一種UFH頻段RFID讀寫(xiě)器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何滔

（云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖655001）

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)憑借其遠(yuǎn)距離的可讀取性、快速的識(shí)別性、大容量的資料存儲(chǔ)能力，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在國(guó)外，零售業(yè)、交通系統(tǒng)、物流管理以及個(gè)人身份管理是其最為主要的應(yīng)用范疇；而國(guó)內(nèi)RFID市場(chǎng)雖然才起步，但在居民身份證、公交售票、高速公路收費(fèi)和校園管理等方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，RFID已經(jīng)開(kāi)始逐步深入到我們生活的各個(gè)方面。本文針對(duì)RFID的一些硬件模塊，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路，組合成一個(gè)實(shí)用的基于ARM的RFID讀寫(xiě)器[1-3]。

1 總體方案

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊采用集成度高、功能獨(dú)立的芯片，并配上一定的外圍電路。系統(tǒng)主要分為基于IXP425控制器的主控模塊、通信接口（包括以太網(wǎng)、串口和USB接口，電源管理）、具備基帶信號(hào)調(diào)制解調(diào)的射頻信號(hào)采集處理板以及功率放大模塊組成，如圖1所示。

目前，嵌入式處理器的種類很多，常見(jiàn)的32 bit嵌入式處理器有ARM、PowerPC、Co1dFire等。與其他嵌入式處理器相比，ARM具有體積小、功耗低、成本低、性能高的優(yōu)點(diǎn)，并提供豐富的片內(nèi)外圍控制電路。設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的AT91SAM7S64微處理器。

圖1 高頻讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)框圖

射頻模塊采用Intel R1000收發(fā)器。內(nèi)含能源擴(kuò)大器，可在近距離或者2 m內(nèi)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行編碼和閱讀，而具體距離由讀寫(xiě)器所使用的天線決定。使用R1000讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍可以達(dá)到10 m。R1000與單獨(dú)的微處理器連接，這個(gè)微處理器可以把由R1000數(shù)字信息處理器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成EPc或者18000-6c格式的代碼，其工作頻率為860 MHz～960 MHz，共有56個(gè)引腳，采用0.18μm SiGe BiCMOS先進(jìn)工藝，面積僅為8 mm×8 mm，功耗只有1.5 W左右，具有很高的集成度。此芯片既可降低設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，又能使制造商制造出體積更小，更有創(chuàng)新性的讀寫(xiě)器，從而開(kāi)拓新的RFID應(yīng)用領(lǐng)域。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于IXP425控制器的主控制部分

普通閱讀器在處理由閱讀器訪問(wèn)電子標(biāo)簽獲得的原始RFID數(shù)據(jù)時(shí)，通常通過(guò)閱讀器上的通信接口將該信號(hào)送到上層具有中間件的上位機(jī)中，這樣的處理方式增加了設(shè)備集成費(fèi)用，降低了系統(tǒng)集成度。在此設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)一塊嵌入式微處理器來(lái)替代上位機(jī)，將圖2所示的中間件和應(yīng)用進(jìn)程裝到此板子中，只要設(shè)計(jì)的微處理器系統(tǒng)中嵌入式CPU配置達(dá)到ARM9的標(biāo)準(zhǔn)，就能達(dá)到運(yùn)行的要求。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

此電路板主要由IXP425芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、SRAM存儲(chǔ)電路、Flash存儲(chǔ)電路、USB接口電路、串口電路、以太網(wǎng)電路、GPIO電路和電源管理電路組成，如圖3所示。

圖3 基于IXP425的電路結(jié)構(gòu)框圖

基于IXP425芯片實(shí)現(xiàn)ARM9功能電路，主要功能為通過(guò)外圍條件的實(shí)現(xiàn)來(lái)處理外圍提供的信號(hào)，或利用主芯片輸出總線形式的信號(hào)給Flash或SRAM，其中它的工作必須留有晶振信號(hào)輸入口，如圖4所示。

圖4 基于IXP425的電路原理圖

2.2 基于ARM7的射頻采集處理器部分

射頻信號(hào)采集處理[4-6]采用基于ARM7的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行處理，與主機(jī)之間的通信為串口和以太網(wǎng)接口，與射頻芯片進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換可根據(jù)技術(shù)方案中采用的射頻芯片具體信號(hào)靈活設(shè)定。基于ARM7的射頻采集處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 基于ARM7的射頻采集處理器結(jié)構(gòu)框圖

基于ARM7的MAC射頻采集處理器是系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)接收用戶命令、對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行收發(fā)控制，協(xié)議的所有命令集也將存儲(chǔ)其中，支持ISO 18000-6C和EPCGen2協(xié)議，并完成以上協(xié)議的所有命令操作，定義標(biāo)簽各個(gè)狀態(tài)，對(duì)所有信號(hào)（包括數(shù)據(jù)信號(hào)、命令信號(hào)）的收發(fā)控制，完成與上位機(jī)的通信控制，如RS-232、TCP/IP的通信，如圖6所示。

圖6 基于ARM7的射頻采集處理器電路框圖

基于R1000的射頻信號(hào)收發(fā)部分是系統(tǒng)另外一個(gè)核心部分，它負(fù)責(zé)把天線接收的超高頻UHF信號(hào)解調(diào)后送給主控制芯片，或者將主控制芯片的數(shù)據(jù)和命令調(diào)制后生成基帶信號(hào)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 基于R1000的射頻信號(hào)收發(fā)電路結(jié)構(gòu)框圖

功率放大模塊用于對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行功率放大，增加傳輸功率，經(jīng)過(guò)功率放大后直接連接到環(huán)行器。

在天線前端AFE部分，天線作為信號(hào)從讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的收發(fā)端，直接與環(huán)行器相連。對(duì)Intel R1000超高頻收發(fā)器，基于不同的天線子系統(tǒng)，天線有兩種配置情況，即單天線模式和雙天線模式。雙天線模式采用分離的天線將接收器和發(fā)射器連接起來(lái)，通常情況下，兩根獨(dú)立的天線由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，每根天線僅具備接收器功能或發(fā)射器功能。對(duì)單天線模式，因天線的反射系數(shù)并不理想，所以接收增益不能太大，會(huì)有飽和的問(wèn)題。以R1000的高接收靈敏度，可以搭配-10 dB左右的耦合器，視整體線路的隔離而定；對(duì)于雙天線模式，天線的收發(fā)隔離比較理想，接收路徑可以使用高增益。

2.3 外置天線部分

設(shè)計(jì)的天線應(yīng)滿足以下要求：

（1）滿足超高頻UHF頻段要求；

（2）近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)RFID操作可讀取單品級(jí)標(biāo)簽；

（3）匹配超高頻Gen2或ISO18000-6C RFID標(biāo)簽；

（4）高性能、低成本天線解決成本；

（5）適合桌面、壁掛安裝。

3 多層PCB設(shè)計(jì)

基于ARM7的射頻信號(hào)采集PCB板為4層板，頂層、底層為原件面和布線層，中間層為電源層和地層，材料為FR4，介電常數(shù)為4.7，尺寸為180 mm×90 mm。基于IXP425控制器的主控制PCB板為6層板，頂層、第3層、第4層、底層為原件面和布線層，第2層和第5層為電源層和地層，材料為FR4，介電常數(shù)為4.7，尺寸為250 mm×90 mm。板中有過(guò)孔和銅皮設(shè)計(jì)，過(guò)孔的設(shè)計(jì)是為了布線方便，銅皮的設(shè)計(jì)減小了信號(hào)干擾。

按本文所述的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作頻率為850 MHz～930 MHz的RFID讀寫(xiě)器，在系統(tǒng)最大輸出功率條件下，有效識(shí)讀距離可達(dá)8 m。目前，RFID超高頻技術(shù)的發(fā)展已比較成熟，也已經(jīng)有了一些標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽的價(jià)格也有所下降，但RFID超高頻讀寫(xiě)器卻有變得更大、更復(fù)雜和更昂貴的趨勢(shì)，其消耗能量將更多，制造元件達(dá)數(shù)百個(gè)之多。然而，此次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)采用高度集成的R1000芯片，希望能解決上述問(wèn)題，既降低芯片設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，又能制造出體積更小、更有創(chuàng)新性的讀寫(xiě)器，從而開(kāi)拓新的RFID應(yīng)用領(lǐng)域。

[1]吳澤海，賴聲禮，張建明，等.一種UHF頻段RFID讀寫(xiě)器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（1）：50-52.

[2]江小平，李中捷，余曉峰.基于ARM的射頻識(shí)別讀卡器電路設(shè)計(jì)[J].信息與電子工程，2010，8（4）：451-454.

[3]程小輝，魏力.低功耗RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（2）：118-120.

[4]Texas Instruments.Multi-standard fully integrated 13.56-MHz radiof requency identification analog front end and data framing reader system[Z].2009.

[5]陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[6]張玉興.射頻模擬電路與系統(tǒng)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2008.