一种便携式超高频RFID读写器的设计

汪大卓,孙玲玲,蔡鹏鹏

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室,浙江杭州310018)

0 引 言

射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号的空间耦合和传输特性来实现双向数据通信从而实现目标识别[1]。RFID技术按照工作频率不同可分为低频(125kHz、134kHz)、高频(13.56MHz)、超高频(860—960MHz)、微波(2.4GHz以上)等几类。经过多年发展,高频RFID系统已经在日常生活中得到广泛应用,如二代身份证、公交卡等,超高频RFID系统与高频RFID系统相比,其优势在于通信距离远、速度快、抗干扰能力强,是目前RFID产业发展的热点。目前超高频RFID读写器多采用射频发射链路、射频接收链路、数字基带分开的3块典型电路来分开设计,所需要的元器件多达几百个,难以达到便携式RFID读写器的体积要求。本设计使用了符合ISO/IEC 18000-6B/6C技术规范的射频识别前端芯片AS3992[2],硬件部分包括射频收发链路、射频功放及收发隔离电路以及控制电路,可显著减少产品设计的复杂程序,降低成本。

1 读写器硬件结构设计

为了满足便携式RFID读写器的体积及功耗要求,本设计采用了收发链路一体化设计的RFID芯片AS3992作为系统的射频前端,采用带有USB接口的高速ARM处理器STM32F103VBT6作为系统的主控制器以及ISO/IEC 18000-6B协议的数字基带电路,系统的硬件结构图如图1所示：

图1 系统硬件架构

1.1 AS3992射频前端电路

RFID读写器芯片AS3992包括了完整的模拟前端电路以及ISO/IEC 18000-6C协议处理器,同时还集成了内部高性能VCO、密集阅读器模式(DRM)滤波器、发射链路预失真功能,其接收灵敏度也提高到了-78dBm。内部可配置VCO覆盖了从840—960MHz的频率范围,可用于世界范围内的超高频RFID标准,内含高度可配置的模拟前端,可工作于DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK调制模式。

AS3992的发射和接收链路需要外部提供一个稳定的时钟,用于发射链路产生载波、接收链路I/Q解调以及解调后的信号滤波,要求其精度高于10ppm,本系统采用了精度为2.5ppm的温补晶体振荡器DSB321SCA;为了减少片内电路产生的负载效应而带来的相位噪声,AS3992片内VCO工作在1 800MHz左右,再将其二分频至900MHz频段,经测试载波频率为915MHz时,系统的相位噪声在1kHz时为-80dBc/Hz,在7kHz时达到最大值-72dBc/Hz,至1MHz时已下降为-155 dBc/Hz,优秀的相位噪声特性使得当标签返回信号十分微弱时,接收链路仍然可能解调出正确的信号,以下为对接收链路进行的估算。

假设读写器工作于900MHz,根据Friis公式,当天线与标签距离在1—8m之间时无线信道的损耗L|dB∈[-31.5,-49.7],标签天线所接收到的能量[3]Ptag为：

式中PEIRP为读写器天线的等效全向辐射功率,最大36dBm,Gtag为标签天线的增益,设为0dBi。则标签天线接收到的能量P|dBm∈[4.5,-13.7],经标签反射回读写器前端的能量[3]为：

式中,α为标签反射能量与入射能量的比值,典型值为0.2。Greader为读写器的天线增益,典型值为6dBi。则Preader|dBm∈[-28,-64.4],为补偿读写器天线和标签天线之间的极化误差、多径衰落等影响,增加6dB左右的路径损耗裕量,则Preader|dBm∈[-34,-70.4]。AS3992的接收灵敏度最高达-78dBm,优于估算结果对读写器的要求,为了适应标签反向散射的不同信号强度,可通过调整AS3992内部的接收调整寄存器(地址为0x0A)中的ir＜1,0＞位来获得23dB的动态范围。

1.2 射频前端功率放大及信号隔离电路

为了支持更远的读写距离,本设计不使用内置的20dbm功率放大器,将AS3992设置为最大0dBm功率的高线性输出,使用RFMD公司的射频功率放大器SPA2118来放大发射信号的功率,SPA2118的工作频率为810—960MHz,覆盖了整个UHF RFID频率范围,其线性度高,且增益达到约33dB,1dB压缩点位29dBm,则输入功率只需要-4dBm时就可达到最大输出功率,AS3992的输出可直接驱动。射频前端的匹配、功率放大和信号隔离电路如图2所示：

图2 射频前端匹配、功率放大以及信号隔离电路

使用Agilent ADS软件对图2所示电路低通滤波器之前的部分电路进行仿真和优化,Balun和功率放大器S参数模型均采用生产商数据,此匹配及功率放大器电路915Mhz中心频点输出阻抗优化至Z=49.820+j1.392,在902—928MHz频段内增益仿真结果如表1所示：

表1 902—928MHz频段内增益仿真结果

将仿真结果回溯至电路图中,元器件取值如图2中标识,实际电路中因PCB参数引入误差,可微调Balun之前的器件参数实现更好的匹配,匹配程度可通过AS3992片内反射功率测量寄存器来反映。

2 读写器软件设计

AS3992与主控CPU通信可采用两种方式：并行方式,包括8bit数据、时钟CLK以及中断信号IRQ;串行方式,包括标准SPI接口以及中断信号IRQ,本设计采用了并行操作,可支持EPC数据链路的最快速率640kbps。AS3992集成了ISO/IEC 18000-6C协议处理器,在6C模式中控制流程较为简单,本文不再对此部分软件流程进行分析;当读写器工作于6B模式时,AS3992可通过直接模式来提供支持。

AS3992的直接模式分为两种：一种模式下输出未经解码的副载波数据流;另一种模式可先由ISO/IEC 18000-6C协议处理器中功能相同的FM0解码器进行解码,再输出经过解码之后的数据流。两种模式可通过协议控制寄存器(0x01)中的dir_mode位来进行切换。在两种模式下,发送数据均需要自行组帧、进行曼彻斯特编码以及计算CRC操作。一个典型的ISO/IEC 18000-6B协议[4]命令帧如图3所示：

图3 ISO/IEC 18000-6B命令帧格式

其中帧头和分隔符需要程序来生成,ISO/IEC 18000-6B规定帧头为9bit曼彻斯特编码0;分隔符采用协议规定的分隔符1(NRZ码格式的曼彻斯特码：1100 11 10 10)。按照ISO/IEC 18000-6B协议,对标签进行清点[5]时的流程如图4所示。

图4 对ISO/IEC 18000-6B标签进行清点的流程图

在控制流程中,最为关键的步骤为读取FIFO后,根据FIFO内容来判断下一步操作,如天线有效范围内存在多个标签同时响应,将产生碰撞,接收到的数据会产生CRC校验错误,发送Fail命令之后根据标志位选择是否根据协议调整参数,重复清点过程;另外AS3992进入直接模式发送指令之后,需延时后退出直接模式,在普通模式来接收ISO/IEC 18000-6B协议的数据,才能使用内置的解码器来输出数据流。

3 结束语

使用AS3992 RFID读写器前端芯片,设计了一种支持ISO/IEC 18000-6B/6C双协议的超高频RFID读写器,使用Tek RSA3408频谱分析仪实测读写器输出功率可达28dBm,邻信道功率抑制比及杂散均在ISO/IEC 18000-6协议限制范围之内;使用增益为8dBic的圆极化天线,对本设计的读写器进行性能测试,每次在天线正面的45°扇形区域随机取10个点读取RFID标签的EPC码(96bit),逐次增加距离,结果如表2所示：

表2 标签读取距离测试

测试结果表明,可在5m距离稳定读取Impinj Monza 3标准卡,取得了较好的效果。该设计在待机时可关闭功率放大器的供电,设置AS3992工作于待机模式,消耗电流仅5mA,通过USB或RS-232串行口来实现控制,可作为手持式RFID读写器中的射频通信模块。

[1]Klaus Finkenzeller.射频识别(RFID)技术[M].北京：电子工业出版社,2001：6-10.

[2]austriamicrosystems AG.AS3992 Datasheet[EB/OL].http：//www.austriamicrosystems.com/eng/Products/RF-Products/RFID/AS3992,2010-02-05.

[3]倪熔华.超高频射频识别读写器接收机载波消除射频前端的研究与设计[D].上海：复旦大学,2008：9-11.

[4]International Organizationfor Standardization.Information technology--Radio frequency identification for itemmanagement--Part 6：Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz[S].2006.

[5]高天宝,王敬超,张春,等.便携式RFID读写器的设计与实现[J].电子技术应用,2008,34(5)：56-58.