李沈飛，文光俊，黃麗

（電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院射頻集成電路與系統(tǒng)研究中心，四川成都611731）

無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種基于無線射頻通信的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是從二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的前沿科學(xué)技術(shù)。該技術(shù)在工作時(shí)不需人工干預(yù)，能夠應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)物體的識(shí)別，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體，可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境。相比于條形碼、生物識(shí)別、光學(xué)符號(hào)識(shí)別等其他自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在數(shù)據(jù)量、識(shí)別距離、環(huán)境影響和保密性等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，RFID技術(shù)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)物流、智能交通、電子門票、動(dòng)物識(shí)別、身份識(shí)別和一卡通等領(lǐng)域[1]。

介紹了一種基于PHYCHIPS公司PR9000芯片的超小型UHF RFID讀寫模塊的設(shè)計(jì)方法。PR9000芯片內(nèi)部集成了射頻收發(fā)器、基帶調(diào)制與解調(diào)、控制管理、FLASH、SRAM和UART等部分[2]。控制采用Intel 80C52單片機(jī)，通過UART與PC的RS232接口相連，或者與其他手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

UHF RFID讀寫器模塊硬件部分設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分[3]：1）PR9000及其外圍電路；2）電源管理模塊。如圖1所示，PR9000及其外圍電路完成射頻信號(hào)的收發(fā)、變頻、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的調(diào)制/解調(diào)，以及整個(gè)電路的控制管理，并且提供對(duì)外的通信接口；電源管理模塊接收外部5 V DC輸入轉(zhuǎn)換成其他模塊工作所需要的LDO-3.3 V、LDO-3.6 V，并提供相應(yīng)的帶負(fù)載能力[4]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 PR9000及其外圍電路

PR9000內(nèi)部集成了80C52、驅(qū)動(dòng)放大器、混頻器、低通濾波器、壓控振蕩器、ADC/DAC、鎖相環(huán)和可編程增益放大器等多個(gè)功能模塊[2]。結(jié)合其外圍電路，PR9000可完成控制、射頻信號(hào)的收發(fā)、混頻、濾波、調(diào)制解調(diào)、功率放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PR9000及其外圍電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 PR9000 and peripheral circuit chart

PR9000工作于UHF ISM頻段（840～960 MHz），結(jié)合簡單的射頻前端電路，便可實(shí)現(xiàn)完整的射頻收發(fā)功能。這些外圍電路主要包括：平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器、外部功率放大器、耦合器和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。

2.1.1 平 衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

PR9000芯片發(fā)射出來的功率進(jìn)入到Balun，經(jīng)過Balun將平衡功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成不平衡信號(hào)輸出，同時(shí)將平衡端的200歐姆阻抗轉(zhuǎn)換成不平衡端的50歐姆阻抗，實(shí)現(xiàn)發(fā)射通路的一個(gè)50歐姆阻抗匹配。

2.1.2 外 部功率放大器的設(shè)計(jì)

由于PR9000芯片的輸出功率最大只有+10 dBm，通常其輸出功率為-13～+7 dBm。在這樣的發(fā)射功率下，系統(tǒng)對(duì)無源電子標(biāo)簽的讀取距離大約只有20 cm。為了能夠讀到更遠(yuǎn)距離的電子標(biāo)簽，需要在PR9000的輸出端加上一個(gè)功率放大器[6]，在輸入與輸出端進(jìn)行L型匹配，該功率放大器最大能夠輸出28 dBm的功率，結(jié)合PR9000自身的發(fā)射功率的調(diào)節(jié)功能，可以使該系統(tǒng)工作在不同使用場(chǎng)合的不同應(yīng)用距離[5]。電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 功率放大器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Power amplifier circuit chart

2.1.3 耦 合器設(shè)計(jì)

在微波系統(tǒng)中，需要將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題。實(shí)現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件即耦合器。

經(jīng)過功率放大器放大的射頻信號(hào)直接進(jìn)入耦合器。該信號(hào)經(jīng)過直通端進(jìn)入發(fā)射通道，正向耦合端經(jīng)過一個(gè)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)將發(fā)射功率進(jìn)一步衰減到PR9000芯片能夠承受的范圍內(nèi)，輸入到PR9000芯片的負(fù)接收端，反向耦合端將天線接收到的功率輸入給PR9000芯片的正接收端，由于天線接收到的信號(hào)非常微弱，因此不用進(jìn)一步衰減，輸入到PR9000芯片正接收端的信號(hào)與負(fù)接收端的信號(hào)組成一對(duì)差分信號(hào)[7]。

2.2 電源管理模塊

筆者設(shè)計(jì)的UHF RFID讀寫器模塊作為一個(gè)獨(dú)立功能模塊，可直接應(yīng)用在PC上或是嵌入到其他手持設(shè)備中，所以本文設(shè)計(jì)的電源管理模塊選擇的工作電壓是5 V的DC輸入或是3.7 V的手持電池輸入，再經(jīng)過內(nèi)部的電源模塊轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的各種電壓[8]，射頻芯片、晶振的工作電壓是3.3 V，功率放大器的工作電壓是3.6 V。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

將程序燒寫進(jìn)80C52，整個(gè)系統(tǒng)就可以工作。首先，將PR9000與計(jì)算機(jī)連接起來，對(duì)PR9000芯片進(jìn)行初始化，連接成功之后就可以進(jìn)行頻段選擇和功率選擇。頻段選擇是根據(jù)所處的地區(qū)來選擇，有EPC、FCC、CHINA、KOREA、JAPAN等；功率選擇是根據(jù)所需的功率大小進(jìn)行選擇，需要讀寫的距離遠(yuǎn)，就選擇大一點(diǎn)的功率，需要讀寫的距離近，就選擇小一點(diǎn)的功率。這幾步完成之后就可以進(jìn)行讀卡操作了。讀到卡之后就可以進(jìn)行寫卡、鎖卡和殺卡操作，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳等功能。如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software

4 系統(tǒng)測(cè)試

硬件電路完成后，對(duì)設(shè)計(jì)的電路板進(jìn)行性能測(cè)試，通過直流穩(wěn)壓電源、萬用表、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等測(cè)試儀器[9]。PCB硬件電路板如圖5所示；具體測(cè)試結(jié)果經(jīng)過30 dBm的衰減器衰減之后輸出，輸出功率達(dá)到了27.54 dBm，如圖6所示。

5 結(jié)論

圖5 PCB硬件電路板Fig.5 PCB hardware circuit

圖6 系統(tǒng)發(fā)射功率測(cè)試結(jié)果（發(fā)射功率+27.54 dBm）Fig.6 System transmit power test result（transmit power+27.54 dBm）

本文給出了一種超小型UHF RFID讀寫模塊的設(shè)計(jì)方案，并在較小的PCB板尺寸上完成了射頻收發(fā)、電源管理和MCU控制的合理布局[10]，整個(gè)讀寫器模塊的PCB尺寸為3 cm×3 cm，對(duì)外提供UART接口、電源接口和天線接口，可以方便地嵌入到各種手持設(shè)備中。在實(shí)際測(cè)試中，該讀寫器模塊的電流消耗在920 mA/5 V，可在2.5 dBi天線配合下，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)2 m以上的讀寫距離。

[1]周飛.超高頻RFID讀寫器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[2]PHYCHIPS，Inc.PR9000-FD12 Datasheet[EB/OL]2010.http://www.phychips.com/new/eng/products/rfid_s1.html.

[3]信部無.205號(hào)，800/900 MHz頻段射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)應(yīng)用規(guī)定（試行）[S].2007.

[4]肖菊蘭，張紅雨.超高頻RFID讀寫器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（11）:158-161.

XIAO Ju-lan，ZHANG Hong-yu.Design of UHF RFID reader[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）:158-161.

[5]汪飛，王春華，何海珍.一種新型超高頻射頻識(shí)別射頻前端電路設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28（1）:11-15，22.

WANG Fei，WANG Chun-hua，HE Hai-zhen.A novel UHF RFID RF front end circuits design[J].Microelectronics&Computer，2011，28（1）:11-15，22.

[6]劉華伸，多補(bǔ)償繞組多調(diào)諧濾波器的研究[J].陜西電力，2009，37（4）：15-19.

LIU Hua-shen.Study on multi-tuned filter with multiple compensation windings[J].Shaanxi Electric Power，2009，37（4）：15-19.

[7]CHEN Ying，ZHANG Fu-hong.A system design for UHF RFID reader，11th IEEE International Conference on Communication Technology Proceedings[R].2008.

[8]王劍宇，蘇穎.高速電路設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[9]陳曦，任建文，楊玉坤，等.基于靈敏度方法的電壓越限分析[J].陜西電力，2010，38（1）:77-78.

CHEN Xi，REN Jian-wen，YANG Yu-kun，et al.Sensitivity based voltage limit violation analysis[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（1）:77-78.

[10]趙建領(lǐng).Protel電路設(shè)計(jì)與制版寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.