFID讀卡器的識別范圍，對提高低頻RFID系統(tǒng)的工作性能和功能擴(kuò)展具有十分重要的意義。

1 讀卡器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多天線低頻大功率RFID讀卡器的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示：

圖1 多天線低頻大功率RFID讀卡器結(jié)構(gòu)框圖

整個多天線低頻大功率RFID讀卡器可以包含多個讀取通道，每個讀取通道都有獨(dú)立的大功率射頻模塊，它們在同一個單片機(jī)的程序控制之下協(xié)調(diào)工作。多天線讀卡器各讀取通道的之間的協(xié)同工作模式可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和應(yīng)用需求的不同而做相應(yīng)的調(diào)整，便于實(shí)際應(yīng)用。每個讀取通道的解碼工作都由單片機(jī)來完成。讀卡器會通過串口電路與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以接收上位機(jī)發(fā)來的控制指令，也可以將讀取到的標(biāo)簽信息上傳至上位機(jī)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 ATmega64主控制芯片

本讀卡器系統(tǒng)選用的是ATMEL公司型號為ATmega64的AVR系列低功耗8位單片機(jī)作為主控制芯片。該款單片機(jī)具有先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz。該款單片機(jī)片內(nèi)集成了包括：兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8位定時器/計數(shù)器；兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的擴(kuò)展16位定時器/計數(shù)器；8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC；面向字節(jié)的I2C接口；可編程的串行 UART接口；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的 SPI串行接口等外設(shè)資源。該主控制芯片完成讀卡器各讀取通道的選通控制、讀卡器解調(diào)波形的捕捉解碼以及讀卡器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信控制。

2.2 多通道的大功率射頻模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

多天線低頻大功率讀卡器的每一路讀取通道都有獨(dú)立的大功率射頻模塊。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀取，讀卡器天線需要能夠給標(biāo)簽提供足夠的場強(qiáng)，因此，需要通過功率放大器實(shí)現(xiàn)讀卡器天線發(fā)射功率的推動。讀卡器和標(biāo)簽之間采用的是2ASK負(fù)載調(diào)制，可以使用結(jié)構(gòu)簡單的包絡(luò)檢波電路實(shí)現(xiàn)回波信號的解調(diào)，解調(diào)后的信號還將經(jīng)過放大和整形，最后送入單片機(jī)進(jìn)行解碼工作，得到標(biāo)簽信息。

各個讀取通道的載波發(fā)生電路和檢波解調(diào)放大電路是可以共用的，但是功率放大電路和天線負(fù)載都是獨(dú)立的。本讀卡器采用的多通道射頻模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 多通道的大功率射頻模塊結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2中可知，載波發(fā)生電路為后一級的功率放大器提供載波驅(qū)動信號，功率放大器為天線負(fù)載提供放大后的載波信號，經(jīng)過放大的載波被加載到天線上，通過天線負(fù)載向RFID電子標(biāo)簽輸出足夠大的電磁場，為電子標(biāo)簽提供能量，同時獲取標(biāo)簽回復(fù)的數(shù)據(jù)信息，之后的檢波放大電路對回波信號進(jìn)行檢波解調(diào)和整形放大，從中還原出有用的數(shù)據(jù)信號，該數(shù)據(jù)信號最終被送入單片機(jī)進(jìn)行解碼。通過單片機(jī)來控制每一路讀取通道的接入。

2.3 功率放大電路和天線負(fù)載

每一個讀取通道內(nèi)的功率放大電路和天線負(fù)載的電路設(shè)計圖如圖3所示：

圖3 單通道內(nèi)功率放大電路與天線負(fù)載電路設(shè)計圖

Part1部分是功率放大電路，此處采用的是D類功率放大器。D類功率放大器與普通的線性功率放大器不同，它工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗很小，發(fā)射功率可以很容易得到提升，理論上效率可以達(dá)到100%，實(shí)際使用中的效率也可以在90%左右，D類功放的功率損耗主要來自于開關(guān)管本身的導(dǎo)通電阻、開關(guān)轉(zhuǎn)換器件的損耗和芯片自身的靜態(tài)功耗。介于 D類功率放大器良好的性能以及極高的效率[4]，最終采用D類功率放大器實(shí)現(xiàn)讀卡器射頻功率的推動。

Part2部分是功率放大器后級的T型匹配網(wǎng)絡(luò)，該匹配網(wǎng)絡(luò)對于整個射頻發(fā)射電路起到非常重要的作用，一個好的匹配網(wǎng)絡(luò)可以使功放的輸出級達(dá)到最大功率傳輸。此外，T型匹配網(wǎng)絡(luò)還起到濾波的作用，D類功放的輸出是方波，需要通過匹配網(wǎng)絡(luò)將方波濾為正弦波，然后才能加載到天線上。

Part3部分是天線負(fù)載電路。天線負(fù)載電路[5]的設(shè)計應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：（1）流經(jīng)讀卡器天線線圈的電流需要達(dá)到一定的數(shù)值，天線線圈內(nèi)的電流越大，則發(fā)射功率越強(qiáng)，感應(yīng)距離也會越遠(yuǎn)；（2）天線線圈需滿足一定的形狀要求，線圈圍成的面積大小滿足一定的尺寸，且線圈的匝數(shù)也要滿足一定條件；（3）天線與其附屬電路組成的諧振回路需要盡可能接近諧振狀態(tài)。本讀卡器系統(tǒng)中，天線線圈由利茲線繞制，利茲線是一種由多股漆包線并繞的線材，能夠有效減少集膚效應(yīng)，線圈內(nèi)阻很小，因此線圈內(nèi)的電流可以非常高。線圈電感為10uH，品質(zhì)因數(shù)Q值約為100，Q值的大小會影響讀卡器的讀寫距離。C6、C7、C8與天線線圈組成一個串并聯(lián)諧振回路，C6和C8取相等的電容值，以使天線線圈兩端到地的正弦電壓幅度相等，相位相反，能夠使得通過天線線圈的電流值增加一倍[6]。

Port1端連接單片機(jī)的控制端口，可以控制這一路大功率射頻電路的導(dǎo)通或關(guān)閉。當(dāng) Port1端接高電平時，MOS管Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)，射頻模塊接入9V電源并正常工作；當(dāng)Port1端接低電平時，Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，射頻模塊與電源斷開，電路也停止工作。通過控制Port1端的電平值，單片機(jī)能夠?qū)Χ嗤ǖ郎漕l模塊進(jìn)行選擇性導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)多天線控制。Port2端接入載波發(fā)生電路生成的信號載波。

3 讀卡器軟件設(shè)計

讀卡器軟件部分其實(shí)就是單片機(jī)的軟件程序設(shè)計。本讀卡器中的單片機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)兩個功能：解調(diào)信號的波形捕捉和解碼和多天線的輪詢讀取控制。

3.1 解調(diào)信號的波形捕捉和解碼

讀卡器利用ATmega64單片機(jī)的輸入捕捉功能進(jìn)行波形捕捉和解碼，其流程如圖4所示：

圖4 輸入捕捉中斷程序流程圖

ATmega64單片機(jī)的 T/C1（定時器/計數(shù)器）的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個外部事件的發(fā)生，并記錄下該事件發(fā)生的時間印記。通過設(shè)置寄存器 TCCR1B的第 6位ICES1可以設(shè)定輸入捕捉信號的觸發(fā)方式是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)，當(dāng)一個輸入捕捉事件發(fā)生時，T/C1計數(shù)器的寄存器 TCNT1中的計數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器 ICR1中，并置位輸入捕獲標(biāo)志位 ICF1，產(chǎn)生中斷申請，觸發(fā)輸入捕捉中斷程序。輸入捕捉中斷程序?qū)⑤斎氩蹲郊拇嫫鱅CR1內(nèi)的計數(shù)值和上一次中斷程序觸發(fā)時記錄下來的計數(shù)值time_cap相比較，得到此次捕捉到的波形的長度，通過判斷當(dāng)前輸入捕捉事件是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)，得到此次捕捉到的波形是高電平還是低電平，捕捉到的電平的數(shù)據(jù)會被存入數(shù)組data[]（高電平存為正值，低電平存為負(fù)值），最后中斷程序會將輸入捕捉的觸發(fā)沿反轉(zhuǎn)并等待下一個輸入捕捉事件的到來。當(dāng)所有標(biāo)簽數(shù)據(jù)波形被接收到之后，單片機(jī)主程序會根據(jù)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)編碼方式對數(shù)組data[]內(nèi)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，常用的數(shù)據(jù)編碼方式有曼徹斯特編碼、Bi-phase編碼和PSK編碼等。

3.2 多天線輪詢讀取機(jī)制

單片機(jī)會輪流控制多路通道的選通。由于每一路通道都共用檢波放大電路，為了防止不同讀取通道之間的干擾沖突，同一時刻只有1路通道會被選通，剩下通道將處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)某一路通道被選通并且讀取到了標(biāo)簽 ID，單片機(jī)會將讀取到的標(biāo)簽信息進(jìn)行解碼，并上傳至上位機(jī)。通過輪詢讀取機(jī)制，讀卡器的多個通道采用時分工作模式，雖然每一路通道只在一個時隙內(nèi)工作，但是并不會影響最終的標(biāo)簽讀取的效果。

讀卡器的多天線輪詢讀取機(jī)制的軟件流程圖如圖 5所示：

圖5 多天線輪詢讀取機(jī)制軟件流程圖

整個多天線輪詢讀取流程如下：

（1）讀卡器上電復(fù)位后，完成單片機(jī)系統(tǒng)的初始化，包括I/O口狀態(tài)設(shè)置、計數(shù)器T/C初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD初始化、UART端口初始化等等；

（2）通過I/O口控制某1路讀取通道處于選通狀態(tài)，另外的路讀取通道都處于關(guān)閉狀態(tài)；

（3）如果在當(dāng)前讀取通道選通狀態(tài)下沒有能夠讀取到標(biāo)簽 ID，單片機(jī)將控制選通下一路讀取通道，并再次嘗試讀取標(biāo)簽ID；

（4）當(dāng)讀卡器能夠正確讀取到標(biāo)簽ID，單片機(jī)將會把讀取到的標(biāo)簽ID封裝成一定的數(shù)據(jù)幀格式，并通過串口發(fā)送至上位機(jī)。

（5）數(shù)據(jù)上傳完成之后，讀卡器將繼續(xù)等到下一個標(biāo)簽的到來。

4 功能測試

為了驗(yàn)證讀卡器的性能和功能，需要對讀卡器進(jìn)行測試，讀卡器對 EM4100標(biāo)簽進(jìn)行讀取時的讀卡器電路實(shí)測波形如圖6所示：

圖6 讀卡器電路測試結(jié)果

圖 6（a）為讀卡器工作時天線負(fù)載兩端的電壓波形，天線負(fù)載電壓達(dá)到了 42.37V，此時的讀卡器輸出功率約為2w。圖 6（b）是檢波解調(diào)并整形放大后到的標(biāo)簽曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)波形，可以看到該波形質(zhì)量還是比較高的，能夠被單片機(jī)捕捉并解碼。

然后對讀卡器標(biāo)簽的識別距離進(jìn)行測試。測試中，在每個測試距離讀卡50次，由近及遠(yuǎn)依次測試，同時，對一臺現(xiàn)有的小功率低頻RFID讀卡器進(jìn)行距離讀取測試作為對比，測試結(jié)果如表1所示：

表1 讀卡器標(biāo)簽讀取對比測試結(jié)果

分析測試結(jié)果，多天線大功率RFID讀卡器的有效識別距離可以達(dá)到是40厘米，而普通低頻讀卡器的有效識別距離不到10厘米，多天線大功率讀卡器能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離讀取。

另外，通過表1的標(biāo)簽讀取測試結(jié)果可以看到，在多天線大功率RFID讀卡器的有效識別距離內(nèi)，讀卡器標(biāo)簽讀取的可靠性是很高的，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取的可靠性要求。

5 總結(jié)

本文提出的多天線大功率低頻RFID讀卡器，通過多天線技術(shù)擴(kuò)大讀卡器的物理擴(kuò)展范圍，利用大功率技術(shù)提升單天線的識別距離，大大增強(qiáng)了低頻RFID讀卡器的識別能力。在設(shè)計與調(diào)試完成后，讀卡器的輸出功率可以達(dá)到2W，識別距離達(dá)到 40cm，再結(jié)合多天線輪詢讀取技術(shù)，單臺讀卡器就能夠覆蓋很大的一片范圍，低頻讀卡器的讀取能力得到了大幅提升。多天線大功率低頻RFID讀卡器能夠使用在諸如水族館水族箱、水產(chǎn)養(yǎng)殖、石油鉆探等領(lǐng)域中，低頻系統(tǒng)可以在這些地方發(fā)揮低頻場穿透性好的優(yōu)勢，讀卡器的遠(yuǎn)距離讀取能力又可以彌補(bǔ)普通低頻讀卡器讀取距離不足的問題。在實(shí)際使用中，在讀卡器封裝設(shè)計上，要注意防水防潮以及散熱的問題，確保讀卡器工作時的安全性。多天線大功率低頻RFID讀卡器的出現(xiàn)能夠促進(jìn)低頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展，使得低頻RFID系統(tǒng)出現(xiàn)在更多的使用場景中。

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