基于AS3992芯片的遠(yuǎn)距離RFID讀寫器設(shè)計(jì)

許 煜，聞 揚(yáng)，戴錫春

（上海寶信軟件股份有限公司 機(jī)電成套事業(yè)本部,上海 201203）

隨著物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流和生態(tài)監(jiān)視等國(guó)民經(jīng)濟(jì)方方面面的大量應(yīng)用，UHF頻段的RFID技術(shù)更是發(fā)展迅速,它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)可以自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象、獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù),適用于各類惡劣環(huán)境[1]。RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器和天線三部分構(gòu)成，其中RFID讀寫器最為關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于AS3992芯片的遠(yuǎn)距離RFID讀寫器系統(tǒng)主要包括射頻部分和基帶部分，如圖1所示。射頻部分圍繞RFID集成芯片AS3992展開設(shè)計(jì)，環(huán)路濾波器配合內(nèi)置VCO產(chǎn)生精確頻率；發(fā)射鏈路主要由巴倫、功率放大器、耦合器、高頻開關(guān)和多路天線接口組成，在關(guān)鍵通路上使用LC網(wǎng)絡(luò)和π型網(wǎng)絡(luò)調(diào)整阻抗匹配；射頻接收鏈路由天線、高頻開關(guān)、耦合器、低噪放和巴倫組成?；鶐Р糠峙渲昧丝缮?jí)的MCU主控制器及通用外圍接口。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 AS3992及其外圍電路

AS3992是奧地利微電子推出的一款高性能UHF頻段的讀寫器芯片，它集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模擬前端，并且內(nèi)置了ISO18000-6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)。外部控制器僅需通過8位并口或者SPI口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)AS3992的所有通信和控制[2-3]。

UHF載波信號(hào)的通信頻率為 840 MHz～960 MHz，AS3992集成了VCO、預(yù)分頻器、主除法器、參考除法器、鑒相器和電荷泵，外圍電路只要提供一個(gè)環(huán)路濾波器即可組成一個(gè)完整的鎖相環(huán)(PLL)電路，如圖2所示。PLL的輸出頻率由參考除法器的設(shè)定值和主除法器的乘積決定。電荷泵(CP)的主要作用是將數(shù)字邏輯脈沖轉(zhuǎn)換為模擬電流。CP信號(hào)經(jīng)過低通濾波器反饋到VCO引腳用來調(diào)整振蕩器頻率精度。為了獲得穩(wěn)定的VCO調(diào)諧電壓，外部的環(huán)路濾波電路特別重要，它起到了維持環(huán)路穩(wěn)定性、控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲、防止VCO調(diào)諧電壓控制線上電壓突變、抑制參考邊帶雜散干擾等重要作用。

2.2 射頻發(fā)射電路

AS3992芯片射頻信號(hào)以差分對(duì)的形式輸出，使用LC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以將巴倫的輸入端阻抗精確匹配到100 Ω，通過 2：1的巴倫即可輸出單端 UHF信號(hào)。若僅使用AS3992內(nèi)部功放，則其輸出功率最大僅為20 dBm，只能滿足近距離讀寫。若要達(dá)到更遠(yuǎn)的讀寫距離，必須通過外部功率放大器進(jìn)行無失真放大；同樣為了整條射頻線路的阻抗匹配，在巴倫和功放間放置π型濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗微調(diào)。

功率放大器可以將已經(jīng)被調(diào)制過的高頻載波信號(hào)進(jìn)行功率放大，經(jīng)過天線輻射到周圍以滿足接收機(jī)需要的激勵(lì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且對(duì)相鄰信道不產(chǎn)生影響。功率芯片SKY65111采用三級(jí)電壓控制，1 dB壓縮點(diǎn)增益在29.5 dBm。使用AS3992自帶的DAC，結(jié)合電壓跟隨器可以方便精確地調(diào)節(jié)功放的輸出功率；此外當(dāng)外部功放固定時(shí)，通過AS3992自身發(fā)射功率的調(diào)節(jié)亦可適應(yīng)不同距離的應(yīng)用。

微波信號(hào)輸入/輸出的隔離需要通過耦合器，經(jīng)過耦合器出來的信號(hào)進(jìn)入一分四高頻切換開關(guān)SKY14151，把一路信號(hào)根據(jù)應(yīng)用需要可以切換到任一選中的天線接口。讀寫器設(shè)計(jì)的4個(gè)天線接口，不僅擴(kuò)展了其應(yīng)用距離，而且由于一個(gè)讀寫器可以有多個(gè)分節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收信息，當(dāng)4個(gè)天線都對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)方向時(shí)，還能夠減少單天線的盲區(qū)降低誤碼率。

為了增加RFID讀寫器的最遠(yuǎn)距離，還需要對(duì)其發(fā)射功率進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)射功率太大不僅會(huì)引起失真，還容易泄露到接收端形成干擾，所以一旦功率檢測(cè)器件監(jiān)控到大于設(shè)定功率時(shí)，通過主控制器數(shù)字PID和DAC把微調(diào)量加載到功率芯片SKY65111的二三級(jí)電壓控制端，使得發(fā)射功率可控。

2.3 射頻接收電路

基于AS3992芯片的射頻接收電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鸦祛l器和濾波器集成在了AS3992芯片內(nèi)部，外圍電路只需要增加一片1：2的巴倫，就可以把單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分對(duì)信號(hào)，送入AS3992芯片的射頻接收管腳。為了減少雜波干擾提高射頻接收信號(hào)的純度，在耦合器和巴倫之間加上一片低噪放，使得巴倫的輸入信號(hào)被限制在 840 MHz～960 MHz之間。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

AS3992的固件程序?qū)懺贛CU主控制器中。把RFID系統(tǒng)通過外圍接口與計(jì)算機(jī)連接起來，上電后首先對(duì)AS3992芯片初始化；成功之后可以進(jìn)行頻段、天線接口和輸出功率的設(shè)定(頻段選擇取決于各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，天線接口可以根據(jù)需要切換，輸出功率的大小通常決定了讀寫距離的遠(yuǎn)近)；主控制觸發(fā)查詢標(biāo)簽動(dòng)作，若發(fā)現(xiàn)天線輻射有效范圍內(nèi)有標(biāo)簽存在,則選中標(biāo)簽準(zhǔn)備通信,否則反復(fù)查詢；主控制器和標(biāo)簽通信握手成功后，把標(biāo)簽信息送回上位機(jī),完成一次讀卡操作。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 RFID系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

使用頻譜儀對(duì)所設(shè)計(jì)的RFID系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試,天線接口的發(fā)射頻譜如圖4所示,最大發(fā)射功率為27 dBm。當(dāng)把發(fā)射功率設(shè)定在15 dBm時(shí)，從如圖5的發(fā)射頻譜上可以看到，信道功率為14.31 dBm，占用帶寬(99%能量)為119 kHz。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于UHF頻段的遠(yuǎn)距離RFID模塊化系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)傳輸和分辨率的要求提高，MCU主控制器可以不斷升級(jí)，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴(kuò)充和處理速度的提高。本設(shè)計(jì)對(duì)輸出功率的檢測(cè)可以防止盲目增大發(fā)射功率導(dǎo)致接收干擾而影響識(shí)別距離的問題。目前，本系統(tǒng)已成功運(yùn)用于寶鋼熱軋環(huán)形軌道運(yùn)輸車的定位。

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

[2]Austria Microsystems.AS3992 UHF RFID single chip reader EPC Class1 Gen2 compatible[Z].2011.

[3]譚海燕，崔如春，肖志良,等.基于AS3990/3991的超高頻 RFID讀寫器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010,36(3)：23-25.