便携式超高频射频识别读写器设计

李林海 郭书军 张文东

1.北方工业大学信息工程学院, 北京市 100044

2.中国电子科技集团公司第四十一研究所系统部, 山东 青岛市 266555

1 概述

射频识别（RFID）是一种非接触式自动识别身份的技术。利用空间电磁信号耦合原理，实现对象的识别或数据交互，利用这种非接触式双向通信方式,可以实现对固定资产、车辆、物流等领域内对固定对象的追踪和管理[1]。典型的RFID系统由标签和读写器两部分组成，标签一般放置在需要识别的物体上，提供所需的数据信息；读写器利用反射波原理激活标签工作，对标签中的信息进行读写等操作。

传统台式无线识别设备，因体积大、功耗高等缺点而逐渐被体积小、功耗低、便于数据传输的便携式设备所代替，在这里介绍一种基于ISO/IEC18000-6C标准的便携式读写器设计，并给出RFID读写器系统硬件设计和软件流程设计。

2 读写器系统硬件设计

读写器采用奥地利微电子公司的AS3992专用收发器芯片作为射频前段模块，采用CYGNAL公司的C8051F340单片机作为读写器的主控模块及ISO/IEC 18000-6C 协议的数字基带处理模块，并通过UART或USB与计算机（主机）进行通信，读写器硬件系统示意图如图1所示。

图1 读写器硬件系统示意图

射频前端以AS3992为核心，主要功能包括接收来自主控单元的数据，并对接收的数据进行协议编码、调制载波等；此外对接收的标签反射信号进行解调、译码、数据生成。硬件系统主要包括射频前段电路、功率放大器电路、功率检测电路、天线阻抗调谐电路等部分。

2.1 射频前端电路

射频前端采用读写器芯片AS3992,AS3992芯片包含模拟前端电路和ISO/IEC 18000-6C协议处理器,支持载波调制方式有ASK和PR-ASK两种;其功率输出有两种方式,一种是低功率线性输出模式,另一种为大功率输出模式.

AS3992与主机通信采用并行方式，包括8bit数据、时钟CLK以及中断信号IRQ，本设计采用并行操作，可支持EPC数据链路最快速率640kbps。

根据Friis公式[3]，无线信道路径损耗为：

其中为读写器天线的等效全向辐射功率，按照中国频率规范规定其最大值为36dBm，为标签天线的增益，设为0dBi，则标签天线接收到的能量经标签反射回读写器前端的能量

2.2 射频放大器

AS3992选择低功率高线性差分方式输出，功率输出不足，难以实现远距离传输，需要外接功率放大器电路获得足够的输出功率。外接功率放大器采用RFMD公司的RFID功率放大器SPA2118ZDS，其主要特点是高增益、高效率，输出功率在900MHz时高达33dBm，内部集成两级偏置电流增益控制，用于控制功率放大器的功率输出。该放大器的主要参数指标如表1所示[4]。

表1 SPA2118ZDS主要参数指标

在功率放大器中，1dB压缩点定义为在输出功率增加到一定值后，增益比线性增益降低1dB时的功率输出值。定义输入信号1dB压缩点，线性增益则输出信号1dB压缩点定义为[5]：由上式可知，在增益大小为33dB，输出1dB压缩点为29dBm的情况下，输入1dB压缩点为-3dBm。因此在设计中AS3992的工作方式选择为低功率高线性输出方式，可实现远距离标签识别系统中对发射机的功率输出要求。

2.3 功率检测电路

读写器的输出功率和设置功率应一致，因此，需要反馈信号检验输出功率是否符合要求；发射信号大部分能量经过定向耦合器直通端送至天线处，另外一部分信号经定向耦合器耦合端反馈至功率检测电路，该信号的强弱与发射信号大小成正比，通过检测该信号即可测量出实际输出功率。

采用MAX2208功率检测芯片进行功率检测，MAX2208将射频信号转换为电压信号送至AS3992 ADC输入端。假设电压信号为A，定向耦合器耦合度则输出功率

其中K为检测信号幅度转换为对应功率信号的转换因子， 为功率检测转换因子。设置功率为，则输出功率与设定功率差距 ：

根据的值可采用两种方法进行修正，第一种将AS3992的DAC输出连接至功率放大器增益控制端，改变功率放大器的增益达到与设定功率输出一致；当第一种修正方法不满足要求时，可考虑第二种方法，微调AS3992的功率输出，从而达到调整功率的目的。

读写器电路原理图如图2所示，其中图2a为AS3992电路原理图；图2b为外部功率放大器、射频功率检测电路、定向耦合器电路、巴伦电路等。

图2 读写器电路原理图

2.4 天线阻抗调谐电路

射频电路中射频模块的级联一般都是与特性阻抗相同的微带传输线（Z0一般是500hm）连接，因此，在射频模块与传输线之间需要进行阻抗匹配。阻抗匹配的优点在于：一方面阻抗匹配后可向负载提供最大输出功率；另一方面，UHF RFID读写器一般使用外接天线，外接天线的负载阻抗和驻波容易随外部环境变化而变化[6]，造成读写器传输功率和接收灵敏度下降，阻抗匹配电路通过调谐可实现与天线的负载匹配，读写器的发射功率和驻波得到优化。此外，根据自由空间射频最大传输距离Friss计算公式

其中 为读写器的发射功率； 为读写器外接天线增益大小； 、 、 分别为无源标签的天线增益、传输系数、启动标签芯片工作的门限功率。由式（8）可知，提高读写器天线端发射功率Pt，可有效增加RFID系统的最大传输距离，系统设计了微带传输线和读写器天线之间的阻抗调谐电路，天线阻抗数字调谐电路如图3所示。

图3 天线阻抗数字调谐电路

天线阻抗调谐电路采用L C 谐振网络，其中采用MAX1474数字可调电容作为分支臂中的调谐电容，电容调谐范围[9]6.4pF-13.3pF。

AS3992内部包含反射信号强度指示，通过内部AD转换器测量接收机混频器射频输出电平幅度，测量结果与射频输入信号强弱成正比。主控模块通过串行接口与MAX1474进行通信，并动态调整MAX1474电容值大小，直至射频反射信号强度指示测量结果最小。

3. 读写器系统软件设计

在UHFRFID读写器系统中，芯片AS3992提供射频模拟信号前端处理和ISO/IEC 18000-6C协议处理功能，而AS3992与主控模块的并行通信、ISO/IEC 18000-6C协议实现、标签防碰撞以及外部设备的通信均有主控模块来完成。

3.1 基带通信模块

读写器与标签的通信功能均由主控模块来完成，AS3992内部包含三种格式通信协议，连续地址模式、非连续地址模式和命令模式，帧结构图如图4所示；主控模块软件执行完整的通信流程图如图5所示，主控模块首先进行系统初始化和自检工作，在UART程序内完成对标签的读写、轮询、选择、锁定、自毁等功能。

连续地址模式

图4 AS3992与主控模块通信帧结构图

图5 射频通信流程框图

3.2 ISO/IEC 18000-6协议分析及对比

ISO/IEC18000是基于物品管理的RFID国际标准,按照工作频率可以分为七部分,Part1:全球通用频率;Part2:135kHz以下频率;Part3:13.56MHz;Part4:2.45GH z;Part5:5.8GHz;Part6:860-930MHz;Part7:433MHz[10]。其中ISO/IEC 18000-6规定的UHF是国际上RFID技术研究的热点。

ISO/IEC 18000-6标准规定了三种通信协议：Type A、Type B、Type C。三种协议的比较结果如表2所示。

表2 ISO/IEC 18000-6 三种通讯协议比较[11]

3.3 ISO/IEC 18000-6C防碰撞算法实现

在读写器对多标签场景进行读取操作时，会有多个标签同时向读写器发送数据的问题出现，这种干扰叫碰撞，多个标签同时响应的结果会导致此次标签读取的失败。因此需采取防碰撞算法来预防碰撞的发生，进行防碰撞的控制算法主要有ALOHA法、轮询法和二进制算法。本设计采用改进的ALOHA算法。时隙ALOHA[12]算法在ALOHA算法的基础上将时间分成多个离散时隙，每个时隙长度T等于标签的数据帧长度，标签在时隙的界点处发送数据。这种算法避免了原ALOHA算法中的冲突，使冲突期减少了一半，提高了信道利用率。利用时隙ALOHA算法，设计ISO/IEC 18000-6C算法流程如图6所示。

图6 ISO/IEC 18000-6C 算法流程

4 性能测试

使用泰克公司RSA3408B实时频谱分析仪测试设计读写器，获得读写器性能如表3所示。

表3 读写器性能

外接8dBi圆极化天线，设置读写器工作频率900-920MHz，输出功率30dBm，在天线方向图覆盖面积测试读取标签成功率结果如表4所示。

表4 读写标签成功率

由表4可知，在距离3m内，标签的识读率可达到全部识别。

选用坤锐纸标签QS35-851450枚，测试加入防碰撞算法后，读写器读标签数量的读取率结果如表5所示（输出功率30dB，距离2m，天线8dBi）。

表5 防冲突算法下的捕获率

根据测试数据可知，加入防碰撞算法后，标签识读率提高约三分之一，有效改善了碰撞的干扰。

5 结束语

本文设计了一种采用AS3992前端芯片搭建的超高频读写器系统，在读写器中增加功率检测电路反馈功率信号，确保读写器输出功率满足设置需求；在负载天线阻抗和驻波等恶化条件下，天线阻抗调谐电路能确保读写器系统正常工作；在系统软件内加时隙ALOHA算法后，有效解决了多标签读取的干扰问题，提高了识读率。在读写器静默状态下，工作电流仅有7mA，功耗较小；该读写器可通过RS232或USB与外界进行交互通信。该读写器具有功耗低、体积小、接口丰富等优点，经试验表明，系统硬件性能稳定，软件功能运行良好。有效实现了射频识别系统的便携式设计。

[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.ams.com/chi/Products/RF-Products/RFID/AS3992,2013:9-16.

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[5]陈邦媛. 射频通信电路[M]. 2版. 北京：科学出版社,2006:79-80.

[6]白兴文,张亚君. 基于RFID天线阻抗自动匹配技术的研究[J].电子器件,2010,33(2):205-208.

[7]袁炜,张春,王志华. 超高频无源射频标签的射频接口设计[J].微电子学,2006,36(6):817-819,824.

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[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]刘宏伟,李成.ISO/IEC18000-6简析.信息技术与标准化,2007.7:19-20.

[12]禹士朋,范文兵,李建华,等. 超高频RFID系统中的防碰撞算法研究[J]. 通信技术, 2010,43(9):118-120