金佳駿，錢松榮

0 引言

RFID（Radio Frequency Identification）射頻識別技術(shù)，是自動識別技術(shù)的一種，以電磁場或電磁波為傳輸手段，完成非接觸式的雙向通信，對目標加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。RFID技術(shù)根據(jù)使用頻率的不同，基本上可以分為4類：低頻（低于 135kHz）、高頻（13.56MHz）、超高頻（860-960MHz）和微波（2.45GHz）。不同頻段的RFID系統(tǒng)由于各頻率自身特性的不同，其應(yīng)用領(lǐng)域也各有不同[1]。低頻RFID系統(tǒng)的最大的優(yōu)點在于低頻頻段具有很強的場穿透性，可以穿透液體、人體組織、建筑物等，標簽識別性能不受環(huán)境影響。因此，低頻RFID系統(tǒng)可以在需要良好的場穿透性的環(huán)境下良好工作。

現(xiàn)有的低頻RFID讀卡器識別距離普遍在10cm以內(nèi)[2][3]，且工作在單天線模式下，覆蓋范圍很小，大大制約了低頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展。針對現(xiàn)有低頻RFID讀卡器的不足，本文提出了一種多天線大功率低頻 RFID讀卡器的設(shè)計方案，通過同時引入多天線和大功率兩種技術(shù)，多天線技術(shù)提升了讀卡器的物理擴展范圍，大功率提升了讀卡器的單天線讀取性能。多天線與大功率技術(shù)的結(jié)合能夠有效提升低頻 RFID讀卡器的識別范圍，對提高低頻RFID系統(tǒng)的工作性能和功能擴展具有十分重要的意義。

1 讀卡器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多天線低頻大功率RFID讀卡器的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示：

圖1 多天線低頻大功率RFID讀卡器結(jié)構(gòu)框圖

整個多天線低頻大功率RFID讀卡器可以包含多個讀取通道，每個讀取通道都有獨立的大功率射頻模塊，它們在同一個單片機的程序控制之下協(xié)調(diào)工作。多天線讀卡器各讀取通道的之間的協(xié)同工作模式可以根據(jù)實際應(yīng)用場景和應(yīng)用需求的不同而做相應(yīng)的調(diào)整，便于實際應(yīng)用。每個讀取通道的解碼工作都由單片機來完成。讀卡器會通過串口電路與上位機之間進行數(shù)據(jù)通信，可以接收上位機發(fā)來的控制指令，也可以將讀取到的標簽信息上傳至上位機。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 ATmega64主控制芯片

本讀卡器系統(tǒng)選用的是ATMEL公司型號為ATmega64的AVR系列低功耗8位單片機作為主控制芯片。該款單片機具有先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，數(shù)據(jù)吞吐率高達 1MIPS/MHz。該款單片機片內(nèi)集成了包括：兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的 8位定時器/計數(shù)器；兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的擴展16位定時器/計數(shù)器；8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC；面向字節(jié)的I2C接口；可編程的串行 UART接口；可工作于主機/從機模式的 SPI串行接口等外設(shè)資源。該主控制芯片完成讀卡器各讀取通道的選通控制、讀卡器解調(diào)波形的捕捉解碼以及讀卡器與上位機之間的數(shù)據(jù)通信控制。

2.2 多通道的大功率射頻模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

多天線低頻大功率讀卡器的每一路讀取通道都有獨立的大功率射頻模塊。為了實現(xiàn)遠距離讀取，讀卡器天線需要能夠給標簽提供足夠的場強，因此，需要通過功率放大器實現(xiàn)讀卡器天線發(fā)射功率的推動。讀卡器和標簽之間采用的是2ASK負載調(diào)制，可以使用結(jié)構(gòu)簡單的包絡(luò)檢波電路實現(xiàn)回波信號的解調(diào)，解調(diào)后的信號還將經(jīng)過放大和整形，最后送入單片機進行解碼工作，得到標簽信息。

各個讀取通道的載波發(fā)生電路和檢波解調(diào)放大電路是可以共用的，但是功率放大電路和天線負載都是獨立的。本讀卡器采用的多通道射頻模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 多通道的大功率射頻模塊結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2中可知，載波發(fā)生電路為后一級的功率放大器提供載波驅(qū)動信號，功率放大器為天線負載提供放大后的載波信號，經(jīng)過放大的載波被加載到天線上，通過天線負載向RFID電子標簽輸出足夠大的電磁場，為電子標簽提供能量，同時獲取標簽回復(fù)的數(shù)據(jù)信息，之后的檢波放大電路對回波信號進行檢波解調(diào)和整形放大，從中還原出有用的數(shù)據(jù)信號，該數(shù)據(jù)信號最終被送入單片機進行解碼。通過單片機來控制每一路讀取通道的接入。

2.3 功率放大電路和天線負載

每一個讀取通道內(nèi)的功率放大電路和天線負載的電路設(shè)計圖如圖3所示：

圖3 單通道內(nèi)功率放大電路與天線負載電路設(shè)計圖

Part1部分是功率放大電路，此處采用的是D類功率放大器。D類功率放大器與普通的線性功率放大器不同，它工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗很小，發(fā)射功率可以很容易得到提升，理論上效率可以達到100%，實際使用中的效率也可以在90%左右，D類功放的功率損耗主要來自于開關(guān)管本身的導(dǎo)通電阻、開關(guān)轉(zhuǎn)換器件的損耗和芯片自身的靜態(tài)功耗。介于 D類功率放大器良好的性能以及極高的效率[4]，最終采用D類功率放大器實現(xiàn)讀卡器射頻功率的推動。

Part2部分是功率放大器后級的T型匹配網(wǎng)絡(luò)，該匹配網(wǎng)絡(luò)對于整個射頻發(fā)射電路起到非常重要的作用，一個好的匹配網(wǎng)絡(luò)可以使功放的輸出級達到最大功率傳輸。此外，T型匹配網(wǎng)絡(luò)還起到濾波的作用，D類功放的輸出是方波，需要通過匹配網(wǎng)絡(luò)將方波濾為正弦波，然后才能加載到天線上。

Part3部分是天線負載電路。天線負載電路[5]的設(shè)計應(yīng)滿足以下特點：（1）流經(jīng)讀卡器天線線圈的電流需要達到一定的數(shù)值，天線線圈內(nèi)的電流越大，則發(fā)射功率越強，感應(yīng)距離也會越遠；（2）天線線圈需滿足一定的形狀要求，線圈圍成的面積大小滿足一定的尺寸，且線圈的匝數(shù)也要滿足一定條件；（3）天線與其附屬電路組成的諧振回路需要盡可能接近諧振狀態(tài)。本讀卡器系統(tǒng)中，天線線圈由利茲線繞制，利茲線是一種由多股漆包線并繞的線材，能夠有效減少集膚效應(yīng)，線圈內(nèi)阻很小，因此線圈內(nèi)的電流可以非常高。線圈電感為10uH，品質(zhì)因數(shù)Q值約為100，Q值的大小會影響讀卡器的讀寫距離。C6、C7、C8與天線線圈組成一個串并聯(lián)諧振回路，C6和C8取相等的電容值，以使天線線圈兩端到地的正弦電壓幅度相等，相位相反，能夠使得通過天線線圈的電流值增加一倍[6]。

Port1端連接單片機的控制端口，可以控制這一路大功率射頻電路的導(dǎo)通或關(guān)閉。當(dāng) Port1端接高電平時，MOS管Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)，射頻模塊接入9V電源并正常工作；當(dāng)Port1端接低電平時，Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，射頻模塊與電源斷開，電路也停止工作。通過控制Port1端的電平值，單片機能夠?qū)Χ嗤ǖ郎漕l模塊進行選擇性導(dǎo)通，從而實現(xiàn)多天線控制。Port2端接入載波發(fā)生電路生成的信號載波。

3 讀卡器軟件設(shè)計

讀卡器軟件部分其實就是單片機的軟件程序設(shè)計。本讀卡器中的單片機程序主要實現(xiàn)兩個功能：解調(diào)信號的波形捕捉和解碼和多天線的輪詢讀取控制。

3.1 解調(diào)信號的波形捕捉和解碼

讀卡器利用ATmega64單片機的輸入捕捉功能進行波形捕捉和解碼，其流程如圖4所示：

圖4 輸入捕捉中斷程序流程圖

ATmega64單片機的 T/C1（定時器/計數(shù)器）的輸入捕捉單元可用于精確捕捉一個外部事件的發(fā)生，并記錄下該事件發(fā)生的時間印記。通過設(shè)置寄存器 TCCR1B的第 6位ICES1可以設(shè)定輸入捕捉信號的觸發(fā)方式是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)，當(dāng)一個輸入捕捉事件發(fā)生時，T/C1計數(shù)器的寄存器 TCNT1中的計數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器 ICR1中，并置位輸入捕獲標志位 ICF1，產(chǎn)生中斷申請，觸發(fā)輸入捕捉中斷程序。輸入捕捉中斷程序?qū)⑤斎氩蹲郊拇嫫鱅CR1內(nèi)的計數(shù)值和上一次中斷程序觸發(fā)時記錄下來的計數(shù)值time_cap相比較，得到此次捕捉到的波形的長度，通過判斷當(dāng)前輸入捕捉事件是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)，得到此次捕捉到的波形是高電平還是低電平，捕捉到的電平的數(shù)據(jù)會被存入數(shù)組data[]（高電平存為正值，低電平存為負值），最后中斷程序會將輸入捕捉的觸發(fā)沿反轉(zhuǎn)并等待下一個輸入捕捉事件的到來。當(dāng)所有標簽數(shù)據(jù)波形被接收到之后，單片機主程序會根據(jù)電子標簽的數(shù)據(jù)編碼方式對數(shù)組data[]內(nèi)的波形數(shù)據(jù)進行解碼，常用的數(shù)據(jù)編碼方式有曼徹斯特編碼、Bi-phase編碼和PSK編碼等。

3.2 多天線輪詢讀取機制

單片機會輪流控制多路通道的選通。由于每一路通道都共用檢波放大電路，為了防止不同讀取通道之間的干擾沖突，同一時刻只有1路通道會被選通，剩下通道將處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)某一路通道被選通并且讀取到了標簽 ID，單片機會將讀取到的標簽信息進行解碼，并上傳至上位機。通過輪詢讀取機制，讀卡器的多個通道采用時分工作模式，雖然每一路通道只在一個時隙內(nèi)工作，但是并不會影響最終的標簽讀取的效果。

讀卡器的多天線輪詢讀取機制的軟件流程圖如圖 5所示：

圖5 多天線輪詢讀取機制軟件流程圖

整個多天線輪詢讀取流程如下：

（1）讀卡器上電復(fù)位后，完成單片機系統(tǒng)的初始化，包括I/O口狀態(tài)設(shè)置、計數(shù)器T/C初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD初始化、UART端口初始化等等；

（2）通過I/O口控制某1路讀取通道處于選通狀態(tài)，另外的路讀取通道都處于關(guān)閉狀態(tài)；

（3）如果在當(dāng)前讀取通道選通狀態(tài)下沒有能夠讀取到標簽 ID，單片機將控制選通下一路讀取通道，并再次嘗試讀取標簽ID；

（4）當(dāng)讀卡器能夠正確讀取到標簽ID，單片機將會把讀取到的標簽ID封裝成一定的數(shù)據(jù)幀格式，并通過串口發(fā)送至上位機。

（5）數(shù)據(jù)上傳完成之后，讀卡器將繼續(xù)等到下一個標簽的到來。

4 功能測試

為了驗證讀卡器的性能和功能，需要對讀卡器進行測試，讀卡器對 EM4100標簽進行讀取時的讀卡器電路實測波形如圖6所示：

圖6 讀卡器電路測試結(jié)果

圖 6（a）為讀卡器工作時天線負載兩端的電壓波形，天線負載電壓達到了 42.37V，此時的讀卡器輸出功率約為2w。圖 6（b）是檢波解調(diào)并整形放大后到的標簽曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)波形，可以看到該波形質(zhì)量還是比較高的，能夠被單片機捕捉并解碼。

然后對讀卡器標簽的識別距離進行測試。測試中，在每個測試距離讀卡50次，由近及遠依次測試，同時，對一臺現(xiàn)有的小功率低頻RFID讀卡器進行距離讀取測試作為對比，測試結(jié)果如表1所示：

表1 讀卡器標簽讀取對比測試結(jié)果

分析測試結(jié)果，多天線大功率RFID讀卡器的有效識別距離可以達到是40厘米，而普通低頻讀卡器的有效識別距離不到10厘米，多天線大功率讀卡器能夠?qū)崿F(xiàn)標簽的遠距離讀取。

另外，通過表1的標簽讀取測試結(jié)果可以看到，在多天線大功率RFID讀卡器的有效識別距離內(nèi)，讀卡器標簽讀取的可靠性是很高的，能夠滿足實際應(yīng)用中標簽數(shù)據(jù)讀取的可靠性要求。

5 總結(jié)

本文提出的多天線大功率低頻RFID讀卡器，通過多天線技術(shù)擴大讀卡器的物理擴展范圍，利用大功率技術(shù)提升單天線的識別距離，大大增強了低頻RFID讀卡器的識別能力。在設(shè)計與調(diào)試完成后，讀卡器的輸出功率可以達到2W，識別距離達到 40cm，再結(jié)合多天線輪詢讀取技術(shù)，單臺讀卡器就能夠覆蓋很大的一片范圍，低頻讀卡器的讀取能力得到了大幅提升。多天線大功率低頻RFID讀卡器能夠使用在諸如水族館水族箱、水產(chǎn)養(yǎng)殖、石油鉆探等領(lǐng)域中，低頻系統(tǒng)可以在這些地方發(fā)揮低頻場穿透性好的優(yōu)勢，讀卡器的遠距離讀取能力又可以彌補普通低頻讀卡器讀取距離不足的問題。在實際使用中，在讀卡器封裝設(shè)計上，要注意防水防潮以及散熱的問題，確保讀卡器工作時的安全性。多天線大功率低頻RFID讀卡器的出現(xiàn)能夠促進低頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展，使得低頻RFID系統(tǒng)出現(xiàn)在更多的使用場景中。

[1] Want R. An introduction to RFID technology[J]. Pervasive Computing IEEE, 2006, 5(1):25 - 33.

[2] 張建文,王懷平. 125kHz低頻RFID讀寫器設(shè)計[J]. 軟件工程師,2014,04:52-54.

[3] 李輝. 一種低頻 RFID讀卡器的實用前端系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2014,01:65-67.

[4] Himmelstoss F A, Edelmoser K H. High dynamic class-D power amplifier[J]. Consumer Electronics IEEE Transactions on, 1998, 44(4):1329 - 1333.

[5] 谷建明,楊光永. 125kHz射頻卡讀卡器的天線設(shè)計[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,01:15-17.

[6] 朱海龍, 賴曉錚, 戴宏躍等. 一種長距離LF RFID閱讀器前端電路的構(gòu)型分析[J]. 電測與儀表, 2008,45(5):52-56.