4天線超高頻RFID讀寫器核心模塊設(shè)計(jì)

張亞軍，陶 怡，胡建晨（西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西　西安 710065）

4天線超高頻RFID讀寫器核心模塊設(shè)計(jì)

張亞軍，陶 怡，胡建晨
（西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西西安 710065）

為了提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍、讀取率，讀取標(biāo)簽時(shí)不受標(biāo)簽方位的影響，本文基于Impinj R2000讀寫器芯片，使用RFMD公司生產(chǎn)的RF1604DS芯片完成了一款4天線端口讀寫器核心模塊的硬件設(shè)計(jì)。該模塊符合ISO18000-6C等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)主流標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率范圍為860 MHz～960 MHz可調(diào)，各天線輸出端輸出功率大于30 dBm，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀寫標(biāo)簽。通過專用測試工具對(duì)模塊內(nèi)部寄存器進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后，可以實(shí)現(xiàn)4天線的讀、寫操作功能。最后，通過信號(hào)分析儀對(duì)各天線端在不同功率需求下進(jìn)行了現(xiàn)場測試，同時(shí)在應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明：4個(gè)天線端功率輸出功率高，輻射范圍大，讀取標(biāo)簽距離遠(yuǎn)，能滿足實(shí)際需求，具有很好的市場前景。

超高頻射頻識(shí)別；讀寫器模塊；R2000；4天線；RF1604DS

0　引言

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一種利用無線射頻技術(shù)在讀寫器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換目的的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［1］。近年來，超高頻射頻識(shí)別技術(shù)（UHF）發(fā)展迅速，在國內(nèi)，UHF RFID的實(shí)際應(yīng)用已涉及多個(gè)方面［2-3］。目前，已有一大部分企業(yè)自主研發(fā)出UHF讀寫器，如西安航天自動(dòng)化股份有限公司、深圳遠(yuǎn)望谷、深圳拙進(jìn)等公司。

傳統(tǒng)RFID讀寫器僅限于單通道或2通道讀取標(biāo)簽，這使得RFID讀寫器群讀能力、輻射范圍、讀寫方位等受限。因此，本文設(shè)計(jì)出4天線RFID讀寫器核心模塊，目的是提高 RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍，讀取標(biāo)簽時(shí)不受標(biāo)簽方位的影響，實(shí)現(xiàn)瞬間內(nèi)讀取多張標(biāo)簽，提高讀取標(biāo)簽數(shù)量，以保證識(shí)別率，使用戶在較少設(shè)備下實(shí)現(xiàn)高性能的讀取效果，為用戶節(jié)省應(yīng)用成本。

本文使用Impinj R2000讀寫器芯片完成標(biāo)簽的讀、寫操作。為了提高射頻信號(hào)的功率，外部使用了功率放大器以增加射頻信號(hào)的發(fā)射功率。為了實(shí)現(xiàn)4天線射頻信號(hào)的輸入、輸出，采用了RFMD公司生產(chǎn)的RF1604芯片作為射頻開關(guān)。最后，根據(jù)現(xiàn)場需要，通過信號(hào)分析儀對(duì)各個(gè)天線在不同功率設(shè)置下進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明：4個(gè)天線端功率輸出均能滿足現(xiàn)場需求，性能良好，符合設(shè)計(jì)要求。

1　RFID系統(tǒng)概述

典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由 RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器、外置天線、應(yīng)用軟件系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。其工作原理如圖1所示。

圖1　RFID系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)的基本工作原理是［1-2］：RFID讀寫器可以通過外置天線發(fā)射出某一特定頻段的射頻信號(hào)；當(dāng)攜帶載體信息的RFID標(biāo)簽進(jìn)入到讀寫器的讀寫區(qū)域時(shí)，在RFID標(biāo)簽內(nèi)會(huì)耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而將 RFID標(biāo)簽激活，從而使得RFID標(biāo)簽攜帶的載體信息通過其內(nèi)置天線發(fā)射出去；當(dāng)RFID天線接收到此信號(hào)時(shí)，將此信號(hào)傳送到RFID讀寫器進(jìn)行解碼操作，完成了標(biāo)簽的讀操作；RFID讀寫器可將解碼后得到的信息傳送到后臺(tái)應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而可以控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)執(zhí)行的目的。

2　讀寫器核心模塊設(shè)計(jì)

2.1讀寫器模塊架構(gòu)

4天線讀寫器模塊架構(gòu)主要由以下模塊組成［4-5］：Impinj R2000讀寫器芯片；主控單元 ARM；功率放大器；射頻耦合器；4天線選擇網(wǎng)絡(luò)RF1604；各通信接口。具體如圖2所示。

圖2　讀寫器模塊架構(gòu)

2.2RF1604簡介

RF1604是 RFMD公司推出的新型單極四投（SP4T）開關(guān)，專為要求極低插入損耗、高功率處理能力和最低直流耗能的開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)。

RF1604采用非常小巧的 2.5 mm×2.5 mm、12引腳且無鉛的QFN封裝。其工作電壓為2.2 V～2.7 V，推薦工作電壓為2.5 V。在0.5 GHz～1.0 GHz時(shí)，RF1、RF2、RF3、RF4的插入損耗為 0.4 dB～0.55 dB，最大控制功率為+36 dBm。

RF1604封裝圖如圖3所示。

各引腳功能如表1所示。

4天線選擇控制信號(hào)真值表如表2所示。

圖3　RF1604封裝圖

表1　RF1604各引腳功能

表2　RF1604控制信號(hào)真值表

2.3射頻輸出硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)如圖 4所示，在射頻開關(guān) RF1604的射頻信號(hào)輸入、輸出端進(jìn)行了阻抗匹配設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品調(diào)試時(shí)可通過信號(hào)分析儀測得的射頻功率信號(hào)，通過調(diào)節(jié)線路上的阻容元件以實(shí)現(xiàn)輸入、輸出的阻抗匹配操作，保證信號(hào)在傳輸過程中能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率傳輸。

圖4　RF1604外圍硬件設(shè)計(jì)

2.4射頻輸出PCB設(shè)計(jì)

射頻信號(hào)在傳輸過程中，對(duì)PCB板的設(shè)計(jì)提出了更好的要求。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，工作時(shí)會(huì)使電路板內(nèi)的電源電壓和地電平產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)波形產(chǎn)生尖峰過沖、衰減震蕩、反射、串?dāng)_等問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和功能［6］。

因此，為了減小射頻信號(hào)傳輸線路上的回波損耗及消除串?dāng)_，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，從布局、布線兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

另外，在布線時(shí)，采用了3W規(guī)則法。

2.5基于ADS的系統(tǒng)仿真分析

在設(shè)計(jì)時(shí)采用ADS軟件進(jìn)行阻抗匹配分析，使得輸出獲得最大的功率信號(hào)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功率，如圖5所示。

圖5　射頻開關(guān)與天線輸出之間的阻抗匹配Smith圓圖

由圖5的 Smith圓圖可以看出，射頻開關(guān)與各天線輸出之間的線路阻抗匹配，滿足設(shè)計(jì)要求。

3　四天線工作軟件部分設(shè)置

4天線 UHF RFID讀寫器核心模塊設(shè)計(jì)完成后，軟件部分設(shè)置前向功率、反向功率，其校準(zhǔn)曲線如圖6所示。

圖6　讀寫器模塊功率校準(zhǔn)曲線

4　性能測試

RFID超高頻中國頻段為：920 MHz～925 MHz，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場需要，使用專用測試工具分別對(duì)1～4號(hào)天線的輸出功率、頻率設(shè)置為30 dbm、922.5 MHz。

為驗(yàn)證4天線RFID讀寫器模塊的輸出功率，采用信號(hào)分析儀進(jìn)行了現(xiàn)場測試，如圖7所示。

圖7　1～4號(hào)天線輸出端頻譜圖

由圖7可以看出，4天線RFID讀寫器1～4號(hào)天線的輸出功率性能良好，輸出功率均能滿足設(shè)計(jì)要求。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得超高頻RFID讀寫器模塊4個(gè)天線輸出端的Smith圓圖如圖8所示。

圖8　4天線輸出端的Smith圓圖

通過圖8可以看出，4天線RFID讀寫器4個(gè)天線輸出端在工作頻率為922 MHz時(shí)，其阻抗匹配接近 50 Ω，符合設(shè)計(jì)要求。

另外，根據(jù)現(xiàn)場需求，對(duì)15 m以外的標(biāo)簽進(jìn)行了批量讀取，通過專用測試工具可以得到RFID讀寫器讀到的標(biāo)簽類型及標(biāo)簽數(shù)量，如圖9所示。

圖9　現(xiàn)場測試讀取標(biāo)簽

5　結(jié)論

為了提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍、讀取率，讀取標(biāo)簽時(shí)不受標(biāo)簽方位的影響，本文基于 Impinj R2000讀寫器芯片，使用 RFMD公司生產(chǎn)的 RF1604DS芯片完成了一款4天線端口讀寫器核心模塊的硬件電路原理圖與PCB的設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)4天線工作時(shí)的軟件部分相關(guān)寄存器的設(shè)置進(jìn)行了分析，最后通過信號(hào)分析儀對(duì)天線端在不同功率需求下進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明：4天線UHF RFID讀寫器核心模塊具有良好的性能、輸出功率均能滿足現(xiàn)場需求，符合設(shè)計(jì)要求，具有很好的市場前景。

［1］周曉光，王曉華.射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［2］ZELLER K F.射頻識(shí)別技術(shù)（第三版）［M］.吳曉峰，陳大才，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［3］INC E P C.EPC radio-frequency identity protocols class-1Generat ion-2 UH F RFID protocol for communications at 860 MHz～960 MHz［S］.2004.

［4］章小城，向偉，徐丹.基于 Intel R1000芯片的超高頻手持式讀寫器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2008，36（9）：198-200.

［5］黃志敏，李鵬，高遠(yuǎn).基于 Intel R1000的超高頻 RFID讀寫器設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，6（16）：57-60.

［6］黃會(huì)雄，袁海鷹.射頻電路 PCB板電磁兼容設(shè)計(jì)方法與技巧［J］.產(chǎn)品測試與解決方案，2009，6（16）：57-60.

Design of 4 antennas UHF RFID reader module

Zhang Yajun，Tao Yi，Hu Jianchen
（Xi′an Aerospace Automation Co.，Ltd.，Xi′an 710065，China）

To increase the group reading ability，reading rate and radiation range of RFID reader，and also decrease effects of label orientation during the label reading process，based on Impinj R2000 chip，this paper introduced the hardware design of a 4 selectable antennas reader module realized using RF1604DS chip of RFMD company.This module conforms to the main protocol such as ISO1800-6C and so on.The operating frequency range is 860 MHz～960 MHz and it is adjustable.Output power of each antenna is over 30 dBm.It can achieve long distance label reading and writing.Through setup of internal register in the module using specialized testing equipment，4 antennas reading and writing operation can be achieved.Field testing is done through signal analyzer of antennas′different power demands，and practical application is introduced at the same time.The results show that the reader module with 4 antennas have higher output power，larger radiation range，longer label reading distance，and it can satisfy the practical applications，have good market prospects.

UHF RFID；reader module；R2000；4 antennas；RF1604DS

TN830

A

1674-7720（2015）05-0026-04

（2014-11-07）

張亞軍（1982-），通信作者，男，碩士，硬件工程師，主要研究方向：自動(dòng)化控制與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，E-mail：abc123_213@ qq.com。

陶怡（1986-），男，碩士，軟件工程師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、軟件工程。

胡建晨（1989-），男，碩士，主要研究方向：集成電路、控制理論。