基于PR9000的微型可嵌入UHF RFID讀寫器模塊設計

卓建明

(廈門藍海環科儀器有限公司，福建 廈門 361005)

物聯網就是把所有物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。物聯網概念是在2005國際電信聯盟在突尼斯舉行的 “信息社會全球峰會”上正式提出的。隨著各種技術的不斷發展，物聯網逐漸從理論走向了應用，目前已經成為公認的21世紀改變民生的十大技術，是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，是一個全新的技術領域[1-3]。

作為物聯網領域四大技術之首的射頻識別技術RFID(Radio Frequency Identification)近年來也得到了越來越快的發展，RFID也在逐步趨向于成熟，各種相關產品層出不窮，應用也越來越多樣化，由于UHF 頻段的技術門檻相對較高，目前國內市場還處在應用研究和小規模試用階段。但由于UHF RFID應用前景廣闊，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讀寫器模塊的實現方案。PR9000結合外圍電路和射頻前端電路可實現對UHF RFID ISO18000-C/EPC global GEN 2標簽的識別，并通過模塊提供的對外接口UART實現與主機的數據交換。

1 系統設計

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，內部集成了UHF RFID射頻前端收發模塊、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等數據通信接口，并提供了多個I/O和中斷資源。其內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協議的UHF RFID標簽[6]，其內部結構圖如圖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用市場，可被嵌入到手機等一類手持式電子產品中。

1.2 PR9000及外圍電路設計

PR9000內部集成了各種模塊，簡化了外圍電路的設計，在實際應用中只需要設計簡單的外圍電路就可實現對UHF RFID標簽的識別，這些電路包括收發端電路、環路濾波器、外部時鐘電路以及數據通信接口，PR9000外轉電路模塊結構框圖如圖2所示。

圖2 PR9000外圍電路模塊結構框圖

1.2.1 收發端電路設計

PR9000可以采用單天線和雙天線模式，所謂雙天線設計就是收發采用獨立的天線分別實現收發功能，這樣可以實現收、發端信號完全隔離，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端共用一個天線，而接收端和發送端采用隔離器件隔離其強弱信號，一般采用環形器或是耦合器來實現[7]。設計采用了定向耦合器來實現，耦合器的直通端連接PR9000的發送端，耦合端得到的信號經過一定的處理后發送給PR9000的接收端，從而實現信號的發送與接收。

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

1.2.2 時鐘輸入與鎖相環濾波器設計

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

為了獲取到本振信號，系統需要完成頻率合成，PR9000內部集成了PFD和VCO，所以只需要在外部設計相應的鎖相環濾波器就可以實現。常用的鎖相環濾波器是一種低通濾波器，有有源和無源之分，無源鎖相環濾波器一般由電阻、電容組成，有源鎖相環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，提高系統的穩定性[8]。在本方案采用由電阻、電容組成的無源濾波器。

1.2.3 通信接口與電源設計

PR9000內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議以及與主機之間的通信。對外通信接口有I2C、ISP以及UART接口等，實現與主機通信與調試。本設計只采用UART接口就可實現程序的下載以及與主機之間命令及數據的交互。作為一個可嵌入模塊，為了讓主機更好地控制，模塊還提供了一個使能信號，以便主機控制本模塊啟動，實現合理的工作模式。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設計

PCB板采用兩層板設計，板厚0.8 mm，對外接口采用焊盤設計，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，模塊采用屏蔽罩設計，并設計了天線SMA接口。整個模塊的PCB大小為 20 mm×25 mm[9-10]。

2 模塊測試

本設計模塊的測試主機為普通帶串口的PC機，當然，模塊與主機之間的串口連接需要經過電平轉化芯片把TTL電平轉化成RS232電平。給模塊下載好程序后，連接天線(2.5 dBi)，并使能模塊，在天線輻射區域內測試標簽識別距離，經過多個標簽測試，平均識別距離為200 mm。為了測試其發送功率，采用了矢量分析儀和頻譜儀等測試儀器，對模塊的發射功率 (920 MHz～925 MHz)進行測試，具體測試結果如圖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]。測試實驗表明，該模塊可在2.5 dBi天線下，實現200 mm的識別距離，達到了良好的工作性能。該設計對外提供了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.走進物聯網[J].中國物流與采購，2009(22)：38-39.

[2]劉巖.RFID通信測試技術及應用[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]寧煥生，王炳輝.RFID重大工程與國家物聯網[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]康偉.RFID在中國的應用現狀及未來發展趨勢[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)核心技術與典型應用開發實例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

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

[7]游戰清，李蘇劍.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

[8]劉奡.寬帶 PLL環路濾波器的設計[D].南京：東南大學，2006.

[9]王守三.PCB的電磁兼容設計技術、技巧和工藝[M].北京：機械工業出版社，2008.

[10]趙建領.Protel電路設計與制版寶典[M].北京：電子工業出版社，2007.