便攜式RFID射頻識別讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)

射頻識別(RFlD)技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性，實現(xiàn)對靜止或移動物體的自動識別。一個射頻識別系統(tǒng)一般包括射頻標(biāo)簽、讀寫器以及主機(jī)等幾個部分。目前國內(nèi)應(yīng)用于超高頻的RFID讀寫器較少，而且整機(jī)價格昂貴、體積龐大、需外接天線或天線陣列、不便于攜帶且多不能單機(jī)工作。本設(shè)計的目的在于以盡可能低的硬件成本實現(xiàn)一種基于ISO／IEC18000―6B標(biāo)準(zhǔn)的便攜式RFID讀寫器，并可通過軟件升級后支持其他標(biāo)準(zhǔn)或多標(biāo)準(zhǔn)。

1、理論分析

RFID系統(tǒng)工作時，首先由讀寫器發(fā)射一個特定的一步的處理。詢問信號，當(dāng)射頻標(biāo)簽感應(yīng)到這個信號后，就會給出相2讀寫器硬件設(shè)計應(yīng)的應(yīng)答信號；讀寫器接收這個應(yīng)答信號并對其進(jìn)行處理，返回給外部主機(jī)或進(jìn)行相應(yīng)操作。

本文所實現(xiàn)的讀寫器包含射頻收發(fā)模塊和數(shù)字基帶處理模塊，其中射頻收發(fā)模塊又包括射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)兩部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)在工作時首先由數(shù)字基帶處理模塊產(chǎn)生需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的詢問信號，然后由射頻發(fā)射機(jī)將這個信號轉(zhuǎn)換成為射頻信號發(fā)射出去。

射頻標(biāo)簽接收到這個信號后，會給出相應(yīng)的應(yīng)答信號，回波信號。這個回波信號將由射頻接收機(jī)接收并進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后送給數(shù)字基帶模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2、讀寫器硬件設(shè)計

如前所述，本讀寫器的硬件主要包括射頻收發(fā)機(jī)模理，返回給外部主機(jī)或進(jìn)行相應(yīng)操作。塊和數(shù)字基帶處理模塊，其中射頻收發(fā)機(jī)模塊包括射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇上，本讀寫器以降低成本為主要目標(biāo)，射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)采用了零中頻結(jié)構(gòu)，在很大程度上減少了所需的器件；數(shù)字基帶處理模塊采用了以單片機(jī)為主的結(jié)構(gòu)，而沒有采用高速的DSP，也節(jié)省了一定的成本。

2．1射頻發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)電路主要包括晶體振蕩器、頻率綜合器、功分器、ASK調(diào)制器、功率放大器(PA)以及發(fā)射天線等。

本設(shè)計中，頻率綜合器采用了集成芯片S14133，這是一款可編程的鎖相環(huán)芯片，可以通過數(shù)字編程控制其輸出頻率。正是通過這一性能，實現(xiàn)了系統(tǒng)在860MHz一960MHz的頻率范圍內(nèi)的跳頻操作，從而避免頻帶內(nèi)其他信號的干擾。由S14133輸出的射頻載波經(jīng)過一個功分器后，一路送往接收機(jī)作為本地振蕩信號LO，另一路則送至ASK調(diào)制器。這里的ASK調(diào)制器采用了一款結(jié)構(gòu)非常簡單的芯片HMCl95，它可以簡化為一個高速開關(guān)，由需要發(fā)送的數(shù)字信號控制其通斷，以此完成對載波的調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的載波由功率放大器放大，最后送至天線發(fā)射出去。

鑒于實際工作的需要，這里并沒有采用高性能的功率放大器，而是采用了一個價格低廉的緩沖放大器芯片AG503，其輸出功率最高可達(dá)17dBm，即O．05W。發(fā)射天線也采用了極為簡單的PCB印制偶極子天線，無需外接。此時讀寫器的工作距離可達(dá)80cm。由于載波在近距離的自由空間的衰減與傳播距離的平方近似于成正比，故可以計算當(dāng)發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率(EIRP)達(dá)到36dBm，即4W時，讀寫器的工作距離可以達(dá)到7m。

2．2射頻接收機(jī)

接收機(jī)電路主要包括相干解調(diào)器、運算放大器、比較器等，其主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。相干解凋器采用I、Q正交解調(diào)。接收機(jī)的設(shè)計難點主要為同頻接收。因為對于無源標(biāo)簽，在循環(huán)發(fā)送詢問信號期間，讀寫器需要始終發(fā)送載波信號來給標(biāo)簽提供能量。

然而，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的隔離一般在20dB以下，因此在接收機(jī)接收標(biāo)簽應(yīng)答信號的同時也會接收到這個比較強(qiáng)的載波信號，這就要求接收機(jī)必須具有很高的線性度。對于這個問題，既不能像手機(jī)系統(tǒng)中那樣采用雙頻收發(fā)，也不能像有些射頻收發(fā)機(jī)那樣采用分時收發(fā)，而只能通過提高接收機(jī)的線性度和增大發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的隔離來解決。

本接收機(jī)中采用了一個高線性度低噪聲的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器LT5516，它的ldB壓縮點可達(dá)6．6dBm，而噪聲系數(shù)只有11．4dB。由于一般的低噪聲放大器(LNA)的線性度不能滿足要求，故在前端沒有采用低噪聲放大器。LT5516的RF輸入端口與LO輸入端口均采用差分輸入，故在它的兩個輸入端口處各接了一個平衡，不平衡變換器Balun(圖中未示出)。由于L1’5516的兩個輸入端口的輸入阻抗為2001l，而外部的RF與Lo輸入信號均是匹配在50Ω，故本設(shè)計中的Balun采用的是1：4的變壓器，實現(xiàn)從單端信號到差分信號轉(zhuǎn)換的同時也實現(xiàn)了從50Ω到200Ω的阻抗變換。

LT5516的輸出是正交的I，Q兩路信號，并且分別以差分形式輸出。它的輸出阻抗為60Ω，在輸出端接了270pF的對地電容：從而獲得截止頻率位于10MHz的RC低通濾波器，以此濾出高頻分量。

運算放大器和比較器采用了噪聲較低的LT6207，它含有4個運算放大器，將其中兩個作為第一級，另兩個作為第二級。LT5516的輸出差分信號經(jīng)過低通濾波，采用交流耦合到第一級運算放大器的輸入端，經(jīng)放大后輸出單端信號，然后再經(jīng)直流耦合到第二級運算放大器的反相輸入端。第二級運算放大器采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電壓比較器的功能，其同相輸入端接比較電平。這樣在第二級的輸出端便可以得到數(shù)字信號，這就是射頻接收機(jī)處理之后的信號。該信號將被送至數(shù)字基帶處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2．3數(shù)字基帶處理模塊

數(shù)字基帶處理模塊主要包括一個單片機(jī)、兩個轉(zhuǎn)換芯片、外部接口以及蜂鳴器等，其主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。單片機(jī)采用了Philips的P89LPC932A1單片機(jī)，外部時鐘頻率為12MHz。整個系統(tǒng)的控制信號，如射頻收發(fā)機(jī)中頻率綜合器的初始化信號、使能信號、跳頻指令信號、相干解調(diào)器的使能信號以及ASK調(diào)制器的數(shù)字輸入信號等均由這個單片機(jī)提供。另外，標(biāo)簽的應(yīng)答信號經(jīng)射頻接收機(jī)接收處理后也需送至單片機(jī)進(jìn)行解碼、校驗，然后由單片機(jī)作出判斷，給出相應(yīng)的卡號等信息。數(shù)字基帶處理模塊與讀寫器外部的接口包括RS232串口和USB端口，這里采用了兩個轉(zhuǎn)換芯片MAX3232和PL2303．分別實現(xiàn)從單片機(jī)到相應(yīng)接口的信號轉(zhuǎn)換，以此完成讀寫器與外部主機(jī)的通信。這樣既可以由外部主機(jī)對讀寫器進(jìn)行控制，也可以由讀寫器將讀取的標(biāo)簽信息返回給外部主機(jī)。