一种功率可调的RFID超高频读写器设计

陆中华

（北海职业学院 广西壮族自治区北海市 536000）

1 背景与RFID介绍

电子标签即RFID 标签，是RFID 的俗称。RFID 是Radio Frequency Identification（无线电射频识别）的缩写。RFID 技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。RFID 系统主要由标签、读写器、天线和应用软件组成。其中，读写器是RFID 系统的重要组成部分，其读写灵敏度的高低在许多应用场合要求较为严格，如标签生产环节的IC 绑定，lnlay 复合等，往往标签与标签的间距非常小，且伴有多排标签生产的批量化需求，读写功率过大容易造成误读或串读，过小则漏读，因此，需要研究契合该应用需求的方案，以提高生产效率。

2 硬件设计

2.1 概述

一般的，超高频读写器的设计主要有两种：第一，采用专用芯片如Impinj 的R1000/R2000 作为核心器件，但电源、信号调理、接口匹配等外围电路需要搭建。第二，采用专用模组如ThingMagic的M5e、CAEN 的A528 等作为核心器件，外部提供电源，即可进行通讯。对比过两种方案后，方案2 的可行性和可靠性都较高，无须再花时间去做重复研究，将有限的时间花在项目应用上。

在对A528 和M5e 的应用研究中，也发现了一些不足，如A528 的射频功率，可调范围是10dBm-27dBm；M5e 的射频功率，可调范围是5dBm-30dBm。这些集成模组很少能实现全功率，即从0 到最大值（如30dbm）的功率调整且调准刻度精细。鉴于这些模块还需要匹配外部天线，当对产线的多排且间距较小的电子标签进行检测时，读写准确率就受影响，因此，笔者将从读写器天线和外部衰减器上着手研究。

2.2 硬件系统框图

RFID 读写器母板用于将模块进一步封装，并加入电源接口、通讯接口和数字衰减器等外围电路；电源接口和通讯接口受控外部控制，该控制器可为单片机或PC 上位机，提供控制数字IO 端口和电源；数字衰减器处于极化天线和RFID模块之间，属于串联方式，即串接衰减器，以达引入衰减值且保持匹配性完好，防止误读和串读；RFID 线极化天线采用外扩的方式，即使用RF 射频线从母版RF 端口引出。

2.3 超高频模组

图1：硬件系统框图

图2：天线极化[2]

模组是读写器的核心组件，因RFID 生产现场的机器及设备多样，各干扰信号具有很大的不确定性，因此选型模组时，其稳定性是优先考虑的重要因素，经过筛选，本文设计选用CAEN 公司的A528B，该模组支持美标FCC（902～928MHz）和欧标ETSI（865.6～867.6MHz）两种频段，符合EPC C1G2，ISO18000-6C 协议，功率上支持10dBm～27dBm 范围调整，一个RF 天线接口MMCX类型，UART 串口通讯，标准5V 供电[1]，体积紧凑，硬件上易于集成到RFID 母板上。

2.4 天线

图3：AA226 引脚图

图4：功率调整流程图

由于RFID 超高频电子标签的设计个性化很多，标签间距不会一样，有时大，有时又很小，因此要求读卡器的天线设计满足最小10mm 的间距设计，做到不窜读。

根据天线技术得知，线极化天线：对于摆放方向高敏感性，能量更集中，提高读取距离和穿透性；圆极化天线：对摆放方向不敏感，功率不集中。如图2所示，经过对比，线极化天线更适合于超高频排版设计这种标签排列密度较大，且敏感性高的场合。对于标签间距足够大的场合，使用圆极化天线提升读卡的成功率，这个应用不在本篇讨论的范围之内。

根据对市面上RFID 超高频读写器天线的选型，以陶瓷天线最多，应用最广，陶瓷天线的尺寸一般为四方型，尺寸大小有多种型号可选，根据笔者对陶瓷天线的测试，其应用场合对于单个标签的读写是可以的，或单从增大读写距离这个特点来看也是一个不错的选择，但对于RFID 产线上的这种应用场合，电子标签排列紧凑和间距小的特点，陶瓷天线就不能适用了，然而针对这种个性化的的应用，行业存在普遍的认识，这种天线不通用且用量少，很少有技术人员去专门花费成本去设计，因此设计这样一种适用于产线的线极化天线是具有一定的挑战性。为了减低成本，采用PCB 的布板方式是不错的选择，对于天线的RF 端口，阻抗匹配，驻波比也是要重点考虑的参数，一般取驻波比为小于等于1.5，若该参数设计过大，则射频能量的反馈将造成读写器的损坏。

最大输出辐射功率计算，

EIRP=传导功率（dBm）+天线增益（dBi）-馈线损耗（dB）

注：馈线损耗常规是0.5db/m。

2.5 数字衰减器

数字衰减器的应用使得软件调整功率成为可能，本文选用Alpha 公司的AA226 芯片，其引脚如图3所示。

根据真值表，对V1～V4 的I/O 配置高低电平，可在J1-J2 输出1～15dB 的衰减数值输出，实现读写功率精确调整，在电路设计中，设置电平参数高电平VH=1，低电平VL=0，则

当V1=V2=V3=1，V4=0 时，输出1dB；

当V1=V2=V4=1，V3=0 时，输出2dB；

当V1=V3=V4=1，V2=0 时，输出4dB；

当V2=V3=V4=1，V1=0 时，输出8dB；

当V1=V2=V3=V4=0 时，输出15dB；[3]

将以上电平作逻辑组合，如将设置V1=V2=1，V3=V4=0，就能实现功率设置为3dB，其他与此同理，不再赘述。

3 软件设计

外部控制器可采用单片机、嵌入式处理器或PC 控制等，以STM32 嵌入式控制为例，

程序运行时先要对GPIO进行端口初始化，并开启定时器，中断，串口等片内资源，通过串口指令操作模组调整功率和频率，并通过相关I/O 控制高低电平，以调整数字衰减器的数值。经过多次的参数调整，就能找到一个合适的读写功率参数，实现电子标签的精确读写。

在实际的读写功率参数调整中，一般都要配合读写器天线的安装位置，依据电子标签和天线表面的距离dis 来调整，如某种电子标签的天线设计较大，可将dis 增大一些达到较好的电磁能量传输而不误读到其他标签，但当某种电子标签的天线设计较小，就需要将dis 减小以使读写器天线贴近电子标签，同时软件调整功率值。

4 结束语

设计运用于产线上的超高频读写器，因受电子标签的排列方式，标签类型，机器运行速度，以及产品安装，信号干扰等因素，在设计上就需要反复权衡，它的特点是要求在满足一定速度的前提下，对标签进行精确读写，在项目订单紧张时，机器机会24 小时不间断运行以保证产量，因此对硬件长时间工作提出严峻的技术要求。本文方案已在RFID 芯片绑定机和inlay 复合机等产线上做了大量线上测试，运行效果较为稳定。