卓建明

(廈門藍(lán)海環(huán)科儀器有限公司，福建 廈門 361005)

物聯(lián)網(wǎng)就是把所有物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)概念是在2005國際電信聯(lián)盟在突尼斯舉行的 “信息社會(huì)全球峰會(huì)”上正式提出的。隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐漸從理論走向了應(yīng)用，目前已經(jīng)成為公認(rèn)的21世紀(jì)改變民生的十大技術(shù)，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。

作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域四大技術(shù)之首的射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)近年來也得到了越來越快的發(fā)展，RFID也在逐步趨向于成熟，各種相關(guān)產(chǎn)品層出不窮，應(yīng)用也越來越多樣化，由于UHF 頻段的技術(shù)門檻相對(duì)較高，目前國內(nèi)市場(chǎng)還處在應(yīng)用研究和小規(guī)模試用階段。但由于UHF RFID應(yīng)用前景廣闊，存在著巨大的潛在市場(chǎng)，所以研究UHF頻段的RFID技術(shù)有著巨大的意義[4-5]。

本文主要介紹了一種基于PHYCHIPS公司PR9000芯片的微型可嵌入U(xiǎn)HF RFID讀寫器模塊的實(shí)現(xiàn)方案。PR9000結(jié)合外圍電路和射頻前端電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)UHF RFID ISO18000-C/EPC global GEN 2標(biāo)簽的識(shí)別，并通過模塊提供的對(duì)外接口UART實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 PR9000芯片介紹

PR9000是一個(gè)高集成、高性能的單片UHF RFID讀寫器SoC解決方案，內(nèi)部集成了UHF RFID射頻前端收發(fā)模塊、基帶處理模塊、80C52微處理器以及64 KB的Flash和16 KB SRAM的片上存儲(chǔ)空間，對(duì)外提供UART、SPI、I2C等數(shù)據(jù)通信接口，并提供了多個(gè)I/O和中斷資源。其內(nèi)部還集成了電源管理模塊，采用單電源供電，可讀寫符合ISO18000-C/EPC global GEN 2協(xié)議的UHF RFID標(biāo)簽[6]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

PR9000低功耗、小體積和低成本的特性決定了其廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，可被嵌入到手機(jī)等一類手持式電子產(chǎn)品中。

1.2 PR9000及外圍電路設(shè)計(jì)

PR9000內(nèi)部集成了各種模塊，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中只需要設(shè)計(jì)簡單的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)對(duì)UHF RFID標(biāo)簽的識(shí)別，這些電路包括收發(fā)端電路、環(huán)路濾波器、外部時(shí)鐘電路以及數(shù)據(jù)通信接口，PR9000外轉(zhuǎn)電路模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 PR9000外圍電路模塊結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 收發(fā)端電路設(shè)計(jì)

PR9000可以采用單天線和雙天線模式，所謂雙天線設(shè)計(jì)就是收發(fā)采用獨(dú)立的天線分別實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)收、發(fā)端信號(hào)完全隔離，但是必然會(huì)增加模塊面積，并不適合本模塊的設(shè)計(jì)方案，所以本方案采用單天線模式。所謂單天線模式就是收發(fā)端共用一個(gè)天線，而接收端和發(fā)送端采用隔離器件隔離其強(qiáng)弱信號(hào)，一般采用環(huán)形器或是耦合器來實(shí)現(xiàn)[7]。設(shè)計(jì)采用了定向耦合器來實(shí)現(xiàn)，耦合器的直通端連接PR9000的發(fā)送端，耦合端得到的信號(hào)經(jīng)過一定的處理后發(fā)送給PR9000的接收端，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收。

在發(fā)送端，平衡信號(hào)經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)后輸入到平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)，然后經(jīng)過一個(gè)π型濾波器后進(jìn)入定向耦合器，再經(jīng)過低通濾波器后由天線發(fā)送出去。在接收端，天線獲取到信號(hào)經(jīng)過低通濾波器，再經(jīng)過耦合器的耦合，在耦合端獲取到該信號(hào)經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配和一定的衰減轉(zhuǎn)換成接收端的平衡信號(hào)傳輸給PR9000的接收端，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收。

1.2.2 時(shí)鐘輸入與鎖相環(huán)濾波器設(shè)計(jì)

PR9000內(nèi)部集成了時(shí)鐘控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率放大和信號(hào)提純，系統(tǒng)能以較低的時(shí)鐘頻率輸入獲取較高的系統(tǒng)工作頻率，本方案采用19.2 MHz的外部有源晶振作為系統(tǒng)的外部時(shí)鐘輸入。

為了獲取到本振信號(hào)，系統(tǒng)需要完成頻率合成，PR9000內(nèi)部集成了PFD和VCO，所以只需要在外部設(shè)計(jì)相應(yīng)的鎖相環(huán)濾波器就可以實(shí)現(xiàn)。常用的鎖相環(huán)濾波器是一種低通濾波器，有有源和無源之分，無源鎖相環(huán)濾波器一般由電阻、電容組成，有源鎖相環(huán)濾波器一般還加上放大器，用于濾除PFD中誤差電壓的高頻成分和噪聲，從而改善VCO的頻譜純度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。在本方案采用由電阻、電容組成的無源濾波器。

1.2.3 通信接口與電源設(shè)計(jì)

PR9000內(nèi)部集成了基帶電路模塊和處理器模塊?；鶐щ娐纺K包含了發(fā)送處理模塊和接收處理模塊，是射頻端和處理器模塊之間的橋梁；處理器模塊包括80C52微處理器和16 KB的SRAM以及64 KB的Flash的存儲(chǔ)空間，用于搭載空中接口協(xié)議以及與主機(jī)之間的通信。對(duì)外通信接口有I2C、ISP以及UART接口等，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)通信與調(diào)試。本設(shè)計(jì)只采用UART接口就可實(shí)現(xiàn)程序的下載以及與主機(jī)之間命令及數(shù)據(jù)的交互。作為一個(gè)可嵌入模塊，為了讓主機(jī)更好地控制，模塊還提供了一個(gè)使能信號(hào)，以便主機(jī)控制本模塊啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合理的工作模式。因此，本模塊對(duì)外通信接口共有4個(gè)，即兩個(gè)UART接口、一個(gè)使能接口以及一個(gè)RESET接口。

整個(gè)模塊采用3.3 V單電源供電，PR9000的數(shù)字部分供電和模擬部分供電由一個(gè)磁珠隔離。

加上電源部分，整個(gè)模塊的對(duì)外接口只有6個(gè)，包括3.3 V電源輸入、地以及4個(gè)信號(hào)接口。

1.3 PCB設(shè)計(jì)

PCB板采用兩層板設(shè)計(jì)，板厚0.8 mm，對(duì)外接口采用焊盤設(shè)計(jì)，為了更好地嵌入并固定到其他PCB板上，模塊除了6個(gè)對(duì)外接口外還增加了10個(gè)接地焊盤。PCB板充分考慮了信號(hào)的完整性和電磁兼容，模塊采用屏蔽罩設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了天線SMA接口。整個(gè)模塊的PCB大小為 20 mm×25 mm[9-10]。

2 模塊測(cè)試

本設(shè)計(jì)模塊的測(cè)試主機(jī)為普通帶串口的PC機(jī)，當(dāng)然，模塊與主機(jī)之間的串口連接需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化芯片把TTL電平轉(zhuǎn)化成RS232電平。給模塊下載好程序后，連接天線(2.5 dBi)，并使能模塊，在天線輻射區(qū)域內(nèi)測(cè)試標(biāo)簽識(shí)別距離，經(jīng)過多個(gè)標(biāo)簽測(cè)試，平均識(shí)別距離為200 mm。為了測(cè)試其發(fā)送功率，采用了矢量分析儀和頻譜儀等測(cè)試儀器，對(duì)模塊的發(fā)射功率 (920 MHz～925 MHz)進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示，其中圖3為頻帶功率譜，圖4為瞬時(shí)功率譜。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)微型可嵌入U(xiǎn)HF RFID讀寫器模塊，并在20 mm×25 mm大小的PCB板上完成了整個(gè)模塊的合理布局[10]。測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，該模塊可在2.5 dBi天線下，實(shí)現(xiàn)200 mm的識(shí)別距離，達(dá)到了良好的工作性能。該設(shè)計(jì)對(duì)外提供了UART接口和焊盤方便嵌入到其他PCB板，具有很大的商用價(jià)值。

圖3 頻帶功率譜

圖4 瞬時(shí)功率譜

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