摘  要： 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款小型化便攜式UHF RFID讀寫(xiě)器。采用Impinj公司的射頻收發(fā)芯片R1000作為核心芯片，并結(jié)合電源管理模塊、ARM7及其外圍電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工作頻率為860 MHz~960 MHz軟件可調(diào)，可兼容EPC global Gen2和ISO18000-6C兩種標(biāo)準(zhǔn)。在8 dBi天線下，該讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)3 m以上的讀寫(xiě)距離，并且可多標(biāo)簽讀寫(xiě)。
關(guān)鍵詞： UHF RFID； 讀寫(xiě)器； R1000； ARM7； 便攜式

    R1000芯片是Impinj公司的UHF RFID 便攜式讀寫(xiě)器核心模塊。R1000內(nèi)部集成了約90%以上的射頻收發(fā)系統(tǒng)所需的元件，采用Atmel公司的ARM7處理器AT91SAM7S256作為MCU，增加外部驅(qū)放芯片設(shè)計(jì)，可在8 dBi增益的天線下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定讀寫(xiě)距離3 m以上。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中，UHF RFID讀寫(xiě)器硬件部分設(shè)計(jì)主要包括三部分[1-2]： (1)R1000及外圍電路;(2)ARM7及外圍電路;(3)電源管理模塊。如圖1所示，R1000及其外圍電路完成射頻信號(hào)的收發(fā)、變頻、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的調(diào)制/解調(diào)；ARM7及其外圍電路對(duì)來(lái)自R1000或主機(jī)的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)協(xié)議功能，并提供對(duì)外的通信接口；電源管理模塊接收外部3.7 V DC輸入轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)其他模塊所需要的1.8 V、3.3 V、5 V，并提供相應(yīng)的帶負(fù)載能力。

1.1 R1000及其外圍電路
    R1000內(nèi)部集成了低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器、壓控振蕩器、本振、ADC/DAC、鎖相環(huán)和功放等多個(gè)功能模塊[3]。結(jié)合其外圍電路，R1000可完成射頻信號(hào)的發(fā)射和接收、混頻、濾波、調(diào)制解調(diào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    R1000工作于UHF ISM頻段(840 MHz~960 MHz)，結(jié)合簡(jiǎn)單的射頻前端電路,可實(shí)現(xiàn)完整的射頻收發(fā)功能。這些外圍電路主要包括：耦合器、外部功放、功率檢測(cè)以及溫度檢測(cè)模塊。
1.1.1 功率檢測(cè)與溫度檢測(cè)
    R1000可采用單天線或雙天線模式，根據(jù)實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)采用單天線模式。單天線前向、反向功率檢測(cè)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中的“功率檢測(cè)1”輸出的直流電平表示反向平均功率，而“功率檢測(cè)2”輸出的直流電平表示正向平均功率。如果正反向平均功率比較接近，且正向功率比較正常，說(shuō)明天線端阻抗失配比較嚴(yán)重，需要對(duì)電路進(jìn)行檢查。

    R1000的正常工作溫度范圍是-20℃～+75℃。為了了解R1000工作環(huán)境的溫度，本設(shè)計(jì)采用溫度檢測(cè)芯片對(duì)R1000芯片的工作環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，并由R1000內(nèi)部程序進(jìn)行處理，防止因極端環(huán)境溫度使R1000進(jìn)入異常工作狀態(tài)，甚至物理?yè)p壞。
1.1.2 耦合器設(shè)計(jì)
    經(jīng)過(guò)功放放大的射頻信號(hào)直接進(jìn)入耦合器。該信號(hào)經(jīng)過(guò)直通端進(jìn)入發(fā)射通道，正向耦合端的輸出信號(hào)用于前向功率檢測(cè)，而反向耦合端的信號(hào)用于檢測(cè)天線端的回波損耗。如圖3所示。
    (1)前向功率檢測(cè)主要是檢測(cè)功放輸出信號(hào)功率，然后按照本地UHF RFID協(xié)議相關(guān)規(guī)定進(jìn)行功率校正；也可以作為外部本振信號(hào)輸入，用于與接收的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生零中頻信號(hào)。具體的實(shí)現(xiàn)方法是：(1)功率檢測(cè)通過(guò)高阻跨接在耦合器的正向耦合端，通過(guò)電阻分壓和電容耦合，進(jìn)入功率對(duì)數(shù)檢測(cè)芯片，映射出相對(duì)應(yīng)的直流電壓值，輸入到ARM7，結(jié)合線路損耗計(jì)算得出功放輸出信號(hào)的功率。(2)耦合器的正向耦合端（Pin4）得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)定值衰減網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過(guò)單端轉(zhuǎn)差分信號(hào)，直接輸入到R1000，作為外部本振，并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行峰值功率檢測(cè)。
    (2)反向功率檢測(cè)主要是檢測(cè)天線的回波損耗（根據(jù)天線的回波損耗和輸入的功率，也可計(jì)算出天線發(fā)射出的功率，因此也稱(chēng)為發(fā)射功率檢測(cè)）。在天線端阻抗嚴(yán)重失配的情況下，ARM7將關(guān)閉功放電源，以保護(hù)功放不被損壞。具體檢測(cè)方法是：(1)功率檢測(cè)通過(guò)高阻跨接在耦合器的反向耦合端，通過(guò)電阻分壓和電容耦合，進(jìn)入功率對(duì)數(shù)檢測(cè)芯片，映射出相對(duì)應(yīng)的直流電壓值，輸入到R1000，結(jié)合線路損耗計(jì)算得出發(fā)射信號(hào)的功率。(2)耦合器的反向耦合端（Pin3）得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一組衰減網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過(guò)單端轉(zhuǎn)差分，直接輸入到R1000作為接收信號(hào)并且進(jìn)行接收信號(hào)的峰值功率檢測(cè)。
1.1.3 外部驅(qū)動(dòng)放大器設(shè)計(jì)
    由于R1000的輸出功率最大只有+14 dBm，通常其輸出功率為-6 dBm~+10 dBm。在這樣的發(fā)射功率下，系統(tǒng)對(duì)標(biāo)簽的讀取距離最大只有約30 cm。為了達(dá)到更遠(yuǎn)的讀取距離，需要在R1000的輸出端加上一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路模塊，結(jié)合R1000自身的發(fā)射功率調(diào)節(jié)功能，可以使該系統(tǒng)工作在不同使用場(chǎng)合的不同作用距離要求。
1.2 ARM7及其外圍電路
    根據(jù)R1000的應(yīng)用文檔說(shuō)明，本方案采用了ATMEL公司的ARM7芯片AT91SAM7S-256作為MCU，用來(lái)實(shí)現(xiàn)空中接口協(xié)議，完成調(diào)試功能，以及通過(guò)USB接口或UART口與上位機(jī)進(jìn)行通信[3]，如圖4所示。

    在系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)試時(shí)，首先將R1000底層驅(qū)動(dòng)程序的二進(jìn)制代碼通過(guò)JTAG接口,燒寫(xiě)到MCU內(nèi)部Flash中預(yù)先劃分的存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)。然后連接MCU和PC機(jī)之間的UART接口，在PC機(jī)的超級(jí)終端界面中，對(duì)MCU的通信協(xié)議和USB接口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置。如果配置成功，重新上電后，超級(jí)終端界面中將可以看到MCU與R1000之間簡(jiǎn)單的通信測(cè)試成功的打印信息。至此，MCU及其外圍電路調(diào)試完成，可以正常工作了。
1.3 電源管理模塊
    本文設(shè)計(jì)的UHF RFID讀寫(xiě)器核心模塊作為一個(gè)獨(dú)立功能模塊,可直接應(yīng)用在PC上或是嵌入到其他手持設(shè)備中，所以本設(shè)計(jì)的電源管理模塊所考慮的工作電壓是5 V的DC輸入或是手持電池輸入（3.7 V），再經(jīng)過(guò)內(nèi)部的電源模塊轉(zhuǎn)換成模塊所需要的各種電壓[5]，其中數(shù)字部分需要的電壓：1.8 V、3.3 V，射頻部分需要的電壓為1.8 V、3.3 V、5 V。
2 系統(tǒng)測(cè)試
    硬件電路完成后，為測(cè)試驅(qū)動(dòng)放大器的性能，以及最終獲得發(fā)射天線的信號(hào)功率譜(頻帶902 MHz~928 MHz），采用了矢量分析儀和頻譜儀等測(cè)試儀器。
    結(jié)果表明，該讀寫(xiě)器可在8 dBi天線下，實(shí)現(xiàn)3 m以上的讀寫(xiě)距離，實(shí)現(xiàn)了良好的性能。整個(gè)讀寫(xiě)器PCB尺寸為6.5 cm×4 cm，對(duì)外提供了USB2.0和UART等通信接口，可以很方便地嵌入到其他host設(shè)備尤其是便攜式設(shè)備中使用。
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