陸中華

（北海職業(yè)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)北海市 536000）

1 背景與RFID介紹

電子標(biāo)簽即RFID 標(biāo)簽，是RFID 的俗稱。RFID 是Radio Frequency Identification（無(wú)線電射頻識(shí)別）的縮寫(xiě)。RFID 技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)信息更改自如等優(yōu)點(diǎn)。RFID 系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、天線和應(yīng)用軟件組成。其中，讀寫(xiě)器是RFID 系統(tǒng)的重要組成部分，其讀寫(xiě)靈敏度的高低在許多應(yīng)用場(chǎng)合要求較為嚴(yán)格，如標(biāo)簽生產(chǎn)環(huán)節(jié)的IC 綁定，lnlay 復(fù)合等，往往標(biāo)簽與標(biāo)簽的間距非常小，且伴有多排標(biāo)簽生產(chǎn)的批量化需求，讀寫(xiě)功率過(guò)大容易造成誤讀或串讀，過(guò)小則漏讀，因此，需要研究契合該應(yīng)用需求的方案，以提高生產(chǎn)效率。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 概述

一般的，超高頻讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)主要有兩種：第一，采用專用芯片如Impinj 的R1000/R2000 作為核心器件，但電源、信號(hào)調(diào)理、接口匹配等外圍電路需要搭建。第二，采用專用模組如ThingMagic的M5e、CAEN 的A528 等作為核心器件，外部提供電源，即可進(jìn)行通訊。對(duì)比過(guò)兩種方案后，方案2 的可行性和可靠性都較高，無(wú)須再花時(shí)間去做重復(fù)研究，將有限的時(shí)間花在項(xiàng)目應(yīng)用上。

在對(duì)A528 和M5e 的應(yīng)用研究中，也發(fā)現(xiàn)了一些不足，如A528 的射頻功率，可調(diào)范圍是10dBm-27dBm；M5e 的射頻功率，可調(diào)范圍是5dBm-30dBm。這些集成模組很少能實(shí)現(xiàn)全功率，即從0 到最大值（如30dbm）的功率調(diào)整且調(diào)準(zhǔn)刻度精細(xì)。鑒于這些模塊還需要匹配外部天線，當(dāng)對(duì)產(chǎn)線的多排且間距較小的電子標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，讀寫(xiě)準(zhǔn)確率就受影響，因此，筆者將從讀寫(xiě)器天線和外部衰減器上著手研究。

2.2 硬件系統(tǒng)框圖

RFID 讀寫(xiě)器母板用于將模塊進(jìn)一步封裝，并加入電源接口、通訊接口和數(shù)字衰減器等外圍電路；電源接口和通訊接口受控外部控制，該控制器可為單片機(jī)或PC 上位機(jī)，提供控制數(shù)字IO 端口和電源；數(shù)字衰減器處于極化天線和RFID模塊之間，屬于串聯(lián)方式，即串接衰減器，以達(dá)引入衰減值且保持匹配性完好，防止誤讀和串讀；RFID 線極化天線采用外擴(kuò)的方式，即使用RF 射頻線從母版RF 端口引出。

2.3 超高頻模組

圖1：硬件系統(tǒng)框圖

圖2：天線極化[2]

模組是讀寫(xiě)器的核心組件，因RFID 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器及設(shè)備多樣，各干擾信號(hào)具有很大的不確定性，因此選型模組時(shí)，其穩(wěn)定性是優(yōu)先考慮的重要因素，經(jīng)過(guò)篩選，本文設(shè)計(jì)選用CAEN 公司的A528B，該模組支持美標(biāo)FCC（902～928MHz）和歐標(biāo)ETSI（865.6～867.6MHz）兩種頻段，符合EPC C1G2，ISO18000-6C 協(xié)議，功率上支持10dBm～27dBm 范圍調(diào)整，一個(gè)RF 天線接口MMCX類型，UART 串口通訊，標(biāo)準(zhǔn)5V 供電[1]，體積緊湊，硬件上易于集成到RFID 母板上。

2.4 天線

圖3：AA226 引腳圖

圖4：功率調(diào)整流程圖

由于RFID 超高頻電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)個(gè)性化很多，標(biāo)簽間距不會(huì)一樣，有時(shí)大，有時(shí)又很小，因此要求讀卡器的天線設(shè)計(jì)滿足最小10mm 的間距設(shè)計(jì)，做到不竄讀。

根據(jù)天線技術(shù)得知，線極化天線：對(duì)于擺放方向高敏感性，能量更集中，提高讀取距離和穿透性；圓極化天線：對(duì)擺放方向不敏感，功率不集中。如圖2所示，經(jīng)過(guò)對(duì)比，線極化天線更適合于超高頻排版設(shè)計(jì)這種標(biāo)簽排列密度較大，且敏感性高的場(chǎng)合。對(duì)于標(biāo)簽間距足夠大的場(chǎng)合，使用圓極化天線提升讀卡的成功率，這個(gè)應(yīng)用不在本篇討論的范圍之內(nèi)。

根據(jù)對(duì)市面上RFID 超高頻讀寫(xiě)器天線的選型，以陶瓷天線最多，應(yīng)用最廣，陶瓷天線的尺寸一般為四方型，尺寸大小有多種型號(hào)可選，根據(jù)筆者對(duì)陶瓷天線的測(cè)試，其應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于單個(gè)標(biāo)簽的讀寫(xiě)是可以的，或單從增大讀寫(xiě)距離這個(gè)特點(diǎn)來(lái)看也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但對(duì)于RFID 產(chǎn)線上的這種應(yīng)用場(chǎng)合，電子標(biāo)簽排列緊湊和間距小的特點(diǎn)，陶瓷天線就不能適用了，然而針對(duì)這種個(gè)性化的的應(yīng)用，行業(yè)存在普遍的認(rèn)識(shí)，這種天線不通用且用量少，很少有技術(shù)人員去專門花費(fèi)成本去設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)這樣一種適用于產(chǎn)線的線極化天線是具有一定的挑戰(zhàn)性。為了減低成本，采用PCB 的布板方式是不錯(cuò)的選擇，對(duì)于天線的RF 端口，阻抗匹配，駐波比也是要重點(diǎn)考慮的參數(shù)，一般取駐波比為小于等于1.5，若該參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)大，則射頻能量的反饋將造成讀寫(xiě)器的損壞。

最大輸出輻射功率計(jì)算，

EIRP=傳導(dǎo)功率（dBm）+天線增益（dBi）-饋線損耗（dB）

注：饋線損耗常規(guī)是0.5db/m。

2.5 數(shù)字衰減器

數(shù)字衰減器的應(yīng)用使得軟件調(diào)整功率成為可能，本文選用Alpha 公司的AA226 芯片，其引腳如圖3所示。

根據(jù)真值表，對(duì)V1～V4 的I/O 配置高低電平，可在J1-J2 輸出1～15dB 的衰減數(shù)值輸出，實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)功率精確調(diào)整，在電路設(shè)計(jì)中，設(shè)置電平參數(shù)高電平VH=1，低電平VL=0，則

當(dāng)V1=V2=V3=1，V4=0 時(shí)，輸出1dB；

當(dāng)V1=V2=V4=1，V3=0 時(shí)，輸出2dB；

當(dāng)V1=V3=V4=1，V2=0 時(shí)，輸出4dB；

當(dāng)V2=V3=V4=1，V1=0 時(shí)，輸出8dB；

當(dāng)V1=V2=V3=V4=0 時(shí)，輸出15dB；[3]

將以上電平作邏輯組合，如將設(shè)置V1=V2=1，V3=V4=0，就能實(shí)現(xiàn)功率設(shè)置為3dB，其他與此同理，不再贅述。

3 軟件設(shè)計(jì)

外部控制器可采用單片機(jī)、嵌入式處理器或PC 控制等，以STM32 嵌入式控制為例，

程序運(yùn)行時(shí)先要對(duì)GPIO進(jìn)行端口初始化，并開(kāi)啟定時(shí)器，中斷，串口等片內(nèi)資源，通過(guò)串口指令操作模組調(diào)整功率和頻率，并通過(guò)相關(guān)I/O 控制高低電平，以調(diào)整數(shù)字衰減器的數(shù)值。經(jīng)過(guò)多次的參數(shù)調(diào)整，就能找到一個(gè)合適的讀寫(xiě)功率參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的精確讀寫(xiě)。

在實(shí)際的讀寫(xiě)功率參數(shù)調(diào)整中，一般都要配合讀寫(xiě)器天線的安裝位置，依據(jù)電子標(biāo)簽和天線表面的距離dis 來(lái)調(diào)整，如某種電子標(biāo)簽的天線設(shè)計(jì)較大，可將dis 增大一些達(dá)到較好的電磁能量傳輸而不誤讀到其他標(biāo)簽，但當(dāng)某種電子標(biāo)簽的天線設(shè)計(jì)較小，就需要將dis 減小以使讀寫(xiě)器天線貼近電子標(biāo)簽，同時(shí)軟件調(diào)整功率值。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)運(yùn)用于產(chǎn)線上的超高頻讀寫(xiě)器，因受電子標(biāo)簽的排列方式，標(biāo)簽類型，機(jī)器運(yùn)行速度，以及產(chǎn)品安裝，信號(hào)干擾等因素，在設(shè)計(jì)上就需要反復(fù)權(quán)衡，它的特點(diǎn)是要求在滿足一定速度的前提下，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行精確讀寫(xiě)，在項(xiàng)目訂單緊張時(shí)，機(jī)器機(jī)會(huì)24 小時(shí)不間斷運(yùn)行以保證產(chǎn)量，因此對(duì)硬件長(zhǎng)時(shí)間工作提出嚴(yán)峻的技術(shù)要求。本文方案已在RFID 芯片綁定機(jī)和inlay 復(fù)合機(jī)等產(chǎn)線上做了大量線上測(cè)試，運(yùn)行效果較為穩(wěn)定。