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(1.西安航天自動(dòng)化股份有限公司,陜西 西安 710065；2.陜西省物聯(lián)網(wǎng)與智能控制工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710065)

一種超高頻無源固定式RFID讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳瑞娜1,2，劉志剛1,2，張岐1,2

(1.西安航天自動(dòng)化股份有限公司,陜西 西安 710065；2.陜西省物聯(lián)網(wǎng)與智能控制工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710065)

設(shè)計(jì)了一種超高頻的無源固定式RFID讀寫器。闡述了固定式讀寫器的整體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及測試結(jié)果。詳細(xì)介紹了射頻發(fā)送與接收單元的電路結(jié)構(gòu)以及讀寫器模塊的軟件架構(gòu)等內(nèi)容。測試結(jié)果表明，該固定式讀寫器可滿足實(shí)際RFID應(yīng)用系統(tǒng)的需要。

超高頻;RFID;無源固定式讀寫器;ISO18000-6C(C1G2)協(xié)議

0 引言

射頻識別RFID(radio frequency identification)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)。RFID系統(tǒng)采用了無線電與雷達(dá)技術(shù)，數(shù)據(jù)交換不是通過電流的觸點(diǎn)接通而是通過電場與磁場，即通過無線的方式通信[1]。與其他的識別方式相比，射頻識別技術(shù)能對移動(dòng)的多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行識別，因而應(yīng)用更廣泛。

與目前大多數(shù)中高頻的RFID系統(tǒng)相比，UHF頻段(RFID系統(tǒng)[2]工作頻段為860～960MHz)所具有的遠(yuǎn)距離高速識別能力，以及其標(biāo)簽容量大、標(biāo)簽成本低、標(biāo)簽尺寸小等優(yōu)勢使其更加適合未來物流和供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供了可能[3]。當(dāng)前，各國所使用的頻段各不相同，在北美和南美，無源RFID頻段為902～928 MHz[4]，在中國，無源RFID頻段為840～845 MHz和920～925 MHz[5]。提出一種UHF頻段無源固定式射頻識別讀寫器，通過測試來驗(yàn)證設(shè)備的功能，可滿足實(shí)際RFID應(yīng)用系統(tǒng)的需要。

1 整體結(jié)構(gòu)

固定式讀寫器主要由天線、讀寫器模塊和主控模塊3部分組成。讀寫器模塊是由射頻單元和基帶單元2部分組成，射頻單元包括信號隔離裝置、發(fā)射單元和接收單元，基帶單元包括微控制器(MCU)及外部接口。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 射頻單元硬件設(shè)計(jì)

射頻單元由接收、發(fā)送2部分組成，接收部分主要負(fù)責(zé)將收到的標(biāo)簽信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，發(fā)射部分主要負(fù)責(zé)將數(shù)字信號調(diào)制成射頻信號并將射頻信號放大，并通過天線向外發(fā)射，射頻單元部分功能主要通過Impinj公司的R2000讀寫控制芯片來完成。

射頻發(fā)射單元由載波電路、調(diào)制電路和功率放大電路組成，原理圖如圖1所示，其中，載波和調(diào)制電路功能通過R2000芯片內(nèi)部來完成，經(jīng)R2000芯片處理后輸出的差分信號(平衡端)經(jīng)平衡/非平衡轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為非平衡端(單端)信號后接入功率放大電路，對輸出信號進(jìn)行功率放大后的射頻信號再輸出到天線。

射頻接收單元由低噪聲放大器、解調(diào)電路、低通濾波電路、差動(dòng)放大電路、幅度放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成，原理圖如圖2所示。該部分功能主要通過R2000芯片來完成，從天線接收到的射頻信號經(jīng)平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器后接入R2000芯片的RX_P和RX_N引腳，在R2000內(nèi)部進(jìn)行圖2所示的一系列處理后，輸出的數(shù)字信號接入到基帶單元，即完成一次射頻接收操作。

圖1 射頻發(fā)射單元

圖2 射頻接收單元

2.2 基帶單元硬件設(shè)計(jì)

基帶單元采用Atmel公司的AT91SAM7S256芯片作為MCU。通過串口接收主控模塊下發(fā)的控制命令和數(shù)據(jù)，向主控模塊發(fā)送接收的標(biāo)簽數(shù)據(jù)和執(zhí)行結(jié)果；向射頻單元發(fā)送標(biāo)簽控制信號；接收射頻單元返回的標(biāo)簽數(shù)據(jù)信號，對信號進(jìn)行解碼、校驗(yàn)；根據(jù)主控模塊的命令對讀寫器的配置信息進(jìn)行修改、查詢。其原理框圖如圖3所示。

圖3 基帶單元工作原理

2.3 主控模塊硬件設(shè)計(jì)

主控模塊采用ST公司的STM32F107芯片作為MCU，該芯片自帶以太網(wǎng)控制器，串口、USB OTG全速接口等豐富的外設(shè)接口，與PC機(jī)和讀寫器模塊之間的外、內(nèi)部通信連接簡單，從而降低了軟硬件的開發(fā)難度。

主控模塊內(nèi)部采用UART1的TX、RX和GND信號與讀寫器模塊的UART1的RX、TX和GND信號連接，從而通過串口來控制讀寫器模塊和接收讀寫器模塊的數(shù)據(jù)。

主控模塊的原理圖如圖4所示。主控模塊外部采用RS232、網(wǎng)絡(luò)接口或USB與PC機(jī)通信，接收PC機(jī)下發(fā)的控制命令和數(shù)據(jù)，向PC機(jī)發(fā)送接收的標(biāo)簽數(shù)據(jù)和執(zhí)行結(jié)果；根據(jù)PC機(jī)的命令對讀寫器的配置信息進(jìn)行修改、查詢。

圖4 主控模塊原理

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 讀寫器模塊的軟件設(shè)計(jì)

讀寫器模塊的軟件沒有操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了ISO18000-6C(C1G2)協(xié)議的所有細(xì)節(jié)部分，射頻控制等功能。主要包括狀態(tài)機(jī)、ISO18000-6C(C1G2)協(xié)議模塊、射頻控制模塊、固件升級模塊和R2000寄存器接口等。讀寫器模塊軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 讀寫器模塊軟件架構(gòu)

3.2 主控模塊的軟件設(shè)計(jì)

主控模塊的軟件主要包括μC/OS-II操作系統(tǒng)、LwIP協(xié)議棧移植、串口、以太網(wǎng)和USB等驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序等的設(shè)計(jì)。軟件總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6 主控模塊軟件總體架構(gòu)

應(yīng)用層主要包括固定式讀寫器的初始化、RFID參數(shù)設(shè)置、RFID讀標(biāo)簽、RFID寫標(biāo)簽、固定式讀寫器以太網(wǎng)和串口等參數(shù)的配置等模塊。

4 測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)，設(shè)置固定式讀寫器的頻率范圍為920～925 MHz，發(fā)射功率最大為30dBm，選用美國安捷倫(Agilent)公司的信號分析儀(MXA Signal Analyzer)對固定式RFID讀寫器的天線輸出射頻信號進(jìn)行抓取，設(shè)置信號分析儀的頻率范圍為900～930MHz，功率最大輸入為30dBm，結(jié)果如圖7所示。

圖7 固定式讀寫器天線輸出頻率及功率

由圖7可見，讀寫器的射頻輸出頻率為923.64 MHz，輸出功率為28.323 9 dBm，符合設(shè)計(jì)所規(guī)定的頻率范圍，由于該信號分析儀最大的輸入功率為30dBm。因此，在輸入前端加了功率衰減器，由此看到固定式讀寫器的輸出功率比30dBm略有衰減，符合設(shè)計(jì)要求。在PC機(jī)上編寫讀寫標(biāo)簽的測試軟件，經(jīng)測試，可正確讀寫電子標(biāo)簽。

5 結(jié)束語

分別從整體結(jié)構(gòu)、射頻單元硬件、基帶單元硬件、主控模塊硬件、讀寫器模塊軟件和主控模塊軟件等方面詳細(xì)闡述了UHF頻段無源固定式射頻識別讀寫器設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，最后通過測試來驗(yàn)證設(shè)備的功能。通過測試結(jié)果得知，UHF頻段固定式RFID讀寫器的輸出頻段以及輸出功率符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)驗(yàn)證能正確讀寫電子標(biāo)簽，可滿足實(shí)際RFID應(yīng)用系統(tǒng)的需要。

[1] Klaus Finkenzeller.射頻識別(RFID)技術(shù).2版[M].陳大才,譯.北京：電子工業(yè)出版社,2001.

[2] 劉禮白.物聯(lián)網(wǎng)與UHF RFID頻譜資源[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2010(8):1-5.

[3] 黃鵬,楊云志,李元忠.“物聯(lián)網(wǎng)”推動(dòng)RFID技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[J].電訊技術(shù),2010,50(3):85-88.

[4] 王英.UHF頻段RFID讀寫器研究與實(shí)現(xiàn)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[5] 信息產(chǎn)業(yè)部.800/900MHz頻段射頻識別(RFID)技術(shù)應(yīng)用規(guī)定(試行)[Z].2007.

Design and Implementation of a Fixed RFID Reader on UHF-band

WURuina1,2,LIUZhigang1,2,ZHANGQi1,2

(1.Xi’an Aerospace Automation Co.,Ltd.,Xi’an 710065,China;2.Shaanxi Engineering Research Center of Internet of Things and Intelligent Control,Xi’an 710065,China)

A passive fixed RFID reader of UHF band is presented.The structure,hardware, software and test results of the fixed reader are described in this paper.The circuit structures of radio frequency transmitting and receiving units and the software structure of fixed reader module are detailed.The test results show that the fixed reader can meet the needs of practical RFID applications.

UHF;RFID;passive fixed RFID reader;ISO18000-6C(C1G2) protocol

2014-08-14

TP391.4

A

1001-2257(2014)11-0049-03

吳瑞娜(1982-)，女，陜西綏德人，碩士，嵌入式軟件工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化及物聯(lián)網(wǎng)。