R2000的高性能多天線結(jié)構(gòu)讀寫器方案設(shè)計(jì)

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近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了飛躍發(fā)展，并擁有廣闊的應(yīng)用前景。無線射頻識別（RFID）作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術(shù)，其應(yīng)用前景隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。而隨著低功耗和高性能集成射頻收發(fā)芯片的不斷推出，小型化、模塊化、高性能的超高頻RFID讀寫器也應(yīng)運(yùn)而生。

本論文主要是設(shè)計(jì)一款基于R2000的高性能多天線構(gòu)造讀寫器，和一般UHFRFID系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)流程一樣，按照應(yīng)用需求分析、確定指標(biāo)參數(shù)、制定系統(tǒng)方案、硬件電路設(shè)計(jì)、_上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、整機(jī)性能測試、形成產(chǎn)品順序開展，整個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)品開發(fā)流程如圖2-1所示。

（1）應(yīng)用需求分析

在該階段主要是通過市場調(diào)研了解市場需求。本文涉及的讀寫器產(chǎn)品是應(yīng)某省***市一家公司的需求而設(shè)計(jì)，主要是面向倉儲管理、物流供給鏈管理兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。這兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域需要讀寫器能夠?qū)﹄娮訕?biāo)簽實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無漏識別，同時(shí)要求無漏識別速度快。

（2）確定指標(biāo)參數(shù)

在了解市場單位的應(yīng)用需求一設(shè)計(jì)一-款能對電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)高速、無漏、遠(yuǎn)距離識別的讀寫器，為此需要先確定電路總體參數(shù)指標(biāo)要求，并將指標(biāo)細(xì)化分到各個(gè)部分，從而確定器件的選擇范圍，便于總體方案設(shè)計(jì)。

（3）制定系統(tǒng)方案

確定了電路指標(biāo)參數(shù)后，需要根據(jù)各電路模塊要求選擇合適的芯片器件，并將器件關(guān)鍵引腳標(biāo)注出來，將各部分電路框圖連接，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)方案。在這個(gè)過程中需要考慮系統(tǒng)方案的可實(shí)施性，同時(shí)盡量優(yōu)化設(shè)計(jì)研發(fā)成本。

（4）設(shè)計(jì)硬件電路

在制定系統(tǒng)方案時(shí)只是粗略描述了電路各部分的框圖，在硬件電路設(shè)計(jì)過程中需詳細(xì)設(shè)計(jì)各電路原理圖，以及電路模塊的接口形式，為組成電路系統(tǒng)做好前期準(zhǔn)備。

（5）系統(tǒng)集成

在這個(gè)階段主要是將電路整體聯(lián)系起來，設(shè)計(jì)整個(gè)電路的原理圖和PCB版圖，逐步焊接電路并調(diào)試電路保證電路每部分都能正常工作，將各電路模塊組合在一起構(gòu)成一個(gè)電路系統(tǒng)。

（6）整機(jī)性能測試

待電路調(diào)試通過后，將電路模塊安放在讀寫器磨具內(nèi)，燒寫和配置相應(yīng)的驅(qū)動程序和控制程序，模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，開展整機(jī)性能測試。

（7）形成產(chǎn)品

整機(jī)性能測試完成后，需要開展穩(wěn)定性和高低溫測試，待所有測試通過后，貼_上合格證，將產(chǎn)品放進(jìn)包裝盒內(nèi)，準(zhǔn)備出貨。

2.2、超高頻RFID系統(tǒng)組成

超高頻RFID系統(tǒng)有四個(gè)重要組成部分，分別為上位機(jī)系統(tǒng)、讀寫器、天線和電子標(biāo)簽，此系統(tǒng)的工作過程是0-1：。上位機(jī)發(fā)送指令給讀寫器，讀寫器在上位機(jī)指令的控制下，開啟射頻模塊發(fā)送高頻信號，通過天線在RFID電子標(biāo)簽周圍形成磁場，當(dāng)磁場強(qiáng)度足夠大時(shí)，標(biāo)簽內(nèi)部的芯片電路被激活，然后將自身攜帶的信息加載到電磁波中返回給讀寫器，讀寫器接收并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信息，再通過上位機(jī)的加工處理，完成電子標(biāo)簽信息的獲取過程。而當(dāng)標(biāo)簽離開射頻磁場時(shí)，標(biāo)簽由于沒有足夠的能量激活芯片電路而處于休眠狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)組成如圖2-2所示：

2.2.1上位機(jī)

本文中的上位機(jī)主要是指集成在整個(gè)設(shè)備內(nèi)部，與射頻模塊通信的PC主控機(jī)。超高頻RFID讀寫器需要上位機(jī)發(fā)出控制指令啟動讀寫器發(fā)送射頻信號，讀寫器接收到標(biāo)簽返回的信號也需要上位機(jī)處理并開展存儲，實(shí)現(xiàn)整個(gè)超高頻RFID系統(tǒng)的正常工作。

2.2.2讀寫器

超高頻讀寫器（Reader）即射頻模塊，是整個(gè)RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。首先射頻模塊決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻段;其次，讀寫器的發(fā)送功率和接收靈敏度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的識別距離。射頻收發(fā)電路、數(shù)字基帶控制電路和電源管理模塊是讀寫器的主要組成部分。射頻發(fā)射鏈路主要是產(chǎn)生高頻載波信號，完成基帶信號的調(diào)制與功率放大，以便為電子標(biāo)簽提供足夠的能量。射頻接收電路則實(shí)現(xiàn)對電子標(biāo)簽返回信號的解調(diào)與低噪聲放大。數(shù)字基帶電路用來解析上位機(jī)控制指令，以便控制射頻收發(fā)電路的工作。電源管理部分主要是給各電路模塊供電，使各電路模塊能夠正常工作。

2.2.3天線

天線（Antenna）是一種無源裝置，用來實(shí)現(xiàn)電磁波與電流信號的相互轉(zhuǎn)換。天線在超高頻RFID系統(tǒng)中主要用來發(fā)送與接收高頻載波信號。超高頻RFID系統(tǒng)的天線配置可以采用收發(fā)分離與收發(fā)合一一兩種形式。收發(fā)分離主要是采用兩個(gè)天線將射頻信號分離，-一個(gè)用來發(fā)送讀寫器輸出的射頻信號，另一個(gè)用來接收標(biāo)簽返回的射頻信號，采用這種方式射頻收發(fā)信號間的相互干擾小，成本相對較高。收發(fā)合一則是用環(huán)形器或定向耦合器實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號的分離，該方案中射頻收發(fā)信號間的相互干擾較為嚴(yán)重，需要有效地抑制射頻載波泄漏對接收信號的干擾?？紤]到實(shí)際設(shè)計(jì)成本與簡化電路構(gòu)造，本設(shè)計(jì)中的讀寫器采用定向耦合器搭建收發(fā)分離電路構(gòu)造并使用增益為8dBi的圓極化天線。

2.2.4電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽（Tag）是數(shù)據(jù)信息的載體，主要由偶極子天線、諧振電容以及微型IC芯片封裝而成！41。RFID讀寫器發(fā)送的電磁波在空間形成磁場，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場范圍內(nèi)且磁場能量足夠大時(shí)，標(biāo)簽芯片中的電源管理電壓便依靠此電磁波能量感應(yīng)出電壓為標(biāo)簽芯片供電，并將內(nèi)部信息加載到電磁波中并返回讀寫器，完成讀寫器與電子標(biāo)簽之間的無線通信。

標(biāo)簽的靈敏度對射頻識別系統(tǒng)讀寫距離有著舉足輕重的影響。本設(shè)計(jì)中的超高頻RFID讀寫器采用E4IB倉存物流標(biāo)簽和Monza4QT標(biāo)簽，兩款標(biāo)簽接收靈敏度均在-15dBm（30uW）左右，能夠到達(dá)遠(yuǎn)距離識別的要求。

2.3、系統(tǒng)功能分析

考慮到常規(guī)單天線或四天線讀寫器盤存范圍受限，本論文中提出設(shè)計(jì)多天線構(gòu)造的讀寫器方案，讓天線能夠覆蓋倉庫的每個(gè)角落，確保倉庫內(nèi)所有貨物上的RFID電子標(biāo)簽都能被讀寫器無漏識別。

鑒于分立電路元件搭建的射頻收發(fā)系統(tǒng)過于復(fù)雜，電路體積龐大，在設(shè)計(jì)電路方案時(shí)，考慮采用高集成度芯片作為主射頻收發(fā)芯片來實(shí)現(xiàn)電路方案，在保證電路性能的前提條件下，簡化電路構(gòu)造，并設(shè)計(jì)成了射頻收發(fā)電路模塊，可以獨(dú)立與其他上位機(jī)使用，進(jìn)一一步簡化了整套設(shè)備的電路模塊組成構(gòu)造，并提高整個(gè)電路系統(tǒng)穩(wěn)定性。

當(dāng)前RFID技術(shù)中的信息安全問題時(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致商家或者個(gè)人的重要信息泄露，這阻礙了RFID技術(shù)的進(jìn)一一步發(fā)展與普及。為了消除RFID技術(shù)中的信息安全隱患，在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合特殊技術(shù)，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽的加密處理，需要輸入密碼口令才能訪問商家或者個(gè)人私有信息內(nèi)容。結(jié)合上述功能需求與當(dāng)前市面_上讀寫器的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的讀寫器要求的性能指標(biāo)如下：

（1）工作頻段：840MHz~960MHz;

（2）輸出功率：≥30dBm;

（3）接收機(jī)靈敏度：≤-80dBm;

（4）識別標(biāo)簽距離：≥15米;

（5）無漏識別標(biāo)簽數(shù)目：2200張（10s內(nèi)）;

（7）射頻模塊功耗：≤10W;

（8）實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài);

（9）標(biāo)簽信息安全。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，在設(shè)計(jì)超高頻臺式讀寫器系統(tǒng)過程中，從高讀寫性能、多天線構(gòu)造、工作指示功能、讀寫信息安全四個(gè)方面考慮軟硬件電路的設(shè)計(jì)。

2.3.1高讀寫性能

在設(shè)計(jì)超高頻RFID讀寫器硬件電路構(gòu)造時(shí)，需采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和低插入損耗電路構(gòu)造，使得射頻信號功率從源端向負(fù)載端的化傳輸。設(shè)計(jì)完成的超高頻RFID讀寫器射頻端口輸出功率需到達(dá)31dBm，能夠在10s內(nèi)快速無漏

識別240張超高頻RFID電子標(biāo)簽，整個(gè)讀寫器接收機(jī)靈敏度小于-80dBm。在測試過程中采用8dBi增益的天線與接收靈敏度為-15dBm的E4IB電子物流標(biāo)簽，電子標(biāo)簽可被識別的距離超過15米。超高頻RFID讀寫器識別電子標(biāo)簽過程如圖2-3所示。

RFID讀寫器發(fā)射高頻載波信號，此信號經(jīng)過天線轉(zhuǎn)化為電磁波，而電磁波在空間介質(zhì)中-一般有傳輸損耗。整個(gè)讀寫器采用圓極化天線，假設(shè)天線在方向角包圍的曲面區(qū)域各方向均勻輻射能量，且能量密度在該曲面各處相同，對于此類各向同性天線，其接收功率與天線有效面積成正比。在距離天線L米遠(yuǎn)處，天線的輻射面積為s，則

2.3.2多天線構(gòu)造

當(dāng)前市面上常見的超高頻RFID讀寫器多為單天線或者四天線構(gòu)造，這兩款讀寫器只適合應(yīng)用于盤存小范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽。對于較大范圍的電子標(biāo)簽采用多臺讀寫器來完成盤點(diǎn)任務(wù)，不僅會帶來高昂的成本，而且還需要解決多臺讀寫器同時(shí)工作時(shí)信號之間相互干擾問題?；谏鲜隹紤]，本文設(shè)計(jì)了--款多天線構(gòu)造超高頻RFID讀寫器，不僅能夠完成大范圍內(nèi)電子標(biāo)簽的盤點(diǎn)，而且各天線端口采用時(shí)分復(fù)用，因此也不存在讀寫器各天線端口信號間的相互干擾問題。讀寫器多天線電路構(gòu)造如圖2-4所示。

在設(shè)計(jì)過程中通過兩級開關(guān)，共配置十六個(gè)天線端口，采用時(shí)分復(fù)用的方式，每個(gè)天線端口都可以獨(dú)立工作，開展電子標(biāo)簽的盤存和初始化工作。多天線構(gòu)造能夠覆蓋更大的空間區(qū)域，保證在倉存管理過程中能夠識別到所有方位上標(biāo)簽。為實(shí)現(xiàn)讀寫器對標(biāo)簽的無漏識別，天線應(yīng)朝不同方位均勻安放，保證天線能夠覆蓋到所有標(biāo)簽。測試過程中兩種多天線讀寫器天線位置安放如圖2-5所示。

在實(shí)際應(yīng)用過程中可根據(jù)實(shí)際需要，選擇超高頻RFID讀寫器天線的數(shù)目和天線的安放位置，以保證使選擇的天線的輻射范圍能夠覆蓋所有RFID電子標(biāo)簽，從而保證在倉存管理過程中所有標(biāo)簽都能至少能被一個(gè)天線發(fā)射的信號識別到，實(shí)現(xiàn)倉存管理中的高速無漏識別。

2.3.3工作指示功能

常規(guī)讀寫器無法實(shí)時(shí)掌握每個(gè)天線端口的工作狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)天線端口出現(xiàn)異常狀況時(shí)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，長期這樣工作會降低工作效率并影響讀寫器的性能，為防止這種情況的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)讀寫器硬件電路構(gòu)造時(shí)，增加工作指示功能電路，這樣可以通過指示燈的狀態(tài)實(shí)時(shí)了解整個(gè)讀寫器的工作情況。

工作指示功能包括讀寫器上電指示、開機(jī)指示、射頻模塊供電指示和每個(gè)天線端口工作狀態(tài)指示。上電指示是用來判斷整個(gè)讀寫器是否通電;開機(jī)指示燈則是用來指示讀寫器上位機(jī)系統(tǒng)是否啟動;射頻模塊供電指示用來指示上位機(jī)軟件是否成功發(fā)送驅(qū)動信號，讓電源管理模塊給射頻模塊供電;天線端口指示電路主要是讓十六個(gè)指示燈與十六個(gè)天線端一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)指示燈實(shí)時(shí)顯示每個(gè)天線端口的工作狀態(tài)。

2.3.4、讀寫信息安全

目前超高頻RFID技術(shù)處于發(fā)展階段，相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π畔踩蟛桓?，?dǎo)致很多廠商和用戶對RFID系統(tǒng)中的信息安全問題不夠重視。隨著超高頻RFID技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，信息安全問題將變得尤為重要。

本文在考慮讀寫器與電子標(biāo)簽安全通信方面，采用IMPINJ公司的Monza4QT電子標(biāo)簽，該電子標(biāo)簽包括私有配置與公共配置兩種模式。在保密隱私性較高的場合，可以通過上位機(jī)程序?qū)?biāo)簽設(shè)置為私有配置模式，在私有配置模式下讀寫標(biāo)簽私有信息需要訪問密碼。當(dāng)超高頻RFID讀寫器需要識別電子標(biāo)簽私有信息時(shí)，需要先通過上位機(jī)程序輸入訪問密碼，待身份驗(yàn)證通過后讀寫器才能識別標(biāo)簽用戶區(qū)信息;如果識別到標(biāo)簽的讀寫器需要改變標(biāo)簽用戶區(qū)的內(nèi)容時(shí)，需要在上位機(jī)程序界面中輸入寫標(biāo)簽密碼驗(yàn)證。采用這種私有配置加密方法，可以防止標(biāo)簽信息被其它讀寫器非法獲取、修改甚至惡意毀壞。

2.4、硬件電路設(shè)計(jì)方案

對于一般的超高頻RFID讀寫器硬件電路而言，其電路可以分解為數(shù)據(jù)接口電路、數(shù)字基帶控制電路以及射頻收發(fā)電路，本文在讀寫器內(nèi)部增加上位機(jī)主控平臺，這樣設(shè)計(jì)完成的讀寫器可以脫離其他控制平臺而獨(dú)立工作?；倦娐贩桨附M成如圖2-6所示。

其中數(shù)據(jù)接口電路與上位機(jī)連接，主要用來向數(shù)字基帶模塊燒寫控制程序與相關(guān)配置，以便實(shí)現(xiàn)讀寫器與上位機(jī)的通信;數(shù)字基帶電路接收、解析上位機(jī)傳來控制指令并發(fā)出信息給射頻收發(fā)電路（201;射頻收發(fā)電路收到基帶控制電路發(fā)送過來的信號后產(chǎn)生高頻載波，對基帶信號開展各種變換處理，并經(jīng)過放大處理向外輻射以及接收處理電子標(biāo)簽返回來的信號，實(shí)現(xiàn)讀寫器對電子標(biāo)簽的獲取。

2.4.1接口電路

接口電路是超高頻RFID讀寫器重要組成部分，一般由基帶控制電路程序配置接口電路與上位機(jī)通信接口電路兩大組成部分。常見的基帶電路程序配置接口電路有UART、J-TAG等，這些接口電路實(shí)現(xiàn)對讀寫器基帶電路程序的配置與燒寫。讀寫器與上位機(jī)通信接口一般有RS232、RS485、USB與RJ45等，其中RS232屬于雙工單端通信方式，通信距離能夠到達(dá)10米左右，通信速率為20kbps;

RS485是半雙工平衡通信，通信距離能到達(dá)1千米，數(shù)據(jù)傳輸速率能到達(dá)10Mbps;而USB是一種雙向同步傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)接口，傳輸速率達(dá)12Mbps，特點(diǎn)是支持熱拔插。在設(shè)計(jì)高性能多天線構(gòu)造讀寫器過程中，為了使用方便并支持熱拔插，射頻模塊接口采用USB與上位機(jī)通信，而程序的燒寫與配置采用UART及J-TAG方式。

2.4.2數(shù)字基帶電路

數(shù)字基帶電路是超高頻RFID讀寫器模塊的重要組成部分。本文設(shè)計(jì)的讀寫器數(shù)字基帶電路ARM采用Atmel公司的一款集成芯片。該ARM控制芯片是-款32位精簡指令處理器，擁有256kb閃存（Flash）和64kb靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM），其內(nèi)部構(gòu)造按功能可分為數(shù)據(jù)10口模塊、參考時(shí)鐘模塊、電源模塊和J-TAG與UART接口模塊四個(gè)部分。

ARM芯片與射頻收發(fā)電路的數(shù)據(jù)通信主要是通過數(shù)據(jù)IO口模塊實(shí)現(xiàn)的，這些數(shù)據(jù)信息包括發(fā)送與接收過程的時(shí)鐘信號（TCK）、數(shù)據(jù)幀信號（FRM）、數(shù)據(jù)信息（DIO），功率檢測反應(yīng)信號以及射頻開關(guān)控制信號。

參考時(shí)鐘模塊用來為整個(gè)ARM芯片提供參考時(shí)鐘信號。內(nèi)部含有一個(gè)鎖相環(huán)電路構(gòu)造，輸出時(shí)鐘頻率為80MHz~200MHz，參考時(shí)鐘晶振頻率為18.432MHz;外部有一個(gè)低功耗的RC振蕩器，可以提供22~42KHz的振蕩頻率。

電源模塊采用低通濾波和去耦合電容為芯片中的數(shù)據(jù)I0口模塊和存儲電路提供穩(wěn)定的工作電壓。

J-TAG與UART接口模塊則用來向基帶主控芯片燒寫代碼程序、實(shí)現(xiàn)在線編程和芯片測試。

2.4.3射頻收發(fā)電路

整個(gè)超高頻讀寫器電路中關(guān)鍵部分是射頻收發(fā)電路的設(shè)計(jì)，目前主要采用如下兩種方式設(shè)計(jì)：

（1）采用分立元器件搭建射頻收發(fā)電路，

（2）采用集成的射頻收發(fā)芯片加外圍電路實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能。采用分立元件搭建方案設(shè)計(jì)的超高頻RFID讀寫器擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，分立器件的采購相對容易，但因電路構(gòu)造復(fù)雜增加設(shè)計(jì)難度，且電路性能較差。而采用集成射頻收發(fā)芯片設(shè)計(jì)的讀寫器開發(fā)周期短、電路構(gòu)造簡單，整機(jī)穩(wěn)定性好，缺陷之處是集成芯片價(jià)格偏高。從電路構(gòu)造與系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，本文中選擇采用集成芯片設(shè)計(jì)多天線讀寫器。

對于傳統(tǒng)的超高頻RFID而言，其讀寫器的收發(fā)電路由以下三部分組成，分別是發(fā)射鏈路、接收電路以及收發(fā)分離網(wǎng)絡(luò)。本方案在硬件電路設(shè)計(jì)過程中增加了兩極開關(guān)電路和功率檢測保護(hù)電路，通過兩極開關(guān)的級聯(lián)，設(shè)計(jì)出了時(shí)分復(fù)用的十六天線構(gòu)造。功率檢測電路能夠?qū)崟r(shí)檢測射頻鏈路發(fā)送和接收功率是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證整個(gè)射頻收發(fā)電路不會因?yàn)楣β十惓６粺龤?。設(shè)計(jì)完成的超高頻RFID讀寫器的射頻收發(fā)電路構(gòu)造如圖2-7所示。

本項(xiàng)目是需要設(shè)計(jì)一款超高頻RFID讀寫器，目前市面上主流的UHF頻段的集成收發(fā)芯片主要有Phychips的PR9000、奧威公司的AS3992和Impinj公司的R2000三款。這三款芯片的主要參數(shù)比照如下表2-1所示。

由表2-1可知，三款集成射頻收發(fā)芯片適用頻率、調(diào)制方式以及支持協(xié)議基本相同，主要在發(fā)射功率與接收靈敏度方面有較大差異。其中R2000芯片的接收靈敏度，易于實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目產(chǎn)品識別距離遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，R2000芯片內(nèi)部基本構(gòu)造如圖2-8所示。

（2）射頻接收電路

接收電路主要實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽返回信號的接收變換處理。當(dāng)前常見的接收電路構(gòu)造主要有如下兩種形式：一種是超外差式，另一種是直接下變頻。

超外差式接收機(jī)經(jīng)過兩次下變頻將高頻載波信號解調(diào)為基帶信號，主要有