隨著UHF頻段中國標準的逐漸明朗化以及物流,、智能交通、數字景區(qū)等應用的需求,，UHF頻段RFID產品在RFID產業(yè)中所占市場份額會越來越大,。開發(fā)出具有數據糾錯,、去冗、存儲和轉發(fā),，以及時間管理功能的智能型讀寫器產品系列將是產品發(fā)展的方向,。

1 硬件系統(tǒng)設計

讀寫器的硬件設計主要包括：射頻控制模塊(硬件和固件結合的固件處理器)、Intel R1000內部集成的射頻收發(fā)模塊,、功率放大PA模塊,，以及外部通信控制和存儲模塊。其中,，射頻控制模塊采用Atmel公司的AT91SAM9263芯片,，主要完成固件控制及智能空中接口協(xié)議、RFID控制邏輯和主機命令解碼的控制,，其與主機間的通信通過USB接口來完成,；射頻收發(fā)模塊包括RF多路復用電路、高頻開關,、循環(huán)器和耦合器電路,；外部通信控制和存儲模塊主要完成上位機與控制芯片間的通信、調試,，以及對固件的控制,。

讀寫器的收發(fā)采用2路獨立的通道，分別由發(fā)送天線和接收天線及其相關的濾波等電路組成,。每組天線系統(tǒng)通過高頻開關外接4組天線,，4組發(fā)送和接收天線可以通過 AT91SAM9263來選擇。發(fā)送和接收分開的方式可以有效地提高RFID系統(tǒng)的整體性能,，降低接收和發(fā)送系統(tǒng)間的干擾,，在實際設計中也可以通過外部電路的改動采用單天線設計。

本設計中采用4組天線,，在特殊場合下可以有效地擴大電子標簽TAG的接收空間和范圍,。

硬件結構框圖如圖1所示。UHF頻段的RFID系統(tǒng)可分為射頻電路和基帶電路兩部分,。射頻電路部分是標簽和讀寫器之間的高頻接口,，用于完成高頻信號的調制／解調、發(fā)射／接收,?；鶐щ娐凡糠种饕獙崿F射頻系統(tǒng)控制、高頻信號的編解碼等功能,，同時完成UHF RFID讀寫器與外部設備或者Host主機之間的通信接口的任務,。基帶電路部分是整個讀寫器平臺的核心控制部分,，支撐著整個RFID讀寫器系統(tǒng)的各項工作,，以完成射頻模塊的控制和通信,。



在讀寫器的設計中，為了能夠對整個系統(tǒng)進行更好的檢測,，實時地了解系統(tǒng)的運行情況,，特意在設計中增加了系統(tǒng)檢測部分。R1000芯片集成有A／D模塊,，但是其精度轉換速率達不到設計的要求,，所以在設計中采用了外部A／D轉換器來完成對檢測信號的轉換，然后將轉換信號傳送給ARM微控制器完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控,。

為了使設備可以組網以及遠距離讀寫和傳輸數據,，設計中采用了 以太網設計，從而使讀寫器可以在更大的距離空間上對標簽讀寫,，并完成大規(guī)模組網,。

Host主機作為整個系統(tǒng)的主控核心負責傳輸控制，ARM微控制器的組網數據傳輸操作也受控于Host主機,。USB接口不僅用作數據傳輸,，而且還用來完成PC機和讀寫器之間的對話。通過設計在PC端的控制軟件,，可以實時地給讀寫器發(fā)送控制信號(如系統(tǒng)復位,、工作使能、標簽讀寫,、數據傳輸,、功率控制等)；同時,，讀寫器將向Host主機反饋相應的狀態(tài)信號 (如天線開關狀態(tài),、功率信號等)，從而配合上層軟件來控制系統(tǒng)的工作過程,。最后,，通過JTAG接口來完成對讀寫器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測和調試，從而準確無誤地驗證在整個讀寫器工作過程中,，標簽讀寫和數據處理的正確性和可靠性是否滿足設計要求。

在設計中,，R1000射頻芯片不但集成了大量的射頻元件,，而且在內部集成了溫度檢測和功率檢測功能，在內部各個關鍵的核心射頻電路有外接的檢測輸出引腳,，從而使板卡的運行狀況和功率檢測實現了實時的檢測和控制,，能夠保證系統(tǒng)的良好運行。

2 外部PA電路設計

2.1 總體設計

在采用內部 PA(Power Amplifier,，功率放大器)時,，RFID讀寫器的作用距離十分有限(2 m),，這在很大程度上限制了RFID超高頻讀寫器的應用。本設計中在輸出功率需求下,，R1000的片上PA作為外部功率放大的一個驅動,，通過外部PA子板來完成信號功率放大，然后連接至主板,。其中,，Balun為平衡轉換器。

Intel R1000的內部PA輸出經過一個偏置匹配網絡連接到一個SMA(Sub-Miniature-A)連接器上,，然后通過SMA輸出到PA子板作為其外部 PA驅動,，其連接如圖2所示。



在設計中主板和PA子板之間通過同軸線纜來連接,。如果要對R1000的輸出進行測試,，可以將同軸線纜斷開，通過SMA接口用儀器進行測試,。其電路設計框圖如圖3所示,。

R1000內部PA的輸出信號在經過PA驅動后，再經過一個3 dB的正交混頻耦合芯片XC0900E-03S將信號轉換為2個正交90°的信號,，然后輸出到2個平行的集成功率放大芯片MAAP- 007649-000100,。此放大信號經過一個諧波抑制的低通濾波器(LPF)后，通過同軸線纜輸出到主板上的定向耦合器,，然后經過輸出通道輸出,。經過 PA子板的放大后，可以在900～930 MHz(美國)和865～868 MHz(歐洲)頻段輸出+34 dB的輸出功率,。其全部增益通過多級放大電路來實現,。

PA子板采用了獨立電源供電的方式，可以保證功率放大電路對穩(wěn)定電源的需求,，輸入電 壓為7.5 V,，采用外部線性DC適配器輸入。其工業(yè)工作溫度范圍為-20～+75℃,。輸入PA子板的信號為R1000射頻芯片輸出的最大+10 dB調制信號,。在PA子板中PA具有固定增益，因為R1000支持變換增益范圍,，其可輸入PA子板的信號范圍為-6～+10 dB,，PA的變化增益范圍大概是15～30 dB，可以支持在TX通道上16 dB的變化增益,，變換間隔為0.5 dB,。

2.2 外部 PA中衰減帶通濾波器設計

衰減帶通濾波器功能電路的原理圖如圖4所示。其中,，NR為留的測試點,。具體的參數設置如圖5所示,。我們設計的超高頻使用頻率范圍是860～960 MHz，在外部PA設計中,，通過Multisim軟件對PA中帶通濾波器進行仿真,，來測試讀寫器的使用頻率范圍。圖6是仿真結果,。



PA最大的線性功率輸出大丁或等于34 dB,，考慮到大約3 dB的多路損耗和濾波損耗以及1 dB的線纜和開關損耗，天線端口的輸出功率大約有+30 dB,。PA板卡的噪聲干擾可以控制在6 dB以內,，整個PA系統(tǒng)的輸入輸出阻抗為50 Ω。在設計中要特別注意PA的散熱設計,，可以通過溫度感應調整PA的方式來補充直接的散熱設計,，從而更為有效地控制功率和優(yōu)化散熱設計。通過電源控制電路可以在需要時關閉PA,，降低整個板卡的功耗,。

結  語

本文以設計一種UHF超高頻射頻讀寫器為目的，設計 了基于射頻芯片Intel R1000和AT91SAM9263微控制器的讀寫器系統(tǒng),，增加了外部PA設計,，從而大大增加了讀寫器的讀寫距離。本文所研究的讀寫器基帶系統(tǒng)和射頻系統(tǒng),，對RFID讀寫系列產品的設計具有一定的借鑒意義,。