李寶山，李 革

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

超高頻射頻識(shí)別讀寫器的研究與設(shè)計(jì)

李寶山，李 革

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)具有存儲(chǔ)容量大、讀寫速度快、識(shí)別距離遠(yuǎn)和可同時(shí)讀寫多個(gè)電子標(biāo)簽等特點(diǎn)，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足市場(chǎng)需求，文章對(duì)超高頻讀寫器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并提出了一種基于ARM的超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)讀寫器的設(shè)計(jì)方案。文中從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)讀寫器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，給出了讀寫器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工作流程以及相關(guān)的軟件流程圖。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該讀寫器具有讀寫速度快、讀寫效率高、識(shí)別距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足市場(chǎng)需求。

超高頻; 射頻識(shí)別; 讀寫器

1 引言

超高頻射頻識(shí)別[1]（RFID，Radio Frequency Identification），即無線射頻識(shí)別技術(shù)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過無線耦合的方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需人工接觸、不需光學(xué)可視即可完成信息輸入和處理，并且操作簡(jiǎn)單快捷，具有廣泛的應(yīng)用前景。

RFID系統(tǒng)按工作頻率可分為低頻、高頻、超高頻、微波四個(gè)頻段。其中，UHF RFID系統(tǒng)具有讀寫距離遠(yuǎn)、同時(shí)識(shí)別多標(biāo)簽以及讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此UHF RFID系統(tǒng)使用的場(chǎng)景越來越多，UHF頻段的RFID產(chǎn)品也逐漸成為這個(gè)行業(yè)的主流產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基本的RFID系統(tǒng)主要由三部分組成：電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫器（Reader）、PC機(jī)或后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)的工作原理

RFID技術(shù)的基本工作原理[2]是利用空間電磁波的耦合或者傳播來進(jìn)行通信，達(dá)到自動(dòng)識(shí)別被識(shí)別對(duì)象、獲取識(shí)別對(duì)象相關(guān)信息的目的。讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)貼有電子標(biāo)簽的物體進(jìn)入無線識(shí)別系統(tǒng)讀寫器的識(shí)讀范圍時(shí)，其天線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息，讀寫器接收到電子標(biāo)簽發(fā)射回來的電磁波信號(hào)后，經(jīng)過處理得到電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的代碼等信息，這些信息可以作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。

3 UHF讀寫器設(shè)計(jì)

3.1 讀寫器的結(jié)構(gòu)

根據(jù) ISO 18000-6B 標(biāo)準(zhǔn)和 RFID 讀寫系統(tǒng)的要求，經(jīng)過研究，確定讀寫器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。讀寫器主要有三部分組成：（1）主控部分，本設(shè)計(jì)中，主控部分選用ARM9單片機(jī)；（2）射頻部分，射頻部分又由發(fā)射部分和接收部分兩部分組成，其中發(fā)射部分由調(diào)制器、濾波器和功率放大器組成；接收部分由濾波電路解調(diào)器多級(jí)運(yùn)放和整形電路組成；（3）天線。

圖2 UHF讀寫器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作流程

讀寫器的工作過程分為發(fā)送讀寫命令和接收標(biāo)簽返回信息兩階段，發(fā)送讀標(biāo)簽命令工作流程為：

（1）計(jì)算機(jī)發(fā)送讀標(biāo)簽命令給主控制器，主控制器收到來自計(jì)算機(jī)的讀標(biāo)簽信號(hào)，啟動(dòng)讀標(biāo)簽程序，主控制器內(nèi)相應(yīng)編解碼電路FPGA對(duì)讀標(biāo)簽令進(jìn)行編碼，F(xiàn)PGA將編碼好的基帶信號(hào)送至調(diào)制器[3]；

（2）調(diào)制器將基帶信號(hào)與本振信號(hào)混合，將混合信號(hào)調(diào)至到 UHF 頻段；

（3）調(diào)制后的高頻信號(hào)被送至功率放大器進(jìn)行放大；

（4）放大后的信號(hào)被送入環(huán)形器，環(huán)形器再將高頻信號(hào)送至天線發(fā)射。

接收標(biāo)簽返回信息的工作流程為：

（1）標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)來的信號(hào)，獲得能量被激活，開始執(zhí)行讀寫器命令，并將返回的應(yīng)答信息以后向散射調(diào)制方式送至天線；

（2）天線將接收到的信號(hào)經(jīng)環(huán)形器送至帶通濾波器濾波；

（3）信號(hào)經(jīng)過濾波后被送至解調(diào)電路，解調(diào)電路將信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后送至放大電路進(jìn)行放大；放大后的信號(hào)被送至整形電路，形成基帶信號(hào)送至編解碼電路解碼；

（4）編解碼電路將基帶信號(hào)進(jìn)行解碼并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，形成標(biāo)簽信息，傳給 ARM[4]；

（5）最后，ARM 將接收的標(biāo)簽信息按照一定規(guī)則傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

3.3 主控部分

主控模塊選擇 ARM為控制芯片，該模塊的主要功能就是協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作。主要包括控制讀寫器與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊；在啟動(dòng)時(shí)向 FPGA 傳送配置數(shù)據(jù)初始化 FPGA；控制鎖相環(huán)頻率合成器的輸出頻率使其產(chǎn)生系統(tǒng)所需的頻率；控制發(fā)射輸出的功率大?。辉谧x標(biāo)過程中向 FPGA 傳送讀標(biāo)簽命令從而啟動(dòng)編碼程序和對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解碼[5]；處理標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)防沖突功能。

3.4 發(fā)射部分

發(fā)射部分的原理圖如圖3所示。發(fā)射部分的工作流程如下：

（1）ARM主控制器設(shè)定工作頻率，控制頻率合成器產(chǎn)生載波頻率并送至功率分配器；

（2）編解碼電路將標(biāo)簽命令編碼成基帶信號(hào)送至混頻器；

（3）混頻器將載波信號(hào)和基帶信號(hào)混合將其調(diào)制到所需頻率，調(diào)制后的高頻送帶通濾波器濾波[6]，然后送至功率放大器進(jìn)行放大，功率放大器的放大倍數(shù)由 ARM 根據(jù)需要控制；

（4）放大后的信號(hào)經(jīng)環(huán)形器送天線發(fā)射。

圖3 發(fā)射部分原理圖

3.5 接收部分

同樣，標(biāo)簽返回讀寫器的信息，也要由相應(yīng)的接收電路進(jìn)行接收和處理，接收部分的原理圖如圖4所示。接收部分的工作流程如下：

（1）環(huán)形器將天線接收到的標(biāo)簽信號(hào)送至帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)送至小信號(hào)放大器進(jìn)行放大；

（2）放大后的信號(hào)被送至 90°相移功率分配器，90°相移功率分配器將信號(hào)分成正交的兩路信號(hào)[7]：一路是沒有相移的信號(hào)，另一路是相移 90°的信號(hào)，這兩路信號(hào)同時(shí)送到兩個(gè)完全相同的解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)；

（3）解調(diào)電路解調(diào)出相對(duì)應(yīng)的中頻 IF 信號(hào)并送入二階LC低通濾波器，濾除殘留的載波；

（4）解調(diào)濾波后的信號(hào)通過差分放大電路，然后被送至電壓比較器；

（5）電壓比較器將放大后完整的解調(diào)信號(hào)電壓與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓比較，還原成標(biāo)簽返回信息的基帶信號(hào)，經(jīng)整形后送至編解碼電路解碼處理。

圖4 接收部分原理圖

3.6 讀寫器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件[8]包括對(duì)讀寫器的初始化、配置控制器和編解碼電路、設(shè)定發(fā)射功率、發(fā)送尋卡命令、防沖突算法實(shí)現(xiàn)、讀卡命令、數(shù)據(jù)處理、與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等。軟件控制流程如圖 5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語

超高頻讀寫器對(duì)系統(tǒng)的要求比較高，它要求數(shù)據(jù)傳輸和處理速度快，選擇ARM9作為主控制器，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理速度的同時(shí)也適應(yīng)不斷增加的RFID標(biāo)簽和讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳遞量。另外，選擇ARM9作為控制器，其處理速度快、接口資源豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)，為以后在實(shí)際應(yīng)用中讀寫器的升級(jí)擴(kuò)展打下良好的基礎(chǔ)。經(jīng)過測(cè)試，該讀寫器在同類型產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有一定優(yōu)勢(shì)，各項(xiàng)性能都符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

∶

[1] 肖菊蘭，張紅雨.超高頻FRID讀寫器設(shè)計(jì)[J].北京：電子設(shè)計(jì)工程，2010.

[2] 王曉華，周曉光，孫百生.超高頻射頻識(shí)別讀寫器設(shè)計(jì)[J].北京：電子測(cè)量技術(shù)，2007.

[3] 尚銳.一種超高頻RFID讀寫器的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2008（8）∶ 31-33.

[4] 蔣泰，李柏.UHF頻段射頻識(shí)別讀寫器的設(shè)計(jì)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（3）∶48-51.

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[7] Kipnis I, Chiu S, Loyer M, et al．A 900MHz UHF RFID reader 6transceiver IC[R]．IEEE Int Solid-State Circuits Conf Dig Tech Papers, 2007.

[8] 張福洪，鄧朝日，趙曉紅，等.RFID讀寫器發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件, 2009.

[9] 章小城，向偉，徐丹.基于 Intel R1000芯片的超高頻RFID手持式讀寫器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2008.

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[11] 陳友平.基于ARM9的UHF讀寫器模塊設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

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Research and Design of UHF RFID Reader

LI Bao-shan，LI Ge
（Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,China）

The system of UHF RFID has the advantages such as storage capacity, read and write speed,recognition distance, and can read or write multiple RFID tags simultaneously, which has been applied widely in many fi elds. In order to meet market requirements, this paper proposes a design project of a UHF RFID system interrogator based on ARM. In this paper, two aspects of hardware and software design of the interrogator are described, the design gives the structure of interrogator, work processes and the related fl ow chart of software. The practical results show that the interrogator has the advantages of read and write speed, eff i cient read-write, recognition distance and so on, which can meet market requirements.

UHF; RFID; reader

TN92

A

1681-1070（2011）09-0023-04

2011-06-20

李寶山（1965—），男，教授，主要研究方向?yàn)樯漕l識(shí)別系統(tǒng)研究及應(yīng)用；

李 革（1986—），男，山西大同人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l識(shí)別系統(tǒng)及其應(yīng)用。