李林海 郭書軍 張文東

1.北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院, 北京市 100044

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所系統(tǒng)部, 山東 青島市 266555

1 概述

射頻識(shí)別（RFID）是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別身份的技術(shù)。利用空間電磁信號(hào)耦合原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的識(shí)別或數(shù)據(jù)交互，利用這種非接觸式雙向通信方式,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)固定資產(chǎn)、車輛、物流等領(lǐng)域內(nèi)對(duì)固定對(duì)象的追蹤和管理[1]。典型的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽和讀寫器兩部分組成，標(biāo)簽一般放置在需要識(shí)別的物體上，提供所需的數(shù)據(jù)信息；讀寫器利用反射波原理激活標(biāo)簽工作，對(duì)標(biāo)簽中的信息進(jìn)行讀寫等操作。

傳統(tǒng)臺(tái)式無(wú)線識(shí)別設(shè)備，因體積大、功耗高等缺點(diǎn)而逐漸被體積小、功耗低、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋銛y式設(shè)備所代替，在這里介紹一種基于ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的便攜式讀寫器設(shè)計(jì)，并給出RFID讀寫器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)。

2 讀寫器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

讀寫器采用奧地利微電子公司的AS3992專用收發(fā)器芯片作為射頻前段模塊，采用CYGNAL公司的C8051F340單片機(jī)作為讀寫器的主控模塊及ISO/IEC 18000-6C 協(xié)議的數(shù)字基帶處理模塊，并通過(guò)UART或USB與計(jì)算機(jī)（主機(jī)）進(jìn)行通信，讀寫器硬件系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 讀寫器硬件系統(tǒng)示意圖

射頻前端以AS3992為核心，主要功能包括接收來(lái)自主控單元的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議編碼、調(diào)制載波等；此外對(duì)接收的標(biāo)簽反射信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼、數(shù)據(jù)生成。硬件系統(tǒng)主要包括射頻前段電路、功率放大器電路、功率檢測(cè)電路、天線阻抗調(diào)諧電路等部分。

2.1 射頻前端電路

射頻前端采用讀寫器芯片AS3992,AS3992芯片包含模擬前端電路和ISO/IEC 18000-6C協(xié)議處理器,支持載波調(diào)制方式有ASK和PR-ASK兩種;其功率輸出有兩種方式,一種是低功率線性輸出模式,另一種為大功率輸出模式.

AS3992與主機(jī)通信采用并行方式，包括8bit數(shù)據(jù)、時(shí)鐘CLK以及中斷信號(hào)IRQ，本設(shè)計(jì)采用并行操作，可支持EPC數(shù)據(jù)鏈路最快速率640kbps。

根據(jù)Friis公式[3]，無(wú)線信道路徑損耗為：

其中為讀寫器天線的等效全向輻射功率，按照中國(guó)頻率規(guī)范規(guī)定其最大值為36dBm，為標(biāo)簽天線的增益，設(shè)為0dBi，則標(biāo)簽天線接收到的能量經(jīng)標(biāo)簽反射回讀寫器前端的能量

2.2 射頻放大器

AS3992選擇低功率高線性差分方式輸出，功率輸出不足，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，需要外接功率放大器電路獲得足夠的輸出功率。外接功率放大器采用RFMD公司的RFID功率放大器SPA2118ZDS，其主要特點(diǎn)是高增益、高效率，輸出功率在900MHz時(shí)高達(dá)33dBm，內(nèi)部集成兩級(jí)偏置電流增益控制，用于控制功率放大器的功率輸出。該放大器的主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示[4]。

表1 SPA2118ZDS主要參數(shù)指標(biāo)

在功率放大器中，1dB壓縮點(diǎn)定義為在輸出功率增加到一定值后，增益比線性增益降低1dB時(shí)的功率輸出值。定義輸入信號(hào)1dB壓縮點(diǎn)，線性增益則輸出信號(hào)1dB壓縮點(diǎn)定義為[5]：由上式可知，在增益大小為33dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)為29dBm的情況下，輸入1dB壓縮點(diǎn)為-3dBm。因此在設(shè)計(jì)中AS3992的工作方式選擇為低功率高線性輸出方式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)中對(duì)發(fā)射機(jī)的功率輸出要求。

2.3 功率檢測(cè)電路

讀寫器的輸出功率和設(shè)置功率應(yīng)一致，因此，需要反饋信號(hào)檢驗(yàn)輸出功率是否符合要求；發(fā)射信號(hào)大部分能量經(jīng)過(guò)定向耦合器直通端送至天線處，另外一部分信號(hào)經(jīng)定向耦合器耦合端反饋至功率檢測(cè)電路，該信號(hào)的強(qiáng)弱與發(fā)射信號(hào)大小成正比，通過(guò)檢測(cè)該信號(hào)即可測(cè)量出實(shí)際輸出功率。

采用MAX2208功率檢測(cè)芯片進(jìn)行功率檢測(cè)，MAX2208將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送至AS3992 ADC輸入端。假設(shè)電壓信號(hào)為A，定向耦合器耦合度則輸出功率

其中K為檢測(cè)信號(hào)幅度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)功率信號(hào)的轉(zhuǎn)換因子， 為功率檢測(cè)轉(zhuǎn)換因子。設(shè)置功率為，則輸出功率與設(shè)定功率差距 ：

根據(jù)的值可采用兩種方法進(jìn)行修正，第一種將AS3992的DAC輸出連接至功率放大器增益控制端，改變功率放大器的增益達(dá)到與設(shè)定功率輸出一致；當(dāng)?shù)谝环N修正方法不滿足要求時(shí)，可考慮第二種方法，微調(diào)AS3992的功率輸出，從而達(dá)到調(diào)整功率的目的。

讀寫器電路原理圖如圖2所示，其中圖2a為AS3992電路原理圖；圖2b為外部功率放大器、射頻功率檢測(cè)電路、定向耦合器電路、巴倫電路等。

圖2 讀寫器電路原理圖

2.4 天線阻抗調(diào)諧電路

射頻電路中射頻模塊的級(jí)聯(lián)一般都是與特性阻抗相同的微帶傳輸線（Z0一般是500hm）連接，因此，在射頻模塊與傳輸線之間需要進(jìn)行阻抗匹配。阻抗匹配的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面阻抗匹配后可向負(fù)載提供最大輸出功率；另一方面，UHF RFID讀寫器一般使用外接天線，外接天線的負(fù)載阻抗和駐波容易隨外部環(huán)境變化而變化[6]，造成讀寫器傳輸功率和接收靈敏度下降，阻抗匹配電路通過(guò)調(diào)諧可實(shí)現(xiàn)與天線的負(fù)載匹配，讀寫器的發(fā)射功率和駐波得到優(yōu)化。此外，根據(jù)自由空間射頻最大傳輸距離Friss計(jì)算公式

其中 為讀寫器的發(fā)射功率； 為讀寫器外接天線增益大小； 、 、 分別為無(wú)源標(biāo)簽的天線增益、傳輸系數(shù)、啟動(dòng)標(biāo)簽芯片工作的門限功率。由式（8）可知，提高讀寫器天線端發(fā)射功率Pt，可有效增加RFID系統(tǒng)的最大傳輸距離，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了微帶傳輸線和讀寫器天線之間的阻抗調(diào)諧電路，天線阻抗數(shù)字調(diào)諧電路如圖3所示。

圖3 天線阻抗數(shù)字調(diào)諧電路

天線阻抗調(diào)諧電路采用L C 諧振網(wǎng)絡(luò)，其中采用MAX1474數(shù)字可調(diào)電容作為分支臂中的調(diào)諧電容，電容調(diào)諧范圍[9]6.4pF-13.3pF。

AS3992內(nèi)部包含反射信號(hào)強(qiáng)度指示，通過(guò)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器測(cè)量接收機(jī)混頻器射頻輸出電平幅度，測(cè)量結(jié)果與射頻輸入信號(hào)強(qiáng)弱成正比。主控模塊通過(guò)串行接口與MAX1474進(jìn)行通信，并動(dòng)態(tài)調(diào)整MAX1474電容值大小，直至射頻反射信號(hào)強(qiáng)度指示測(cè)量結(jié)果最小。

3. 讀寫器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在UHFRFID讀寫器系統(tǒng)中，芯片AS3992提供射頻模擬信號(hào)前端處理和ISO/IEC 18000-6C協(xié)議處理功能，而AS3992與主控模塊的并行通信、ISO/IEC 18000-6C協(xié)議實(shí)現(xiàn)、標(biāo)簽防碰撞以及外部設(shè)備的通信均有主控模塊來(lái)完成。

3.1 基帶通信模塊

讀寫器與標(biāo)簽的通信功能均由主控模塊來(lái)完成，AS3992內(nèi)部包含三種格式通信協(xié)議，連續(xù)地址模式、非連續(xù)地址模式和命令模式，幀結(jié)構(gòu)圖如圖4所示；主控模塊軟件執(zhí)行完整的通信流程圖如圖5所示，主控模塊首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化和自檢工作，在UART程序內(nèi)完成對(duì)標(biāo)簽的讀寫、輪詢、選擇、鎖定、自毀等功能。

連續(xù)地址模式

圖4 AS3992與主控模塊通信幀結(jié)構(gòu)圖

圖5 射頻通信流程框圖

3.2 ISO/IEC 18000-6協(xié)議分析及對(duì)比

ISO/IEC18000是基于物品管理的RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),按照工作頻率可以分為七部分,Part1:全球通用頻率;Part2:135kHz以下頻率;Part3:13.56MHz;Part4:2.45GH z;Part5:5.8GHz;Part6:860-930MHz;Part7:433MHz[10]。其中ISO/IEC 18000-6規(guī)定的UHF是國(guó)際上RFID技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

ISO/IEC 18000-6標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種通信協(xié)議：Type A、Type B、Type C。三種協(xié)議的比較結(jié)果如表2所示。

表2 ISO/IEC 18000-6 三種通訊協(xié)議比較[11]

3.3 ISO/IEC 18000-6C防碰撞算法實(shí)現(xiàn)

在讀寫器對(duì)多標(biāo)簽場(chǎng)景進(jìn)行讀取操作時(shí)，會(huì)有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)的問(wèn)題出現(xiàn)，這種干擾叫碰撞，多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致此次標(biāo)簽讀取的失敗。因此需采取防碰撞算法來(lái)預(yù)防碰撞的發(fā)生，進(jìn)行防碰撞的控制算法主要有ALOHA法、輪詢法和二進(jìn)制算法。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)的ALOHA算法。時(shí)隙ALOHA[12]算法在ALOHA算法的基礎(chǔ)上將時(shí)間分成多個(gè)離散時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度T等于標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，標(biāo)簽在時(shí)隙的界點(diǎn)處發(fā)送數(shù)據(jù)。這種算法避免了原ALOHA算法中的沖突，使沖突期減少了一半，提高了信道利用率。利用時(shí)隙ALOHA算法，設(shè)計(jì)ISO/IEC 18000-6C算法流程如圖6所示。

圖6 ISO/IEC 18000-6C 算法流程

4 性能測(cè)試

使用泰克公司RSA3408B實(shí)時(shí)頻譜分析儀測(cè)試設(shè)計(jì)讀寫器，獲得讀寫器性能如表3所示。

表3 讀寫器性能

外接8dBi圓極化天線，設(shè)置讀寫器工作頻率900-920MHz，輸出功率30dBm，在天線方向圖覆蓋面積測(cè)試讀取標(biāo)簽成功率結(jié)果如表4所示。

表4 讀寫標(biāo)簽成功率

由表4可知，在距離3m內(nèi)，標(biāo)簽的識(shí)讀率可達(dá)到全部識(shí)別。

選用坤銳紙標(biāo)簽QS35-851450枚，測(cè)試加入防碰撞算法后，讀寫器讀標(biāo)簽數(shù)量的讀取率結(jié)果如表5所示（輸出功率30dB，距離2m，天線8dBi）。

表5 防沖突算法下的捕獲率

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，加入防碰撞算法后，標(biāo)簽識(shí)讀率提高約三分之一，有效改善了碰撞的干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采用AS3992前端芯片搭建的超高頻讀寫器系統(tǒng)，在讀寫器中增加功率檢測(cè)電路反饋功率信號(hào)，確保讀寫器輸出功率滿足設(shè)置需求；在負(fù)載天線阻抗和駐波等惡化條件下，天線阻抗調(diào)諧電路能確保讀寫器系統(tǒng)正常工作；在系統(tǒng)軟件內(nèi)加時(shí)隙ALOHA算法后，有效解決了多標(biāo)簽讀取的干擾問(wèn)題，提高了識(shí)讀率。在讀寫器靜默狀態(tài)下，工作電流僅有7mA，功耗較??；該讀寫器可通過(guò)RS232或USB與外界進(jìn)行交互通信。該讀寫器具有功耗低、體積小、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)硬件性能穩(wěn)定，軟件功能運(yùn)行良好。有效實(shí)現(xiàn)了射頻識(shí)別系統(tǒng)的便攜式設(shè)計(jì)。

[1]Klaus Finkenzeller. 射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社, 2001: 6-10

[2]Austriamicrosystems AG. AS3992 Datasheet [EB/OL]. http//www.ams.com/chi/Products/RF-Products/RFID/AS3992,2013:9-16.

[3]韓益鋒. 射頻識(shí)別讀寫器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 上海：復(fù)旦大學(xué),2005：75-80.

[4]RFMD US. SPA2118Z Datasheet [EB/OL]. http://www.rfmd.com/CS/Documents/SPA2118ZDS,2012:1.

[5]陳邦媛. 射頻通信電路[M]. 2版. 北京：科學(xué)出版社,2006:79-80.

[6]白興文,張亞君. 基于RFID天線阻抗自動(dòng)匹配技術(shù)的研究[J].電子器件,2010,33(2):205-208.

[7]袁煒,張春,王志華. 超高頻無(wú)源射頻標(biāo)簽的射頻接口設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2006,36(6):817-819,824.

[8]RAO K V S, NIKITIN P V,LAM S F. Antenna Design for UHF RFID tags: A review and a practical application[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2005,53(12):3870-3876.

[9]Maxim Integrated US. MAX1474 Datasheet[EB/OL]. http://china.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/2450,2009.10.26.

[10]ISO/IEC CD 18000-6, information Technology-Radio Frequency Identification(RFID)for item Managemant-Part6:Parameters for Air Interface Communications at 860-930MHz. 2002.

[11]劉宏偉,李成.ISO/IEC18000-6簡(jiǎn)析.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2007.7:19-20.

[12]禹士朋,范文兵,李建華,等. 超高頻RFID系統(tǒng)中的防碰撞算法研究[J]. 通信技術(shù), 2010,43(9):118-120