趙夢軍，戴爾晗，徐君，陳誠，周順利

　　（南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023）

　　摘要：設計一種射頻識別讀寫器，包括射頻收發(fā)芯片、巴倫電路、功率放大電路、衰減器、低通濾波器、耦合器、收發(fā)天線、微控制器模塊、RS232接口和USB接口。該射頻識別讀寫器通過優(yōu)化電路的設計以及相關組件、電路和模塊的合理選型，使得整個射頻識別讀寫器的工作穩(wěn)定，能夠準確地進行信息讀取，應用范圍廣，實用性強。

　　關鍵詞：射頻識別；讀寫器；多接口

0引言

　　傳統(tǒng)的自動識別技術，尤其以條形碼技術為典型代表，無論在商業(yè)領域還是在物流、金融等領域，得到了廣泛的應用，成為一種重要的信息采集手段。其符號表示方法已從一維條碼發(fā)展到二維條碼，但條碼技術存在一些技術缺陷，如安全性低、信息無法更改、信息讀取速度慢、通信與抗干擾能力差等。此外，條碼識別技術在多目標識別及圖1讀寫器硬件系統(tǒng)結構示意圖高速目標識別方面完全無用武之地，使得條碼技術的應用存在很大的限制，已經(jīng)不能滿足當前的應用需求。根據(jù)上述出現(xiàn)的問題，射頻讀寫器應運而生。射頻讀寫器以其讀寫速率快、識別距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗電磁干擾能力強、使用壽命長等優(yōu)勢，在生產管理等方面得到了廣泛應用。

　　射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術，該技術通過空間耦合來實現(xiàn)信息的傳遞，并且通過傳遞的信息來達到信息識別的目的。高速傳遞且距離遠是射頻識別系統(tǒng)的優(yōu)點，因此，該技術非常適用于運輸、交通以及物流等領域［1］。

　　在應用實例中，產品上要附有標簽，射頻識別讀寫器從這個標簽上讀取信息。當讀寫器處于正常工作狀態(tài)時，讀寫器發(fā)射天線產生的電磁場被耦合到標簽上，標簽利用這種耦合能量來驅動電路，然后，將處理后的信息再次以電磁場的形式耦合到讀寫器的接收天線，從而被讀寫器接收處理。

1硬件電路設計

　　射頻識別讀寫器的硬件包括射頻收發(fā)芯片、巴倫電路、功率放大電路、衰減器、低通濾波器、耦合器、收發(fā)天線、微控制器模塊、RS232接口和USB接口［24］。整個系統(tǒng)的示例性結構示意圖如圖1所示。

　　1.1微控制器模塊及接口設計

　　微控制器模塊采用C8051F340作為核心芯片，要實現(xiàn)的主要功能是控制射頻收發(fā)芯片工作模式，同時接收射頻收發(fā)芯片的信號，用于完成接口指令的接收和發(fā)送［5］。C8051F系列是美國得克薩斯州的Cygnal公司設計和制造的混合信號片上系統(tǒng)單片機，C8051F有一個可編程內部高頻振蕩器、一個可編程內部低頻振蕩器和一個外部振蕩器驅動電路。系統(tǒng)時鐘可以由外部振蕩器電路或任何一個內部振蕩器提供。C8051F340芯片含有64 KB的片內Flash存儲器和4 352 B片內RAM，具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、電壓調整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，圖3射頻收發(fā)模塊電路原理圖該芯片是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)，用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設，以節(jié)省功耗。C8051F 340采用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。

　　微控制器最小系統(tǒng)主要由C8051F340芯片、3.3 V電源電路、復位電路、調試電路組成。與微控制器連接的接口有RS232接口和USB接口。電路原理圖如圖2所示。

　　1.2射頻收發(fā)模塊設計

　　射頻收發(fā)模塊采用AS3992作為核心芯片。AS3992是超高頻的RFID讀取芯片，它的接收靈敏度達到-86 dB，有著可編程的多讀寫器模式，在915 MHz頻段工作，可以同時支持ISO/IEC 180006B和ISO/IEC 180006C通信協(xié)議。芯片的集成度非常高，在其發(fā)射端主要集成了壓控振蕩器、混頻器、鎖相環(huán)、調制器和功率放大電路，芯片還支持協(xié)議處理的數(shù)字部分，用戶可以通過編譯程序來選擇功率放大電路的使用；在其接收端主要集成了混頻器、低噪聲放大器、中頻放大器和解調電路；另外，為了降低能耗，芯片采用了多種供電模式。這些都簡化了芯片外圍電路的設計，內部的協(xié)議處理也方便了應用開發(fā)［6］。

　　AS3992與C8051F340微控制器連接，射頻收發(fā)芯片AS3992用于接收微控制器模塊的指令，處于相應的工作模式，以接收和發(fā)射射頻信號。射頻收發(fā)模塊的原理圖如圖3所示。

　　1.3外置功率放大電路設計

　　射頻收發(fā)的芯片AS3992最大輸出功率超出功率放大芯片最小允許輸入功率，為確保功率放大芯片安全工作，在功放前級中要加入衰減器。為提高信號的功率和增益的平坦度，采用兩級放大，前級功放采用芯片型號為SXB4089Z，后級功放采用芯片型號為MAAP007649000100［7］。射頻識別讀寫器中功率放大電路示意圖如圖4所示。

　　1.4巴倫電路設計

　　射頻收發(fā)芯片AS3992發(fā)射以及接收的都是差分信號，但是收發(fā)天線接收和發(fā)射的都是單端信號，巴倫電路就是用于將射頻收發(fā)芯片所發(fā)射的差分信號轉換為單端信號，以及將收發(fā)天線接收到的單端信號轉換為差分信號。

　　本文采用0900BL18B100巴倫天線信號調節(jié)器，其頻率范圍為800 MHz~1 000 MHz，工作溫度范圍為-40℃~85℃。巴倫電路的電路原理圖如圖5所示。

　　1.5收發(fā)天線、耦合器和低通濾波器設計

　　收發(fā)天線采用SMB直連器與耦合器連接，耦合器采用RCP890A05電橋耦合器，收發(fā)天線通過與耦合器的連接可以做到一根天線既可以發(fā)送信息又可以接收信息［8］。

　　低通濾波器采用型號為LFCN-1000+的濾波器，該濾波器是具有出色功率處理能力的小型濾波器，工作溫度穩(wěn)定，能夠過濾1 000 MHz以上的高頻信號。

　　收發(fā)天線、耦合器以及低通濾波器的電路原理圖如圖6所示。　

　　1.6電源模塊

　　根據(jù)芯片AS3992與C8051F340對電源的要求，本文選用奧地利微電子公司的升壓轉換器AS1340。AS1340的工作電壓是2.7~5.5 V，可提供2.7~50 V的可調節(jié)輸出電壓；AS1340可以支持自動省電模式，可提升在輕負載下的效率；此外，低功耗設計可將工作電流減少到僅30 μA，AS1340 還能提供具有輸出斷開功能的關斷模式，此時工作電流低于1 μA，AS1340 這種極低的功耗控制可大大延長電池的使用壽命。AS1340電路圖如圖7所示。

2結論

　　本設計以C8051F340為微處理器模塊核心，以AS3992為射頻收發(fā)模塊核心，同時，還有巴倫電路、功率放大/衰減電路、低通濾波器、耦合器以及收發(fā)天線，提供了一種工作穩(wěn)定、能夠準確地進行信息讀取的射頻識別讀寫器，該讀寫器具有遠距離、低成本、適用范圍廣、實用性強等優(yōu)點。本系統(tǒng)在無線電識別與裝置領域具有一定的理論和研究價值。

參考文獻

　?。?］ 吳永祥.射頻識別(RFID)技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望［J］.微計算機信息，2006,22(11):234236.

　?。?］ 李旭梅,黃俊,劉鴻.基于零中頻的聲表面波射頻識別收發(fā)機的設計［J］.電子技術與應用，2013,39(2):911.

　?。?］ 黃俊祥,陶維青.基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設計［J］.微型機與應用,2010,29(22): 1618.

　　［4］ 李冪.基于ISO180006C標準的UHF RFID讀寫器電路的設計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學,2010.

　?。?］ 王鐵流,吳丹丹,李成.基于C8051F320 USB接口的數(shù)據(jù)采集存儲電路［J］.電子產品世界，2006(12):101103.

　　［6］ 譚海燕,崔如春，肖志良，等.基于AS3990/AS3991的超高頻RFID讀寫器的設計［J］.電子技術應用, 2010，36(3):5456.

　?。?］ HAN S, KIN M S, KIM H C.A CMOS power amp lifier for UHFRFID reader systems［C］. 13th International Conference on Advanced Communication Technology,2011:5760.

　　［8］ 李寶山． 無源高頻RFID系統(tǒng)讀寫器天線的設計［J］.無線電工程，2008，38(5):3538．