隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起,，人們對(duì)各類物品的管理要求越來(lái)越高,，希望能夠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)跟蹤每一件物品的當(dāng)前狀態(tài)。將超高頻RFID（電子標(biāo)簽）綁定到每一件物品上是實(shí)現(xiàn)物品跟蹤的有效手段之一,，因而超高頻RFID的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,，對(duì)超高頻RFID讀寫器的需求量也隨之增大。雖然現(xiàn)在國(guó)際,、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有一些有品牌的超高頻RFID讀寫器,，但其設(shè)計(jì)方案各有千秋，應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性,、可靠性仍有待改進(jìn),。因此，怎樣能設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定,、性價(jià)比高,、適應(yīng)市場(chǎng)需求的超高頻RFID讀寫器是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。
1 AS3990/AS3991芯片的特點(diǎn)
    AS3990/AS3991芯片是奧地利微系統(tǒng)公司（microsystems）研制的一款用于超高頻（860 MHz~960 MHz）RFID讀寫器的專用芯片,，其封裝形式為64腳QFN封裝,。它具有集成度高的特點(diǎn),，芯片內(nèi)集成了接收電路、發(fā)送電路,、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元,、連接MCU（微控制器）的8 bit并行接口或SPI串行接口等。
    接收電路包括混頻器,、自動(dòng)增益控制,、低通和高通濾波器、PM和AM解調(diào)器,、低級(jí)解碼以及CRC校驗(yàn)等部分。發(fā)送電路包括幅移鍵控或相移鍵控調(diào)制,，自動(dòng)產(chǎn)生幀同步,、引導(dǎo)碼、CRC校驗(yàn)碼,，以及低階數(shù)據(jù)編碼,、PM和AM調(diào)制器。協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將來(lái)自MCU接口的數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)幀,，或?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成MCU能接收的數(shù)據(jù)格式,。
    芯片具有2種工作模式，完全支持ISO18000-6C(EPC Gen2)空中接口協(xié)議,，兼容ISO18000-6A/B協(xié)議,。芯片具有并行接口或串行接口2種數(shù)據(jù)接口方式，方便與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,。
    圖1所示為芯片AS3990/AS3991的組成框圖,。

    需要發(fā)送給RFID的命令和數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)編碼、調(diào)制,、射頻放大后輸出到天線,。由天線接收到的RFID響應(yīng)信號(hào)送到芯片的輸入端，在芯片內(nèi)接收信號(hào)經(jīng)IQ混頻得到2路中頻信號(hào)IQ,，再經(jīng)增益,、濾波、數(shù)字化轉(zhuǎn)換就得到了相應(yīng)的數(shù)字信號(hào),。這時(shí)如果芯片設(shè)置在支持ISO18000-6A/B協(xié)議的直通工作模式,，則數(shù)字信號(hào)直接由芯片串行接口送出交由系統(tǒng)的MCU進(jìn)行解碼、CRC校驗(yàn)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理,；如果芯片設(shè)置在支持ISO18000-C協(xié)議的工作模式,，則數(shù)字信號(hào)先由芯片進(jìn)行解碼（協(xié)議處理）、CRC校驗(yàn)后存放在FIFO中,，再由接口送出交由系統(tǒng)的MCU進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理,。
2 讀寫器MCU的選取
    雖然AS3990/AS3991芯片完全支持ISO18000-C協(xié)議,，具有與MCU的接口，能直接輸出解碼后的字節(jié)信息,，對(duì)MCU處理能力的要求不高,。但AS3990/AS3991芯片對(duì)ISO18000-6A/B協(xié)議的支持并不完全，只是完成了信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程,，且只能直接地,、無(wú)緩沖地串行輸出碼流，解碼以及數(shù)據(jù)的有效性判斷須外部電路來(lái)完成,。這樣就面臨2個(gè)選擇,，或者采用可編程器件（CPLD）進(jìn)行解碼、校驗(yàn)而選用運(yùn)行速度較低的MCU,，或者直接采用MCU進(jìn)行解碼,、校驗(yàn)而選用運(yùn)行速度較高的MCU?？紤]到系統(tǒng)的緊湊性,，采用MCU進(jìn)行解碼、校驗(yàn),。
    采用ISO18000-6A/B協(xié)議的電子標(biāo)簽,，通過(guò)調(diào)制來(lái)自讀寫器的射頻能量，將之反向散射,，從而將信息數(shù)據(jù)傳送回讀寫器, 經(jīng)AS3990/AS3991芯片處后,，得到數(shù)據(jù)幀碼流，最大的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為128 bit,。這些信息數(shù)據(jù)采用FM0技術(shù)編碼（即雙相間隔編碼,，圖2(c)為二進(jìn)制數(shù)10110001的FM0編碼示例），傳輸速率為40 kb/s或160 kb/s,，允許誤差為±15%,，據(jù)此可以計(jì)算出射頻信號(hào)經(jīng)AS3990/AS3991芯片處理后輸出的碼流脈沖的最小寬度為t_w。
    

    為了保證能對(duì)此信號(hào)進(jìn)行正確的解碼,、校驗(yàn),，要求解碼電路的采樣頻率足夠高。當(dāng)采用MCU進(jìn)行解碼時(shí),，由于采樣是在指令控制下進(jìn)行,，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)采樣同步、采樣數(shù)據(jù)記錄保存等功能,，所以要求MCU的指令周期應(yīng)小于tw/32,，這樣才能保證接收碼流信息不會(huì)丟失。在設(shè)計(jì)讀寫器時(shí)選擇MCU的型號(hào)為LPC2142,。
3 電子標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)的接收與解碼
    電子標(biāo)簽的每個(gè)響應(yīng)信號(hào)均由下列域組成：靜默狀態(tài)(無(wú)調(diào)制的射頻載波),、返向幀頭,、數(shù)據(jù)信息、以及CRC-16碼,。圖2所示為電子標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)組成,。
    電子標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)AS3990/AS3991混頻、放大,、濾波,、數(shù)字化后，輸出的波形即為圖2(b),、圖2(c)所示的波形,。響應(yīng)信號(hào)的靜默除段輸出為低電平，實(shí)際上就是沒(méi)有有效信號(hào),，這時(shí)通過(guò)MCU的采樣端口對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視,，一旦出現(xiàn)跳變信號(hào)則說(shuō)明有電子標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)到來(lái)(當(dāng)然也有可能是干擾信號(hào))，于是啟動(dòng)采樣解碼程序,，對(duì)信號(hào)進(jìn)行判別，對(duì)到來(lái)的有效信號(hào)進(jìn)行采樣,、記錄,、解碼。
   由于電子標(biāo)簽只有在收到讀寫器的命令信號(hào)之后才會(huì)做出響應(yīng),，因此MCU采樣端口的監(jiān)測(cè)程序,，只有在讀寫器發(fā)出命令后一段有限時(shí)間（小于1 ms）內(nèi)才需要啟動(dòng)。此時(shí)采樣解碼程序可以100%占用CPU資源,?？紤]到MCU的運(yùn)算速度，為了保證在接收過(guò)程中不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失,，在一幀數(shù)據(jù)的接收過(guò)程中,，MCU對(duì)接收端口的信號(hào)只進(jìn)行采樣、記錄保存,，只有當(dāng)一幀信息全部接收完以后才進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算與分析,，以確定接收到一幀數(shù)據(jù)的完整性與有效性。
    電子標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)幀頭的格式是固定的,，通過(guò)對(duì)幀頭信號(hào)波形寬度的采樣,、測(cè)量可以確定響應(yīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以判別一幀數(shù)據(jù)的有效性,。幀頭信號(hào)一個(gè)編碼的寬度與同幀內(nèi)數(shù)據(jù)段一位數(shù)據(jù)編碼的寬度是相等的,。從前面的計(jì)算可知，幀頭信號(hào)一個(gè)編碼的高電平寬度可小到tw(即2.7 μs),，由于測(cè)量沒(méi)有附加另外的硬件,，直接由MCU完成,，因此要求MCU具有相對(duì)較高的時(shí)鐘頻率，也就是較小的指令周期,，以確保測(cè)量的精度,。通過(guò)測(cè)量可以確定，幀頭信號(hào)一個(gè)編碼的寬度,，包含n個(gè)MCU的時(shí)鐘周期,，也就是說(shuō)本幀數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)位的寬度為n，其值應(yīng)大于32個(gè)指令周期所包含的時(shí)鐘周期數(shù),。在獲取了數(shù)據(jù)位的時(shí)間寬度以后,，MCU便可以對(duì)它進(jìn)行周期性(同步)的采樣、記錄,，直到接收到一幀完整的數(shù)據(jù)為止,。
4 總體設(shè)計(jì)
    圖3所示為讀寫器的設(shè)計(jì)框圖。發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)AS3990/AS3991編碼,、載波調(diào)制后,，由RFOPX與RFONX兩端差動(dòng)輸出至射頻功率放大器PA，經(jīng)PA放大后的信號(hào)通過(guò)隔離器由天線發(fā)送出去,。經(jīng)天線接收的信號(hào)通過(guò)隔離器后輸送到AS3990/AS3991的輸入端MIXS-IN,，由AS3990/AS3991進(jìn)行混頻、增益,、濾波,、數(shù)字化后得到數(shù)字信號(hào)，再送給MCU處理,。AS3990/AS3991與MCU的接口既支持并行連接,，也支持串行連接；AS3990/AS3991的初始化在MCU的控制下通過(guò)并行接口完成,，之后根據(jù)初始化設(shè)定的工作模式選擇并行或串行通信方式,；在支持ISO18000-6A/B協(xié)議的工作模式下，AS3990/AS3991只能輸出串行的數(shù)據(jù)流信息,，解碼,、校驗(yàn)須由MCU完成；而在支持ISO18000-C協(xié)議的工作模式時(shí),，解碼,、校驗(yàn)AS3990/AS3991均已完成，MCU只需要以并行或串行的方式接收數(shù)據(jù)即可,。讀寫器天線設(shè)計(jì)則根據(jù)讀寫距離的需要采用基于PCB板的微帶天線方案或?qū)Ｓ猛饨犹炀€方案,。讀寫器與外部的數(shù)據(jù)通信則設(shè)置了USB接口和RS232接口。如果有需要,，也可以通過(guò)選用不同型號(hào)的MCU方便地支持以太網(wǎng)接口或其他類型的總線接口,。

    本讀寫器的設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單,、調(diào)試方便，因而可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期,。經(jīng)使用測(cè)試證明,，采用上述方案設(shè)計(jì)的讀寫器，標(biāo)簽讀取速度快,，誤讀,、漏讀率低，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性,。
參考文獻(xiàn)
[1] ISO/IEC18000-6：2004(E).
[2] http：//www.austriamicrosystems.com,，AS3990/AS3991 Data Sheet.
[3] http：//www.nxp.com，LPC2104/2105/2106 Product Data Sheet.