袁傳奇，李文鈞，王 彬

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

射頻識別（RFID）技術是一種興起于上世紀末并在最近幾年飛速發(fā)展的高新技術，它普遍應用于我們社會生活當中的各個領域，對人們的生活方式產生了深刻的影響。尤其對于低頻（LF）和高頻（HF）射頻識別的技術已經非常成熟，其快速、安全的讀寫方式讓其在學校圖書館、銀行、公交車等各機構和場所得到了廣泛應用，最近新興的近場通信（NFC）技術，其基本原理也是高頻射頻識別技術。但是低頻和高頻的讀寫距離最遠不超過20 cm[1]，大大限制了其在某些特殊領域的應用，比如倉儲、物流、ETC等等這些需要遠距離讀寫的場合。而超高頻（UHF）射頻識別技術作為現(xiàn)代科技的前沿，具有遠距離快速通信和小體積、低成本標簽這些優(yōu)勢，無疑使其非常適合這些特殊場所的應用。但我們知道，UHF射頻識別技術并沒有真正推廣開來，除了技術方面的瓶頸以外，高昂的讀寫器成本也是其推廣受限的關鍵因素之一。如果能夠開發(fā)出低成本、高性能的讀寫器勢必將對推動UHF射頻識別技術的廣泛應用起到積極的作用。文中主要介紹了一種基于EPC Class1 Gen2標準的低成本、高性能讀寫器的設計與實現(xiàn)。

1 超高頻射頻識別協(xié)議標準概述

實際上，射頻識別有很多種可以實現(xiàn)的方式，這也就意味著它有多種標準，目前應用比較廣的標準是由EPC global組 織 提 出 的 “EPC Radio-frequency Identification Protocols Class1 Generation2 UHF RFID protocol for communication at 860-960 MHz”協(xié)議，簡寫成 EPC C1 G2.該標準定義了UHF RFID讀寫器和標簽之間的空中接口以及通信命令。從標準中我們了解到，UHF RFID應用中的標簽是以一種無源的方式工作，也就是說標簽工作的能量完全由與其通信的讀寫器來提供。協(xié)議規(guī)定讀寫器和標簽之間的通信是半雙工的方式，而無源的標簽所需的能量又只能從讀寫器發(fā)射的電磁波中獲取，所以在整個通信過程中，讀寫器在發(fā)送完命令后將繼續(xù)發(fā)射射頻載波以提供標簽所需的能量。協(xié)議中還規(guī)定了讀寫器發(fā)送信息可以使用的調制方式以及編碼方法。調制方式主要是雙邊帶幅移鍵控（DSB-ASK）、單邊帶幅移鍵控（SSB-ASK）以及相位反轉幅移鍵控（PR-ASK）；因其無源的工作方式，編碼使用了 PIE編碼，這樣可以最大限度提供標簽能量。讀寫器接收到的標簽信息是由標簽反射調制發(fā)送過來的，調制方式和讀寫器一樣，其編碼可使用FM0或者米勒（miller）編碼來實現(xiàn)[2]。我們在實際設計和制作這款讀寫器時只使用了DSB-ASK的調制方式，讀寫器發(fā)送PIE編碼的信息，而標簽返回的是FM0編碼的信息。

2 讀寫器硬件設計

讀寫器硬件系統(tǒng)主要包括電源、基帶處理和射頻前端3部分[3]，射頻前端又可細分為發(fā)射鏈路和接收鏈路，其硬件系統(tǒng)框圖可如下圖1所示。

圖1 讀寫器硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Architecture of the reader system

其工作過程如下：首先微處理器（MPU）根據協(xié)議進行基帶處理（主要是對發(fā)送協(xié)議規(guī)定的命令進行編碼），然后將編碼之后的基帶信號送入調制器進行調制，由于調制器輸出的功率受到限制，無法滿足我們遠距離讀寫要求，故中間我們還需要加入射頻功放以將輸出的功率放大到30 dBm以上，最后通過天線輻射出去。當標簽在通信距離范圍內時，收到讀寫器的命令后將會回復讀寫器，其返回的信息通過同一個天線進入讀寫器的接收鏈路，讀寫器對接收到的標簽信號進行檢波、放大，并送入處理器進行解碼和識別。

2.1 發(fā)射鏈路

設計中，發(fā)射鏈路主要由射頻發(fā)送器（調制器）、射頻功放和射頻開關所組成，選擇了德州儀器（TI）的CC1101芯片作為我們的射頻發(fā)射器，它將微處理器送過來的基帶信號進行調制并可提供最大27 dBm的輸出。為了獲得更大的功率輸出，在CC1101后面添加了RFMD公司的RF5110G射頻功放，由于功放本身的輸入射頻特性，控制了CC1101的功率輸出，使其僅輸出4 dBm作為功放的輸入，以使射頻功放的輸出功率達到最大?？紤]到實際應用中可能會有多天線的需求，在設計時使用了射頻開關，通過單片機的數字控制可以進行4個通道的切換。由于發(fā)射鏈路各模塊使用的都是集成芯片，實現(xiàn)將相對較為容易。

2.2 接收鏈路

接收鏈路是本次設計的關鍵部分，也是本次設計難點所在。因為讀寫器在標簽返回信號時一直在發(fā)送載波信號，在單天線收發(fā)系統(tǒng)中這些強的載波信號難免要泄露到接收鏈路，對接收鏈路造成影響[4]。通常的解決辦法是在發(fā)送和接收之間加上環(huán)形器或者定向耦合器，減小載波功率的泄露，但是這樣一方面增加了讀寫器的成本，另外環(huán)形器和定向耦合器又存在本身的缺陷，比如環(huán)形器隔離度不夠大，定向耦合器又對輸出功率衰減太多等。在查閱了相關文獻并參考市面上某些公司的讀寫器之后，我們實際設計和實現(xiàn)了一種四通道、檢波二極管接收機方案[5]。圖2顯示了市面上常用兩種低成本檢波二極管方案的讀寫器，兩種方案都是由兩個二極管組成的雙通道檢波方案，其中上面那種方案兩二極管之間相差λ/4電長度，兩通道接收到的信號檢波輸出的基帶是差分信號，這種方案會存在讀寫盲區(qū)，也就是說標簽在讀寫距離內某些位置會存在讀寫不到的情形。下面那種方案是針對讀寫盲區(qū)的一種改進，因為兩二極管相差λ/8電長度使其兩通道輸出的是正交信號，在一個通道讀寫不到的情形下，另外的通道信號幾乎達到最大，有效的避免了盲區(qū)，但是這種方案存在靈敏度低、讀寫距離近等缺點（詳細原因及計算可參考文獻[4]）。圖3展示了我們設計的新型讀寫器接收機方案，這種方案使用四通道檢波二極管實現(xiàn)檢波，完美地解決了讀寫盲區(qū)和靈敏度低的問題[6]。如圖所示，每2個二極管之間相差λ/8電長度，這樣D1和D3以及D2和D4之間都是相差λ/4電長度，這使得其構成了兩路差分信號，可以很好的提高靈敏度，降低噪聲的干擾。另外，兩路差分信號實際上組成了I/Q結構，也就是說這樣的正交組合可以完全避免盲區(qū)的存在。

圖2 市面上常用低成本讀寫器接收鏈路方案Fig.2 A normal design of receiver for reader

圖3 四通道、零中頻接收機方案Fig.3 Four channels homodyne receiver

實際上，為了進一步提高讀寫器的靈敏度，增加讀取標簽的距離，本次設計的檢波二極管并非如圖所示的單個二極管，而是使用了AVAGO公司的串聯(lián)二極管組成的全波整流電路，如圖4所示是設計中使用的檢波電路，這種電路相比使用單個檢波二極管其輸出電壓可以增加一倍[4]。

圖4 RF檢波電路Fig.4 Radio-requency detector

如圖4中所示，C1作為耦合電容可以將讀寫器發(fā)送的載波信號以及標簽返回的信號耦合到檢波電路。因為標簽返回的信號與讀寫器發(fā)送的載波信號同頻，故耦合的少量載波信號可以作為二極管混頻器的本征信號，正好實現(xiàn)將標簽返回的信號下變頻至基帶信號。電阻R一方面提供了電流通路，另外一方面他可以使整個檢波電路輸入阻抗與50 Ω傳輸線失配以減小讀寫器發(fā)送射頻信號在傳輸線上的衰減。電感L和電容C2構成了一個無源低通濾波器抑制高頻信號對后續(xù)電路的影響。在遠距離通信時，標簽返回到讀寫器的信號非常小，振幅甚至低于1 mV，如此小的信號我們必須要放大以后才能予以處理。為了降低成本，采用分立的BJT晶體管搭建了兩級差分放大器，實現(xiàn)了將近60 dB的增益放大，并且擁有較好的信噪比。放大后的模擬信號需要經過模數轉換才能提供給微處理器進行基帶信號處理，我們使用了一個比較器通過設置合適的閾值實現(xiàn)了模數轉換。由于電路以及周圍環(huán)境的干擾和噪聲，通過比較器的模擬波形必然受到影響，導致比較器輸出的數字波形存在毛刺。為了解決這個問題，我們在第一級比較器之后加上一個無源低通濾波器，并將輸出接入一個遲滯比較器，很好的解決了干擾問題，獲得MPU可以正確解碼的數字波形。

2.3 基帶處理部分

實際上，對于一個讀寫器集成芯片來說，其協(xié)議處理和編解碼模塊都是集成在芯片內部的。然而對于分立元件搭建的讀寫器來說，可以使用微處理器或DSP等芯片利用軟件的辦法來實現(xiàn)協(xié)議的處理和編解碼，這樣大大降低了硬件系統(tǒng)的復雜程度，同時降低了設計成本。當然，選擇微處理器時首先得考慮到的是其處理速度以及存儲器容量，因為根據協(xié)議的要求，通信鏈路信號的基帶頻率最高可達640 kHz，處理器在接收通信數據的同時還要運行各種算法實現(xiàn)通道選擇、編解碼和協(xié)議處理等操作，如果處理器的運算速度不夠快將不能滿足的需求。根據實際設計，考慮成本或性能因素時可靈活選擇。本次設計我們使用了STM32F207微處理器芯片，在通信鏈路頻率為80 kHz時能夠很好的工作，且提供了整個讀寫器系統(tǒng)的控制信號。

2.4 電源部分

由于本讀寫器系統(tǒng)應用于UHF頻段，噪聲是考慮的重中之重，為了減少不必要的干擾，我們犧牲了一定的電源效率，全部利用LDO電源方案而不使用開關電源方案，實現(xiàn)也相對較為簡單，不再贅述。

3 讀寫器的軟件部分

通過合理設計的軟件可以幫助我們很好的降低成本和硬件系統(tǒng)的復雜度，在選取的處理器芯片上，設計了與硬件系統(tǒng)配套的軟件，其主要模塊如圖5所示，包括了系統(tǒng)控制模塊、協(xié)議處理模塊、編解碼模塊以及和上位機的接口通信模塊。

4 測試結果

為了驗證的設計，實際制作了這款讀寫器并進行了調試和測試，圖6所示是本次設計的讀寫器實物圖片。讀寫器工作在902～928 MHz，按照前述協(xié)議部分的介紹予以測試，天線口的輸出功率可達30 dBm，標簽在6 m左右可以穩(wěn)定讀取，最大可讀取8 m遠的標簽。對于協(xié)議中規(guī)定的多讀卡器環(huán)境以及多標簽環(huán)境的抗沖突均屬于軟件范疇，未予以測試。

圖5 軟件系統(tǒng)模塊結構Fig.5 The main modules of software system

圖6 讀寫器實物Fig.6 The real object of reader

5 結束語

實際上本次讀寫器的設計并未單純的追求低成本或者高性能，而是在兩者的矛盾中做了折中處理，但是已經能很好的滿足大多數應用需求。此設計更可以作為讀寫器設計的一個模板，根據不同的應用需求替換其中的關鍵元器件，無論從性能或者從成本上均可以設計滿足自己需求的產品。

[1]劉希杰.UHF頻段RFID讀寫器的設計[D].大連：大連理工大學，2007.

[2]EPC global.EPC radio-frequency identity protocols class-1 generation-2 UHF RFID protocol for communications at 860～960 MHz version 1.2.0[S].EPC global Standard Specification，2008.

[3]楊華.基于UHF的RFID讀寫器的設計[D].濟南：山東大學，2009.

[4]余堯.超高頻RFID讀寫器射頻前端的研究與設計[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[5]Landt J A，Almos L，mex N.Multichannel Homodyne Receiver[D].The United States of America，1982.

[6]ZHANG Jian-ming，XIE Ze-ming，LAI Sheng-li，et al.A Design of RF Receiving Circuit of RFID Reader[C]//International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings，2004.