固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)中讀寫(xiě)器模塊的硬件設(shè)計(jì)

李 新，周 桐，劉 銘

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400037）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家加大了對(duì)教育事業(yè)的投入力度，學(xué)校的固定資產(chǎn)在數(shù)量、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量都有了很大的提高。然而，許多學(xué)校固定資產(chǎn)管理存在專職管理人員少，管理人員隊(duì)伍不穩(wěn)定，軟件實(shí)用性太差，數(shù)據(jù)采集方式落后等問(wèn)題。如何實(shí)時(shí)清理，而且做到帳卡相符，帳實(shí)相符，帳帳相符，是各單位資產(chǎn)管理者一直追求的目標(biāo)，也是很多單位的難題。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，學(xué)校的資產(chǎn)管理需要建立一個(gè)完整規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校固定資產(chǎn)的高效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確管理。為此，本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于UHF固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)，并重點(diǎn)研究了系統(tǒng)中讀卡器的射頻前端模塊硬件電路中的關(guān)鍵技術(shù)，最后通過(guò)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee和RFID技術(shù)的資產(chǎn)管理系統(tǒng)是利用RFID技術(shù)，將固定資產(chǎn)的電子信息寫(xiě)入到電子標(biāo)簽中，再將電子標(biāo)簽粘貼到固定資產(chǎn)相應(yīng)的位置，然后在每一棟樓的樓道設(shè)置一定數(shù)量的讀寫(xiě)器，用于讀出電子標(biāo)簽中的資產(chǎn)信息，或者是將新的資產(chǎn)信息寫(xiě)入電子標(biāo)簽內(nèi)[1]。如圖1UHF RFID嵌入式讀寫(xiě)器系統(tǒng)所示。

圖1 UHF RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)

UHF RFID嵌入式讀寫(xiě)器系統(tǒng)主要包含射頻前端模塊電路和數(shù)字控制系統(tǒng)。本論文主要針對(duì)的是“射頻前端模塊電路”設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，數(shù)字控制系統(tǒng)主要由ARM7芯片完成。讀寫(xiě)器的讀取和寫(xiě)入等命令由ARM7嵌入式控制系統(tǒng)下達(dá)[2]。當(dāng)讀取或?qū)懭朊钕逻_(dá)后，該命令經(jīng)過(guò)基帶電路解析，對(duì)射頻前端電路的工作頻率，發(fā)射功率，工作時(shí)間，編碼方式和數(shù)據(jù)速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。射頻信號(hào)通過(guò)天線發(fā)射出去，形成一個(gè)有效輻射區(qū)。因此，讀寫(xiě)器的射頻信號(hào)對(duì)于無(wú)源標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，既提供了標(biāo)簽芯片的電源，又包含了數(shù)據(jù)和控制信息[3～5]。標(biāo)簽信息返回到讀寫(xiě)器后，經(jīng)過(guò)放大、變頻、濾波等操作后，進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)，然后判斷標(biāo)簽數(shù)據(jù)的有效性，再經(jīng)過(guò)基帶電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，送達(dá)控制系統(tǒng)，進(jìn)而返回ARM7嵌入式控制系統(tǒng)，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將標(biāo)簽信息和環(huán)境溫度傳輸?shù)皆O(shè)備管理中心。

2 射頻前端模塊電路設(shè)計(jì)

射頻前端模塊以射頻收發(fā)芯片R1000為核心，主要完成射頻信號(hào)的收發(fā)、調(diào)制/解調(diào)、濾波、溫度檢測(cè)、增益控制和數(shù)字通信等功能[6]，如圖2射頻前端模塊電路所示。作者采用雙天線配置方案，為了提高接受的靈敏度，以及適用于0dBm的接收阻塞，系統(tǒng)使用高增益模式。R1000內(nèi)部混頻器采用零中頻結(jié)構(gòu)，為了濾掉發(fā)射信號(hào)進(jìn)入混頻器而產(chǎn)生的自阻塞直流干擾，提高相鄰信道的抑制比，用一個(gè)帶通的DRM濾波器來(lái)替換作為高通濾波的單個(gè)電容，可以達(dá)到很好的信道選擇特性。R1000內(nèi)部集成了振蕩器和鎖相環(huán)，外部參考時(shí)鐘源為24MHz的TCXO。片上VCO輸出為載波頻率的四倍頻，考慮到環(huán)路帶寬，設(shè)計(jì)不同的環(huán)路濾波器可以靈活地實(shí)現(xiàn)不同的頻率分辨率，本設(shè)計(jì)選擇23KHz的環(huán)路帶寬。

圖2 射頻前端模塊電路

2.1 R1000外圍發(fā)射通道

發(fā)射功率控制過(guò)程是實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的。R1000外圍發(fā)射信號(hào)通道包括固定增益放大電路，程控衰減電路，耦合器，濾波器，單刀四擲天線選擇開(kāi)關(guān)，天線連接檢查和正反向功率檢測(cè)等功能[7]，如圖3所示。初始狀態(tài)下，程控衰減電路的衰減值未知。當(dāng)R1000的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)程控衰減電路后，被固定增益放大電路進(jìn)行高線性度放大，然后進(jìn)入耦合器耦合，正向耦合端輸出的信號(hào)進(jìn)入正向功率檢測(cè)單元后得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的電平值。該電平在控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理后，由數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制程控衰減電路調(diào)整其衰減值，如此反復(fù)，直到達(dá)到設(shè)定的輸出功率值為止。耦合器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，送入到單刀四擲射頻通道選擇開(kāi)關(guān)，然后由被選擇的天線通道發(fā)射出去。如果天線匹配不好，部分或全部信號(hào)反射回來(lái)后，在耦合器的反向耦合端輸出的信號(hào)進(jìn)入反向功率檢測(cè)單元，得到的電平值經(jīng)過(guò)數(shù)字控制系統(tǒng)處理后，芯片R1000將停止發(fā)射射頻信號(hào)，同時(shí)用戶界面報(bào)錯(cuò)。

圖3 R1000外圍發(fā)射通道結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 程控衰減電路

當(dāng)數(shù)字控制系統(tǒng)得到正向功率檢測(cè)結(jié)果后，與用戶設(shè)定的射頻發(fā)射功率所對(duì)應(yīng)的電平值相對(duì)比，得出兩者差量，產(chǎn)生控制信號(hào)SCL和SDA[8]。其中，SCL控制數(shù)字電位器的輸出電平增加或是減少，SDA表示電平增加或減少的量。數(shù)字電位器產(chǎn)生的電平經(jīng)過(guò)緩沖后，作用到程控衰減器上，調(diào)整其衰減幅度。該調(diào)整過(guò)程是實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的，如圖4程控衰減電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)所示。為了保證在程控衰減器失效的情況下，R1000的射頻發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，其功率不超過(guò)功率放大器的P1dB值，電路中設(shè)計(jì)了π型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。其衰減量是固定值，但可根據(jù)整個(gè)發(fā)射通道的性能對(duì)其衰減量進(jìn)行調(diào)整。

圖4 程控衰減電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1.2 固定增益放大電路

讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間信號(hào)功率逐漸衰減。若信號(hào)頻率為915MHz，相距d=1m處，自由空間的播損耗L=-31.7dB；考慮到天線輸入端的衰減2.5dB，固定增益放大電路的輸出功率不小于+32.5dBm[9]，芯片R1000的射頻輸出功率典型值是+10dBm。因此，固定增益放大電路對(duì)R1000輸出射頻信號(hào)的理論增益至少應(yīng)為22.5dBm。為了提高功率放大器的線性度，本文采用“驅(qū)動(dòng)放大器+功率放大器”的電路結(jié)構(gòu)，以及3dB功率分配與合成技術(shù)，如圖5固定增益放大電路所示。

圖5 固定增益放大電路

2.1.3 耦合器和功率檢測(cè)

圖6 耦合器和功率檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖

-30dB耦合器的使用主要是為了對(duì)射頻發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)功率進(jìn)行檢測(cè)，并為R1000提供外部本振源，如圖6耦合器和功率檢測(cè)電路所示。固定增益放大器輸出的射頻信號(hào)輸入到-30dB耦合器的Pin1，從耦合器的Pin4得到耦合信號(hào)。該耦合信號(hào)有兩個(gè)用途：正向功率檢測(cè)和R1000外部本振源。R1000外部本振輸入功率范圍是-20dBm～0dBm，可以將π型衰減器的衰減量初步定于6dB。作者選擇的功率檢測(cè)芯片線性度最好的功率檢測(cè)范圍是-40dBm～-10dBm，因此選取功率檢測(cè)點(diǎn)-21dBm。從耦合器Pin2到天線輸入端，存在發(fā)射信號(hào)的反射分量。該反射信號(hào)輸入到耦合器Pin2，從Pin3得到其耦合分量。該分量有兩個(gè)用途：1）R1000片內(nèi)反射信號(hào)功率檢測(cè)，用以和發(fā)射功率相對(duì)比，判斷耦合器到天線這一段電路的阻抗匹配程度。如果阻抗嚴(yán)重失配，R1000將停止發(fā)射信號(hào)；2）該信號(hào)用于數(shù)字電路控制系統(tǒng)對(duì)反射信號(hào)的功率檢測(cè)，也和發(fā)射功率相對(duì)比，如果阻抗嚴(yán)重失配，應(yīng)用軟件的用戶界面將報(bào)錯(cuò)。這兩個(gè)處理反射信號(hào)的信號(hào)支路的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算與正向功率檢測(cè)相同。

2.1.4 天線選擇開(kāi)關(guān)和連接檢查

在系統(tǒng)正常工作過(guò)程中，數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定，輸出天線選擇信號(hào)ANT0和ANT1，經(jīng)過(guò)2-4譯碼和緩沖器后，作用到單刀四擲開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)天線工作狀態(tài)的管理，且任何一條通道的工作參數(shù)都可以獨(dú)立設(shè)定。如果沒(méi)有連接天線就運(yùn)行系統(tǒng)，發(fā)射信號(hào)在天線連接端口完全反射，造成功率放大器嚴(yán)重?fù)p壞。為了避免這種情況的發(fā)生，作者設(shè)置了一個(gè)天線連接檢查電路單元，如圖7天線連接檢查電路所示。如果天線沒(méi)有連接，則4.7KΩ電阻的右側(cè)是開(kāi)路，因而天線檢查結(jié)果是一個(gè)3.3V的高電平。當(dāng)天線連接良好時(shí)，在直流狀態(tài)下，由于天線內(nèi)部的信號(hào)平面和地平面是直接相連的，則4.7KΩ電阻的右側(cè)是接地狀態(tài)，因而天線檢查結(jié)果是一個(gè)約0.3V的低電平。R1000就是通過(guò)這個(gè)電平值來(lái)判斷天線是否正常連接的。

圖7 天線連接檢查結(jié)果

2.2 R1000外圍接收通道

圖8 R1000外圍接收通道結(jié)構(gòu)圖

收發(fā)只能同時(shí)選擇一對(duì)固定的天線，接收天線接收到標(biāo)簽的返回信號(hào)后，輸入到單刀四擲開(kāi)關(guān)，如圖8 R1000外圍接收通道結(jié)構(gòu)圖所示。為了防止相同頻段的強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入R1000的接收通道，天線選擇開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)分出一部分，先經(jīng)過(guò)一個(gè)固定衰減量的衰減器，再由功率檢測(cè)芯片進(jìn)行功率檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果輸入控制系統(tǒng)與一個(gè)預(yù)設(shè)的值進(jìn)行比較，判斷接收功率是否過(guò)大，進(jìn)而控制保護(hù)開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)。因此，在天線選擇開(kāi)關(guān)和帶通濾波器之間添加了保護(hù)電路單元。如果接收信號(hào)功率不超過(guò)保護(hù)開(kāi)關(guān)的保護(hù)門限，經(jīng)過(guò)帶通濾波器之后，通過(guò)單端轉(zhuǎn)差分直接進(jìn)入R1000芯片內(nèi)部接收通道，進(jìn)行片內(nèi)的放大、解調(diào)等處理。

3 系統(tǒng)整體測(cè)試

首先進(jìn)行固定增益放大電路整體性能測(cè)試，為保證功率放大電路輸出功率為+34dBm的輸入功率為+17dBm，考慮到驅(qū)動(dòng)放大器輸出與功率放大電路之間的低通濾波器的0.5dB衰減，則驅(qū)動(dòng)放大器的輸出功率至少為+19.5dBm，對(duì)應(yīng)其輸入功率為-1dBm。由于R1000的輸出射頻功率典型值為+10dBm[10,11]，因此程控衰減器的最小衰減量為11dB。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)頻率為915MHz，功率從-10dBm開(kāi)始以1dB步進(jìn)上推。具體測(cè)試結(jié)果如表1所示，整個(gè)固定增益放大電路在輸入功率為-6dBm時(shí)，其輸出能達(dá)到+32.62dBm，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 固定增益放大電路增益測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

固定增益放大模塊模塊已經(jīng)焊接調(diào)試完成后，從-30dB耦合器輸出端引出一條一端帶有SMA公頭的同軸線，用于測(cè)試系統(tǒng)輸入到發(fā)射通道天線選擇開(kāi)關(guān)的信號(hào)功率。將數(shù)字電路模塊的USB接口與電腦相連，引出的同軸線接上一個(gè)30dB的衰減器（功率容量為4W連續(xù)波），再連接到頻譜儀上。打開(kāi)應(yīng)用軟件RFID Tracer，設(shè)置工作頻段為902MHz～928MHz，此時(shí)在頻譜儀上可以得到信號(hào)頻譜如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)發(fā)射瞬時(shí)功率譜測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

基于射頻收發(fā)芯片R1000，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了符合ISO18000-6C協(xié)議的UHF RFID讀寫(xiě)器硬件電路。其中，針對(duì)射頻前端電路的關(guān)鍵技術(shù)做了重點(diǎn)介紹，該電路工作于860MHz～960MHz頻段，覆蓋了不同國(guó)家和地區(qū)為UHF RFID應(yīng)用所劃分的頻譜資源。其射頻前端采用零中頻收發(fā)架構(gòu)，4組天線接口以時(shí)分方式工作，采用倒推的方式，對(duì)各部分電路進(jìn)行調(diào)試、優(yōu)化，確定整個(gè)固定增益放大電路的輸出功率和總體增益，從而為程控衰減電路中的π型衰減網(wǎng)絡(luò)確定衰減量。整個(gè)射頻前端電路通過(guò)ARM7處理器來(lái)控制工作狀態(tài)，其射頻發(fā)射功率可由軟件調(diào)節(jié)，功率變化范圍從+14dBm到+33dBm，步進(jìn)量為1dB，能滿足不同應(yīng)用環(huán)境的需求。在輸出射頻功率為+30dBm時(shí)，識(shí)別距離大于9米。在現(xiàn)階段防碰撞算法作用下，可保證同時(shí)讀取標(biāo)簽數(shù)267張無(wú)漏讀，如圖10標(biāo)簽卡碰撞測(cè)試所示。

圖10 標(biāo)簽卡碰撞測(cè)試

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