摘  要： 介紹了一種基于AS3992芯片的遠距離RFID讀寫器設計。通過AS3992內部集成的模擬前端和協議處理系統,，配合基帶的MCU控制,，實現了在通信頻率840 MHz~960 MHz內發(fā)射功率可調、天線接口可切換等實用功能,。為了達到更遠的傳輸距離,使用了多種阻抗匹配網絡對微帶線阻抗進行微調,，且對輸出功率加以檢測，有效防止了盲目增大發(fā)射功率導致接收干擾而影響識別距離的問題,。設計了4個天線接口,，擴展了讀寫器的應用距離，同時減少了單天線的盲區(qū),，降低了誤碼率,。
關鍵詞： UHF RFID; AS3992; 載波; 功率放大器

    隨著物聯網在智能電網、智能交通,、智能物流和生態(tài)監(jiān)視等國民經濟方方面面的大量應用,，UHF頻段的RFID技術更是發(fā)展迅速,它是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號可以自動識別目標對象,、獲取相關數據,，識別工作無須人工干預,適用于各類惡劣環(huán)境[1]。RFID系統由標簽,、讀寫器和天線三部分構成,，其中RFID讀寫器最為關鍵。
1 系統方案設計
    基于AS3992芯片的遠距離RFID讀寫器系統主要包括射頻部分和基帶部分,，如圖1所示,。射頻部分圍繞RFID集成芯片AS3992展開設計，環(huán)路濾波器配合內置VCO產生精確頻率,；發(fā)射鏈路主要由巴倫,、功率放大器、耦合器,、高頻開關和多路天線接口組成,，在關鍵通路上使用LC網絡和π型網絡調整阻抗匹配；射頻接收鏈路由天線,、高頻開關,、耦合器、低噪放和巴倫組成,。基帶部分配置了可升級的MCU主控制器及通用外圍接口,。

2 硬件電路設計
2.1 AS3992及其外圍電路
    AS3992是奧地利微電子推出的一款高性能UHF頻段的讀寫器芯片,，它集成了混頻器,、增益濾波器、壓控振蕩器,、鎖相環(huán),、模數/數模轉換器等模擬前端，并且內置了ISO18000-6C的完整協議處理系統,。外部控制器僅需通過8位并口或者SPI口即可實現對AS3992的所有通信和控制[2-3],。
    UHF載波信號的通信頻率為840 MHz~960 MHz，AS3992集成了VCO,、預分頻器,、主除法器、參考除法器,、鑒相器和電荷泵,，外圍電路只要提供一個環(huán)路濾波器即可組成一個完整的鎖相環(huán)(PLL)電路，如圖2所示,。PLL的輸出頻率由參考除法器的設定值和主除法器的乘積決定,。電荷泵(CP)的主要作用是將數字邏輯脈沖轉換為模擬電流。CP信號經過低通濾波器反饋到VCO引腳用來調整振蕩器頻率精度,。為了獲得穩(wěn)定的VCO調諧電壓,，外部的環(huán)路濾波電路特別重要，它起到了維持環(huán)路穩(wěn)定性,、控制環(huán)路帶內外噪聲,、防止VCO調諧電壓控制線上電壓突變、抑制參考邊帶雜散干擾等重要作用,。

2.2 射頻發(fā)射電路
    AS3992芯片射頻信號以差分對的形式輸出,，使用LC阻抗匹配網絡可以將巴倫的輸入端阻抗精確匹配到100Ω，通過2:1的巴倫即可輸出單端UHF信號,。若僅使用AS3992內部功放,，則其輸出功率最大僅為20 dBm，只能滿足近距離讀寫,。若要達到更遠的讀寫距離,，必須通過外部功率放大器進行無失真放大；同樣為了整條射頻線路的阻抗匹配,，在巴倫和功放間放置π型濾波網絡進行阻抗微調,。
    功率放大器可以將已經被調制過的高頻載波信號進行功率放大，經過天線輻射到周圍以滿足接收機需要的激勵電磁場強度,，并且對相鄰信道不產生影響,。功率芯片SKY65111采用三級電壓控制，1 dB壓縮點增益在29.5 dBm,。使用AS3992自帶的DAC,，結合電壓跟隨器可以方便精確地調節(jié)功放的輸出功率,；此外當外部功放固定時，通過AS3992自身發(fā)射功率的調節(jié)亦可適應不同距離的應用,。
    微波信號輸入/輸出的隔離需要通過耦合器,，經過耦合器出來的信號進入一分四高頻切換開關SKY14151，把一路信號根據應用需要可以切換到任一選中的天線接口,。讀寫器設計的4個天線接口,，不僅擴展了其應用距離，而且由于一個讀寫器可以有多個分節(jié)點發(fā)送和接收信息,，當4個天線都對準同一個方向時,，還能夠減少單天線的盲區(qū)降低誤碼率。
    為了增加RFID讀寫器的最遠距離,，還需要對其發(fā)射功率進行檢測,。發(fā)射功率太大不僅會引起失真，還容易泄露到接收端形成干擾,，所以一旦功率檢測器件監(jiān)控到大于設定功率時,，通過主控制器數字PID和DAC把微調量加載到功率芯片SKY65111的二三級電壓控制端，使得發(fā)射功率可控,。
2.3 射頻接收電路

    基于AS3992芯片的射頻接收電路相對簡單,，因為它把混頻器和濾波器集成在了AS3992芯片內部，外圍電路只需要增加一片1:2的巴倫,，就可以把單端信號轉換成差分對信號,，送入AS3992芯片的射頻接收管腳。為了減少雜波干擾提高射頻接收信號的純度,，在耦合器和巴倫之間加上一片低噪放,，使得巴倫的輸入信號被限制在840 MHz~960 MHz之間。
3 軟件程序設計
    AS3992的固件程序寫在MCU主控制器中,。把RFID系統通過外圍接口與計算機連接起來,，上電后首先對AS3992芯片初始化；成功之后可以進行頻段,、天線接口和輸出功率的設定(頻段選擇取決于各國標準,，天線接口可以根據需要切換，輸出功率的大小通常決定了讀寫距離的遠近),；主控制觸發(fā)查詢標簽動作,，若發(fā)現天線輻射有效范圍內有標簽存在,則選中標簽準備通信,否則反復查詢；主控制器和標簽通信握手成功后,，把標簽信息送回上位機,完成一次讀卡操作,。系統程序流程圖如圖3所示。

4 系統測試
    使用頻譜儀對所設計的RFID系統進行性能測試, 天線接口的發(fā)射頻譜如圖4所示,最大發(fā)射功率為27 dBm。當把發(fā)射功率設定在15 dBm時,，從如圖5的發(fā)射頻譜上可以看到,，信道功率為14.31 dBm，占用帶寬(99%能量)為119 kHz,。

    本文設計了一個基于UHF頻段的遠距離RFID模塊化系統。隨著數據傳輸和分辨率的要求提高,，MCU主控制器可以不斷升級,，以適應事務控制的擴充和處理速度的提高。本設計對輸出功率的檢測可以防止盲目增大發(fā)射功率導致接收干擾而影響識別距離的問題,。目前,，本系統已成功運用于寶鋼熱軋環(huán)形軌道運輸車的定位。
參考文獻
[1] 游戰(zhàn)清,李蘇劍.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用[M].     北京：電子工業(yè)出版社,，2004.
[2] Austria Microsystems.AS3992 UHF RFID single chip reader EPC Class1 Gen2 compatible[Z]. 2011.
[3] 譚海燕,，崔如春，肖志良,等. 基于AS3990/3991的超高頻RFID讀寫器的設計[J]. 電子技術應用,，2010,36(3)：23-25.