一种超高频无源固定式RFID读写器的设计与实现

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(1.西安航天自动化股份有限公司,陕西 西安 710065；2.陕西省物联网与智能控制工程技术研究中心,陕西 西安 710065)

一种超高频无源固定式RFID读写器的设计与实现

吴瑞娜1,2，刘志刚1,2，张岐1,2

(1.西安航天自动化股份有限公司,陕西 西安 710065；2.陕西省物联网与智能控制工程技术研究中心,陕西 西安 710065)

设计了一种超高频的无源固定式RFID读写器。阐述了固定式读写器的整体结构、硬件设计、软件设计以及测试结果。详细介绍了射频发送与接收单元的电路结构以及读写器模块的软件架构等内容。测试结果表明，该固定式读写器可满足实际RFID应用系统的需要。

超高频;RFID;无源固定式读写器;ISO18000-6C(C1G2)协议

0 引言

射频识别RFID(radio frequency identification)是一种非接触的自动识别技术。RFID系统采用了无线电与雷达技术，数据交换不是通过电流的触点接通而是通过电场与磁场，即通过无线的方式通信[1]。与其他的识别方式相比，射频识别技术能对移动的多个项目进行识别，因而应用更广泛。

与目前大多数中高频的RFID系统相比，UHF频段(RFID系统[2]工作频段为860～960MHz)所具有的远距离高速识别能力，以及其标签容量大、标签成本低、标签尺寸小等优势使其更加适合未来物流和供应链领域的应用，为实现“物联网”提供了可能[3]。当前，各国所使用的频段各不相同，在北美和南美，无源RFID频段为902～928 MHz[4]，在中国，无源RFID频段为840～845 MHz和920～925 MHz[5]。提出一种UHF频段无源固定式射频识别读写器，通过测试来验证设备的功能，可满足实际RFID应用系统的需要。

1 整体结构

固定式读写器主要由天线、读写器模块和主控模块3部分组成。读写器模块是由射频单元和基带单元2部分组成，射频单元包括信号隔离装置、发射单元和接收单元，基带单元包括微控制器(MCU)及外部接口。

2 硬件设计

2.1 射频单元硬件设计

射频单元由接收、发送2部分组成，接收部分主要负责将收到的标签信号转换成数字信号，发射部分主要负责将数字信号调制成射频信号并将射频信号放大，并通过天线向外发射，射频单元部分功能主要通过Impinj公司的R2000读写控制芯片来完成。

射频发射单元由载波电路、调制电路和功率放大电路组成，原理图如图1所示，其中，载波和调制电路功能通过R2000芯片内部来完成，经R2000芯片处理后输出的差分信号(平衡端)经平衡/非平衡转换器转换为非平衡端(单端)信号后接入功率放大电路，对输出信号进行功率放大后的射频信号再输出到天线。

射频接收单元由低噪声放大器、解调电路、低通滤波电路、差动放大电路、幅度放大电路和A/D转换电路组成，原理图如图2所示。该部分功能主要通过R2000芯片来完成，从天线接收到的射频信号经平衡-非平衡转换器后接入R2000芯片的RX_P和RX_N引脚，在R2000内部进行图2所示的一系列处理后，输出的数字信号接入到基带单元，即完成一次射频接收操作。

图1 射频发射单元

图2 射频接收单元

2.2 基带单元硬件设计

基带单元采用Atmel公司的AT91SAM7S256芯片作为MCU。通过串口接收主控模块下发的控制命令和数据，向主控模块发送接收的标签数据和执行结果；向射频单元发送标签控制信号；接收射频单元返回的标签数据信号，对信号进行解码、校验；根据主控模块的命令对读写器的配置信息进行修改、查询。其原理框图如图3所示。

图3 基带单元工作原理

2.3 主控模块硬件设计

主控模块采用ST公司的STM32F107芯片作为MCU，该芯片自带以太网控制器，串口、USB OTG全速接口等丰富的外设接口，与PC机和读写器模块之间的外、内部通信连接简单，从而降低了软硬件的开发难度。

主控模块内部采用UART1的TX、RX和GND信号与读写器模块的UART1的RX、TX和GND信号连接，从而通过串口来控制读写器模块和接收读写器模块的数据。

主控模块的原理图如图4所示。主控模块外部采用RS232、网络接口或USB与PC机通信，接收PC机下发的控制命令和数据，向PC机发送接收的标签数据和执行结果；根据PC机的命令对读写器的配置信息进行修改、查询。

图4 主控模块原理

3 软件设计

3.1 读写器模块的软件设计

读写器模块的软件没有操作系统，实现了ISO18000-6C(C1G2)协议的所有细节部分，射频控制等功能。主要包括状态机、ISO18000-6C(C1G2)协议模块、射频控制模块、固件升级模块和R2000寄存器接口等。读写器模块软件架构如图5所示。

图5 读写器模块软件架构

3.2 主控模块的软件设计

主控模块的软件主要包括μC/OS-II操作系统、LwIP协议栈移植、串口、以太网和USB等驱动程序和应用程序等的设计。软件总体架构如图6所示。

图6 主控模块软件总体架构

应用层主要包括固定式读写器的初始化、RFID参数设置、RFID读标签、RFID写标签、固定式读写器以太网和串口等参数的配置等模块。

4 测试结果

根据设计，设置固定式读写器的频率范围为920～925 MHz，发射功率最大为30dBm，选用美国安捷伦(Agilent)公司的信号分析仪(MXA Signal Analyzer)对固定式RFID读写器的天线输出射频信号进行抓取，设置信号分析仪的频率范围为900～930MHz，功率最大输入为30dBm，结果如图7所示。

图7 固定式读写器天线输出频率及功率

由图7可见，读写器的射频输出频率为923.64 MHz，输出功率为28.323 9 dBm，符合设计所规定的频率范围，由于该信号分析仪最大的输入功率为30dBm。因此，在输入前端加了功率衰减器，由此看到固定式读写器的输出功率比30dBm略有衰减，符合设计要求。在PC机上编写读写标签的测试软件，经测试，可正确读写电子标签。

5 结束语

分别从整体结构、射频单元硬件、基带单元硬件、主控模块硬件、读写器模块软件和主控模块软件等方面详细阐述了UHF频段无源固定式射频识别读写器设备的设计与实现方法，最后通过测试来验证设备的功能。通过测试结果得知，UHF频段固定式RFID读写器的输出频段以及输出功率符合设计要求，经验证能正确读写电子标签，可满足实际RFID应用系统的需要。

[1] Klaus Finkenzeller.射频识别(RFID)技术.2版[M].陈大才,译.北京：电子工业出版社,2001.

[2] 刘礼白.物联网与UHF RFID频谱资源[J].电信工程技术与标准化, 2010(8):1-5.

[3] 黄鹏,杨云志,李元忠.“物联网”推动RFID技术和通信网络的发展[J].电讯技术,2010,50(3):85-88.

[4] 王英.UHF频段RFID读写器研究与实现[D].合肥:合肥工业大学,2010.

[5] 信息产业部.800/900MHz频段射频识别(RFID)技术应用规定(试行)[Z].2007.

Design and Implementation of a Fixed RFID Reader on UHF-band

WURuina1,2,LIUZhigang1,2,ZHANGQi1,2

(1.Xi’an Aerospace Automation Co.,Ltd.,Xi’an 710065,China;2.Shaanxi Engineering Research Center of Internet of Things and Intelligent Control,Xi’an 710065,China)

A passive fixed RFID reader of UHF band is presented.The structure,hardware, software and test results of the fixed reader are described in this paper.The circuit structures of radio frequency transmitting and receiving units and the software structure of fixed reader module are detailed.The test results show that the fixed reader can meet the needs of practical RFID applications.

UHF;RFID;passive fixed RFID reader;ISO18000-6C(C1G2) protocol

2014-08-14

TP391.4

A

1001-2257(2014)11-0049-03

吴瑞娜(1982-)，女，陕西绥德人，硕士，嵌入式软件工程师，研究方向为工业自动化及物联网。