近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了飛躍發(fā)展，并擁有廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術(shù)，其應(yīng)用前景隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展受到越來(lái)越多的關(guān)注。而隨著低功耗和高性能集成射頻收發(fā)芯片的不斷推出，小型化、模塊化、高性能的超高頻RFID讀寫(xiě)器也應(yīng)運(yùn)而生。

本論文主要是設(shè)計(jì)一款基于R2000的高性能多天線結(jié)構(gòu)讀寫(xiě)器，和一般UHFRFID系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程一樣，按照應(yīng)用需求分析、確定指標(biāo)參數(shù)、制定系統(tǒng)方案、硬件電路設(shè)計(jì)、_上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、整機(jī)性能測(cè)試、形成產(chǎn)品順序進(jìn)行，整個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程如圖2-1所示。

（1）應(yīng)用需求分析

在該階段主要是通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研了解市場(chǎng)需求。本文涉及的讀寫(xiě)器產(chǎn)品是應(yīng)廣東省中山市一家公司的需求而設(shè)計(jì)，主要是面向倉(cāng)儲(chǔ)管理、物流供應(yīng)鏈管理兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。這兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域需要讀寫(xiě)器能夠?qū)?a target="_blank">電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)漏識(shí)別，同時(shí)要求無(wú)漏識(shí)別速度快。

（2）確定指標(biāo)參數(shù)

在了解市場(chǎng)單位的應(yīng)用需求一設(shè)計(jì)一 -款能對(duì)電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)高速、無(wú)漏、遠(yuǎn)距離識(shí)別的讀寫(xiě)器，為此需要先確定電路總體參數(shù)指標(biāo)要求，并將指標(biāo)細(xì)化分到各個(gè)部分，從而確定器件的選擇范圍， 便于總體方案設(shè)計(jì)。

（3）制定系統(tǒng)方案

確定了電路指標(biāo)參數(shù)后，需要根據(jù)各電路模塊要求選擇合適的芯片器件，并將器件關(guān)鍵引腳標(biāo)注出來(lái)，將各部分電路框圖連接，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)方案。在這個(gè)過(guò)程中需要考慮系統(tǒng)方案的可實(shí)施性，同時(shí)盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)研發(fā)成本。

（4）設(shè)計(jì)硬件電路

在制定系統(tǒng)方案時(shí)只是粗略描述了電路各部分的框圖，在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需詳細(xì)設(shè)計(jì)各電路原理圖， 以及電路模塊的接口形式，為組成電路系統(tǒng)做好前期準(zhǔn)備。

（5）系統(tǒng)集成

在這個(gè)階段主要是將電路整體聯(lián)系起來(lái)，設(shè)計(jì)整個(gè)電路的原理圖和PCB版圖，逐步焊接電路并調(diào)試電路保證電路每部分都能正常工作，最后將各電路模塊組合在一起構(gòu)成一個(gè)電路系統(tǒng)。

（6）整機(jī)性能測(cè)試

待電路調(diào)試通過(guò)后，將電路模塊安放在讀寫(xiě)器磨具內(nèi)，燒寫(xiě)和配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和控制程序，模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試。

（7）形成產(chǎn)品

整機(jī)性能測(cè)試完成后，需要進(jìn)行穩(wěn)定性和高低溫測(cè)試，待所有測(cè)試通過(guò)后，貼_上合格證，將產(chǎn)品放進(jìn)包裝盒內(nèi)，準(zhǔn)備出貨。

2.2、超高頻RFID系統(tǒng)組成

超高頻RFID系統(tǒng)有四個(gè)重要組成部分，分別為上位機(jī)系統(tǒng)、讀寫(xiě)器、天線和電子標(biāo)簽，此系統(tǒng)的工作過(guò)程是0-1：。上位機(jī)發(fā)送指令給讀寫(xiě)器， 讀寫(xiě)器在上位機(jī)指令的控制下，開(kāi)啟射頻模塊發(fā)送高頻信號(hào)，通過(guò)天線在RFID電子標(biāo)簽周?chē)纬纱艌?chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，標(biāo)簽內(nèi)部的芯片電路被激活，然后將自身攜帶的信息加載到電磁波中返回給讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器接收并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信息，再通過(guò)上位機(jī)的加工處理，完成電子標(biāo)簽信息的獲取過(guò)程。而當(dāng)標(biāo)簽離開(kāi)射頻磁場(chǎng)時(shí)，標(biāo)簽由于沒(méi)有足夠的能量激活芯片電路而處于休眠狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)組成如圖2-2所示：

2.2.1上位機(jī)

本文中的上位機(jī)主要是指集成在整個(gè)設(shè)備內(nèi)部，與射頻模塊通信的PC主控機(jī)。超高頻RFID讀寫(xiě)器需要上位機(jī)發(fā)出控制指令啟動(dòng)讀寫(xiě)器發(fā)送射頻信號(hào)，讀寫(xiě)器接收到標(biāo)簽返回的信號(hào)也需要上位機(jī)處理并進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)超高頻RFID系統(tǒng)的正常工作。

2.2.2讀寫(xiě)器

超高頻讀寫(xiě)器（ Reader）即射頻模塊， 是整個(gè)RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。首先射頻模塊決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻段;其次，讀寫(xiě)器的發(fā)送功率和接收靈敏度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的最大識(shí)別距離。射頻收發(fā)電路、數(shù)字基帶控制電路和電源管理模塊是讀寫(xiě)器的主要組成部分。射頻發(fā)射鏈路主要是產(chǎn)生高頻載波信號(hào)，完成基帶信號(hào)的調(diào)制與功率放大，以便為電子標(biāo)簽提供足夠的能量。射頻接收電路則實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽返回信號(hào)的解調(diào)與低噪聲放大。數(shù)字基帶電路用來(lái)解析上位機(jī)控制指令，以便控制射頻收發(fā)電路的工作。電源管理部分主要是給各電路模塊供電，使各電路模塊能夠正常工作。

2.2.3天線

天線（Antenna）是一種無(wú)源裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁波與電流信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。天線在超高頻RFID系統(tǒng)中主要用來(lái)發(fā)送與接收高頻載波信號(hào)。超高頻RFID系統(tǒng)的天線配置可以采用收發(fā)分離與收發(fā)合一一兩種形式。收發(fā)分離主要是采用兩個(gè)天線將射頻信號(hào)分離，-一個(gè)用來(lái)發(fā)送讀寫(xiě)器輸出的射頻信號(hào)，另一個(gè)用來(lái)接收標(biāo)簽返回的射頻信號(hào)，采用這種方式射頻收發(fā)信號(hào)間的相互干擾小，成本相對(duì)較高。收發(fā)合一則是用環(huán)形器或定向耦合器實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)的分離，該方案中射頻收發(fā)信號(hào)間的相互干擾較為嚴(yán)重，需要有效地抑制射頻載波泄漏對(duì)接收信號(hào)的干擾?？紤]到實(shí)際設(shè)計(jì)成本與簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)中的讀寫(xiě)器采用定向耦合器搭建收發(fā)分離電路結(jié)構(gòu)并使用增益為8dBi的圓極化天線。

2.2.4電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽（Tag） 是數(shù)據(jù)信息的載體，主要由偶極子天線、諧振電容以及微型IC芯片封裝而成！41。RFID讀寫(xiě)器發(fā)送的電磁波在空間形成磁場(chǎng)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)范圍內(nèi)且磁場(chǎng)能量足夠大時(shí)，標(biāo)簽芯片中的電源管理電壓便依靠此電磁波能量感應(yīng)出電壓為標(biāo)簽芯片供電，并將內(nèi)部信息加載到電磁波中并返回讀寫(xiě)器，完成讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽之間的無(wú)線通信。

標(biāo)簽的靈敏度對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)讀寫(xiě)距離有著舉足輕重的影響。本設(shè)計(jì)中的超高頻RFID讀寫(xiě)器采用E4IB倉(cāng)存物流標(biāo)簽和Monza4QT標(biāo)簽，兩款標(biāo)簽接收靈敏度均在- 15dBm （30uW）左右，能夠到達(dá)遠(yuǎn)距離識(shí)別的要求。

2.3、系統(tǒng)功能分析

考慮到常規(guī)單天線或四天線讀寫(xiě)器盤(pán)存范圍受限，本論文中提出設(shè)計(jì)多天線結(jié)構(gòu)的讀寫(xiě)器方案，讓天線能夠覆蓋倉(cāng)庫(kù)的每個(gè)角落，確保倉(cāng)庫(kù)內(nèi)所有貨物上的RFID電子標(biāo)簽都能被讀寫(xiě)器無(wú)漏識(shí)別。

鑒于分立電路元件搭建的射頻收發(fā)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，電路體積龐大，在設(shè)計(jì)電路方案時(shí)，考慮采用高集成度芯片作為主射頻收發(fā)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電路方案，在保證電路性能的前提條件下，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)成了射頻收發(fā)電路模塊，可以獨(dú)立與其他上位機(jī)使用，進(jìn)一一步簡(jiǎn)化了整套設(shè)備的電路模塊組成結(jié)構(gòu)， 并提高整個(gè)電路系統(tǒng)穩(wěn)定性。

當(dāng)前RFID技術(shù)中的信息安全問(wèn)題時(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致商家或者個(gè)人的重要信息泄露，這阻礙了RFID技術(shù)的進(jìn)一一步發(fā)展與普及。為了消除RFID技術(shù)中的信息安全隱患，在設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合特殊技術(shù)， 通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的加密處理，需要輸入密碼口令才能訪問(wèn)商家或者個(gè)人私有信息內(nèi)容。結(jié)合上述功能需求與當(dāng)前市面_上讀寫(xiě)器的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)器要求的性能指標(biāo)如下：

（1）工作頻段： 840 MHz ~ 960 MHz;

（2）最大輸出功率：≥30 dBm;

（3）接收機(jī)靈敏度：≤-80 dBm;

（4）識(shí)別標(biāo)簽距離：≥15米;

（5）無(wú)漏識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目： 2200張（10s內(nèi)）;

（7）射頻模塊功耗：≤10W;

（8）實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài);

（9）標(biāo)簽信息安全。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，在設(shè)計(jì)超高頻臺(tái)式讀寫(xiě)器系統(tǒng)過(guò)程中，從高讀寫(xiě)性能、多天線結(jié)構(gòu)、工作指示功能、讀寫(xiě)信息安全四個(gè)方面考慮軟硬件電路的設(shè)計(jì)。

2.3.1高讀寫(xiě)性能

在設(shè)計(jì)超高頻RFID讀寫(xiě)器硬件電路結(jié)構(gòu)時(shí)，需采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和低插入損耗電路結(jié)構(gòu)，使得射頻信號(hào)功率從源端向負(fù)載端的最大化傳輸。設(shè)計(jì)完成的超高頻RFID讀寫(xiě)器射頻端口最大輸出功率需達(dá)到31 dBm，能夠在10s內(nèi)快速無(wú)漏

識(shí)別240張超高頻RFID電子標(biāo)簽，整個(gè)讀寫(xiě)器接收機(jī)靈敏度小于-80 dBm。在測(cè)試過(guò)程中采用8dBi增益的天線與接收靈敏度為-15dBm的E4IB電子物流標(biāo)簽，電子標(biāo)簽最大可被識(shí)別的距離超過(guò)15米。超高頻RFID讀寫(xiě)器識(shí)別電子標(biāo)簽過(guò)程如圖2-3所示。

RFID讀寫(xiě)器發(fā)射高頻載波信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)天線轉(zhuǎn)化為電磁波，而電磁波在空間介質(zhì)中-一般有傳輸損耗。整個(gè)讀寫(xiě)器采用圓極化天線， 假設(shè)天線在方向角包圍的曲面區(qū)域各方向均勻輻射能量，且能量密度在該曲面各處相同，對(duì)于此類(lèi)各向同性天線，其接收功率與天線有效面積成正比。在距離天線L米遠(yuǎn)處，天線的輻射面積為s，則

　　2.3.2多天線結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)前市面上常見(jiàn)的超高頻RFID讀寫(xiě)器多為單天線或者四天線結(jié)構(gòu)，這兩款讀寫(xiě)器只適合應(yīng)用于盤(pán)存小范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽。對(duì)于較大范圍的電子標(biāo)簽采用多臺(tái)讀寫(xiě)器來(lái)完成盤(pán)點(diǎn)任務(wù)，不僅會(huì)帶來(lái)高昂的成本，而且還需要解決多臺(tái)讀寫(xiě)器同時(shí)工作時(shí)信號(hào)之間相互干擾問(wèn)題?；谏鲜隹紤]，本文設(shè)計(jì)了- -款多天線結(jié)構(gòu)超高頻RFID讀寫(xiě)器，不僅能夠完成大范圍內(nèi)電子標(biāo)簽的盤(pán)點(diǎn)，而且各天線端口采用時(shí)分復(fù)用，因此也不存在讀寫(xiě)器各天線端口信號(hào)間的相互干擾問(wèn)題。讀寫(xiě)器多天線電路結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)兩級(jí)開(kāi)關(guān)，共配置十六個(gè)天線端口，采用時(shí)分復(fù)用的方式，每個(gè)天線端口都可以獨(dú)立工作，進(jìn)行電子標(biāo)簽的盤(pán)存和初始化工作。多天線結(jié)構(gòu)能夠覆蓋更大的空間區(qū)域，保證在倉(cāng)存管理過(guò)程中能夠識(shí)別到所有方位上標(biāo)簽。為實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽的無(wú)漏識(shí)別，天線應(yīng)朝不同方位均勻安放，保證天線能夠覆蓋到所有標(biāo)簽。測(cè)試過(guò)程中兩種多天線讀寫(xiě)器天線位置安放如圖2-5所示。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際需要，選擇超高頻RFID讀寫(xiě)器天線的數(shù)目和天線的安放位置，以保證使選擇的天線的輻射范圍能夠覆蓋所有RFID電子標(biāo)簽，從而保證在倉(cāng)存管理過(guò)程中所有標(biāo)簽都能至少能被一個(gè)天線發(fā)射的信號(hào)識(shí)別到，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)存管理中的高速無(wú)漏識(shí)別。

2.3.3工作指示功能

常規(guī)讀寫(xiě)器無(wú)法實(shí)時(shí)掌握每個(gè)天線端口的工作狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)天線端口出現(xiàn)異常狀況時(shí)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)， 長(zhǎng)期這樣工作會(huì)降低工作效率并影響讀寫(xiě)器的性能，為避免這種情況的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器硬件電路結(jié)構(gòu)時(shí)，增加工作指示功能電路，這樣可以通過(guò)指示燈的狀態(tài)實(shí)時(shí)了解整個(gè)讀寫(xiě)器的工作情況。

工作指示功能包括讀寫(xiě)器上電指示、開(kāi)機(jī)指示、射頻模塊供電指示和每個(gè)天線端口工作狀態(tài)指示。上電指示是用來(lái)判斷整個(gè)讀寫(xiě)器是否通電; 開(kāi)機(jī)指示燈則是用來(lái)指示讀寫(xiě)器上位機(jī)系統(tǒng)是否啟動(dòng);射頻模塊供電指示用來(lái)指示上位機(jī)軟件是否成功發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓電源管理模塊給射頻模塊供電;天線端口指示電路主要是讓十六個(gè)指示燈與十六個(gè)天線端一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)指示燈實(shí)時(shí)顯示每個(gè)天線端口的工作狀態(tài)。

2.3.4、讀寫(xiě)信息安全

目前超高頻RFID技術(shù)處于發(fā)展階段，相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π畔踩蟛桓?，?dǎo)致很多廠商和用戶對(duì)RFID系統(tǒng)中的信息安全問(wèn)題不夠重視。隨著超高頻RFID技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，信息安全問(wèn)題將變得尤為重要。

本文在考慮讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽安全通信方面，采用IMPINJ公司的Monza4QT電子標(biāo)簽， 該電子標(biāo)簽包括私有配置與公共配置兩種模式。在保密隱私性較高的場(chǎng)合，可以通過(guò)上位機(jī)程序?qū)?biāo)簽設(shè)置為私有配置模式，在私有配置模式下讀寫(xiě)標(biāo)簽私有信息需要訪問(wèn)密碼。當(dāng)超高頻RFID讀寫(xiě)器需要識(shí)別電子標(biāo)簽私有信息時(shí)，需要先通過(guò)上位機(jī)程序輸入訪問(wèn)密碼，待身份驗(yàn)證通過(guò)后讀寫(xiě)器才能識(shí)別標(biāo)簽用戶區(qū)信息;如果識(shí)別到標(biāo)簽的讀寫(xiě)器需要改變標(biāo)簽用戶區(qū)的內(nèi)容時(shí)，需要在上位機(jī)程序界面中輸入寫(xiě)標(biāo)簽密碼驗(yàn)證。采用這種私有配置加密方法，可以防止標(biāo)簽信息被其它讀寫(xiě)器非法獲取、修改甚至惡意毀壞。

2.4、硬件電路設(shè)計(jì)方案

對(duì)于一般的超高頻RFID讀寫(xiě)器硬件電路而言，其電路可以分解為數(shù)據(jù)接口電路、數(shù)字基帶控制電路以及射頻收發(fā)電路，本文在讀寫(xiě)器內(nèi)部增加上位機(jī)主控平臺(tái)，這樣設(shè)計(jì)完成的讀寫(xiě)器可以脫離其他控制平臺(tái)而獨(dú)立工作?；倦娐贩桨附M成如圖2-6所示。

其中數(shù)據(jù)接口電路與上位機(jī)連接，主要用來(lái)向數(shù)字基帶模塊燒寫(xiě)控制程序與相關(guān)配置，以便實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器與上位機(jī)的通信;數(shù)字基帶電路接收、解析上位機(jī)傳來(lái)控制指令并發(fā)出信息給射頻收發(fā)電路（201;射頻收發(fā)電路收到基帶控制電路發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)后產(chǎn)生高頻載波，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行各種變換處理，并經(jīng)過(guò)放大處理向外輻射以及接收處理電子標(biāo)簽返回來(lái)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器對(duì)電子標(biāo)簽的獲取。

2.4.1接口電路

接口電路是超高頻RFID讀寫(xiě)器重要組成部分，一般由基帶控制電路程序配置接口電路與上位機(jī)通信接口電路兩大組成部分。常見(jiàn)的基帶電路程序配置接口電路有UART、J-TAG 等，這些接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫(xiě)器基帶電路程序的配置與燒寫(xiě)。讀寫(xiě)器與上位機(jī)通信接口一般有RS232、RS485、USB與RJ45等，其中RS232屬于雙工單端通信方式，通信距離能夠達(dá)到10米左右，最大通信速率為20 kbps;

RS485是半雙工平衡通信，通信距離能達(dá)到1千米，數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到10Mbps;而USB是一種雙向同步傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)接口，最大傳輸速率達(dá)12 Mbps，最大特點(diǎn)是支持熱拔插。在設(shè)計(jì)高性能多天線結(jié)構(gòu)讀寫(xiě)器過(guò)程中，為了使用方便并支持熱拔插，射頻模塊接口采用USB與上位機(jī)通信，而程序的燒寫(xiě)與配置采用UART及J-TAG方式。

2.4.2數(shù)字基帶電路

數(shù)字基帶電路是超高頻RFID讀寫(xiě)器模塊的重要組成部分。本文設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)器數(shù)字基帶電路ARM采用Atmel公司的一款集成芯片。該ARM控制芯片是-款32位精簡(jiǎn)指令處理器，擁有256kb閃存（Flash）和64kb靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)按功能可分為數(shù)據(jù)10口模塊、參考時(shí)鐘模塊、電源模塊和J-TAG與UART接口模塊四個(gè)部分。

ARM芯片與射頻收發(fā)電路的數(shù)據(jù)通信主要是通過(guò)數(shù)據(jù)IO口模塊實(shí)現(xiàn)的，這些數(shù)據(jù)信息包括發(fā)送與接收過(guò)程的時(shí)鐘信號(hào)（TCK）、 數(shù)據(jù)幀信號(hào)（FRM）、 數(shù)據(jù)信息（DIO）， 功率檢測(cè)反饋信號(hào)以及射頻開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

參考時(shí)鐘模塊用來(lái)為整個(gè)ARM芯片提供參考時(shí)鐘信號(hào)。內(nèi)部含有一個(gè)鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)，輸出時(shí)鐘頻率為80 MHz~200 MHz，參考時(shí)鐘晶振頻率為18.432 MHz;外部有一個(gè)低功耗的RC振蕩器，可以提供22~42 KHz的振蕩頻率。

電源模塊采用低通濾波和去耦合電容為芯片中的數(shù)據(jù)I0口模塊和存儲(chǔ)電路提供穩(wěn)定的工作電壓。

J-TAG與UART接口模塊則用來(lái)向基帶主控芯片燒寫(xiě)代碼程序、實(shí)現(xiàn)在線編程和芯片測(cè)試。

2.4.3射頻收發(fā)電路

整個(gè)超高頻讀寫(xiě)器電路中最關(guān)鍵部分是射頻收發(fā)電路的設(shè)計(jì)，目前主要采用如下兩種方式設(shè)計(jì)：

（1）采用分立元器件搭建射頻收發(fā)電路，

（2）采用集成的射頻收發(fā)芯片加外圍電路實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能。采用分立元件搭建方案設(shè)計(jì)的超高頻RFID讀寫(xiě)器擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)， 分立器件的采購(gòu)相對(duì)容易， 但因電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜增加設(shè)計(jì)難度， 且電路性能較差。而采用集成射頻收發(fā)芯片設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)器開(kāi)發(fā)周期短、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整機(jī)穩(wěn)定性好，不足之處是集成芯片價(jià)格偏高。從電路結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，本文中選擇采用集成芯片設(shè)計(jì)多天線讀寫(xiě)器。

對(duì)于傳統(tǒng)的超高頻RFID而言，其讀寫(xiě)器的收發(fā)電路由以下三部分組成，分別是發(fā)射鏈路、接收電路以及收發(fā)分離網(wǎng)絡(luò)。本方案在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了兩極開(kāi)關(guān)電路和功率檢測(cè)保護(hù)電路，通過(guò)兩極開(kāi)關(guān)的級(jí)聯(lián)， 設(shè)計(jì)出了時(shí)分復(fù)用的十六天線結(jié)構(gòu)。功率檢測(cè)電路能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)射頻鏈路發(fā)送和接收功率是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證整個(gè)射頻收發(fā)電路不會(huì)因?yàn)楣β十惓６粺龤АＴO(shè)計(jì)完成的超高頻RFID讀寫(xiě)器的射頻收發(fā)電路結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

本項(xiàng)目是需要設(shè)計(jì)一款超高頻RFID讀寫(xiě)器， 目前市面上主流的UHF頻段的集成收發(fā)芯片主要有Phychips的PR9000、奧威公司的AS3992和Impinj公司的R2000三款。這三款芯片的主要參數(shù)對(duì)比如表2-1所示。

由表2-1可知，三款集成射頻收發(fā)芯片適用頻率、調(diào)制方式以及支持協(xié)議基本相同，主要在發(fā)射功率與接收靈敏度方面有較大差異。其中R2000芯片的接收靈敏度最小，最易于實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目產(chǎn)品識(shí)別距離遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，R2000芯片內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。

（2）射頻接收電路

接收電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽返回信號(hào)的接收變換處理。當(dāng)前常見(jiàn)的接收電路結(jié)構(gòu)主要有如下兩種形式：一種是超外差式，另一種是直接下變頻。

超外差式接收機(jī)經(jīng)過(guò)兩次下變頻將高頻載波信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)，主要有如下特點(diǎn)：

1）經(jīng)過(guò)一次變頻后的信號(hào)屬于中頻信號(hào)，其頻率比載波信號(hào)頻率低很多，信號(hào)頻率越低對(duì)信道選擇濾波器的要求也越低。

2）接收信號(hào)通常很微弱，為了能夠正常接收到標(biāo)簽返回的信號(hào)，接收機(jī)需要很大的功率增益;采用超外差式結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩次下變頻將信號(hào)變換到中頻和低頻， 在低頻段_上更容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益放大。

3）在頻率較為固定的中頻。上解調(diào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換也相對(duì)容易。

直接下變頻接收機(jī)中高頻載波信號(hào)直接被變換為基帶信號(hào)，因此也稱(chēng)為為零中頻（ZIF） 接收機(jī)。它的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：接收機(jī)前端結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只包含低噪聲放大器（LNA）和混頻器，且對(duì)低噪聲放大器增益要求不高，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍大這一要求; 由于變換后輸出的是基帶信號(hào)，僅用電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低通濾波器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的選擇。

R2000內(nèi)部接收鏈路只有一個(gè)混頻器電路，適合采用零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)。接收機(jī)靈敏度為-84 dBm。 從標(biāo)簽返回來(lái)的信號(hào)與發(fā)射機(jī)耦合過(guò)來(lái)的自校準(zhǔn)信號(hào)疊加后，進(jìn)入功率增益為7 dB的射頻低噪聲放大器，分為1，Q兩路，與耦合過(guò)來(lái)的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行下變頻，將射頻信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)，混頻器后面的可調(diào)交流電容將基帶信號(hào)中的直流成分濾除，然后通過(guò)最大增益為24 dB的自動(dòng)增益控制電路放大，經(jīng)過(guò)帶寬可調(diào)的低通濾波電路，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，完成信號(hào)的接收過(guò)程。

2.5、本章小結(jié)

本章節(jié)介紹了超高頻RFID讀寫(xiě)器電路的總體方案，主要是采用集成的收發(fā)芯片R2000來(lái)搭建射頻前端電路和AT9ISAM7S-256集成芯片作為基帶控制電路核心部分。整個(gè)讀寫(xiě)器電路結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化、設(shè)計(jì)調(diào)試難度降低、工作性能穩(wěn)定。其中高讀寫(xiě)性能、多天線結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)指示工作狀態(tài)和標(biāo)簽信息安全是本文設(shè)計(jì)的基于R2000讀寫(xiě)器的特色之處。