基于Intel R2000的UHF RFID讀寫器的設(shè)計

摘要：設(shè)計出一種超高射頻識別系統(tǒng)(UHF RFID)讀寫器設(shè)計的新方案。該讀寫器采用了Intel R2000收發(fā)器芯片、AT91SAM7S256微控器，方案符合lSO 18000-6C和EPC global Gen2標準，工作頻率為840～960 MHz，標簽識別距離可達10 m。重點給出了讀寫器硬件系統(tǒng)組成和軟件工作流程，同時介紹了相關(guān)射頻電路。
關(guān)鍵詞：射頻識別；超高頻；ISO 18000-6C；R2000

0 引言
    近年來興起的射頻識別技術(shù)(RFID)是以無線電磁波信號通過近場或遠場方式與標簽交換能量與信息，實現(xiàn)識別目的的技術(shù)，具有數(shù)據(jù)容量大、無需接觸讀寫、保密性高、壽命長、抗干擾能力強等優(yōu)點。在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理以及物流管理等領(lǐng)域的應用越來越廣泛。按工作頻段，RFID系統(tǒng)可分為低頻、高頻、超高頻和微波等幾類。目前大多數(shù)RFID系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng)，但超高頻頻段的RFID系統(tǒng)具有操作距離遠、通信速度快、成本低、尺寸小等優(yōu)點，更適合未來物流、供應鏈領(lǐng)域的應用，也為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)提供了可能。
    本文介紹了一種新型UHF頻段RFID讀寫器設(shè)計方案。該讀寫器是基于Intel R2000芯片、以AT91SAM7S256為微控制器，符合ISO 18000-6C和EPC global Gen2標準。與傳統(tǒng)超高頻RFID系統(tǒng)相比，該方案簡化了設(shè)計過程、減小了讀寫器體積、降低了生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

1 讀寫器系統(tǒng)框圖
    基于R2000的讀寫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中控制器采用ARM7內(nèi)核處理器，除了R2000的一些必要外圍元件，系統(tǒng)和天線之間必須加環(huán)行器以滿足單天線應用，TX口還必須加功放模塊。根據(jù)讀寫器的系統(tǒng)框圖，主要器件選型如下：

1．1 RFID寬頻環(huán)行器HYG504XX
    作為單天線應用的收發(fā)隔離，環(huán)形器一般用亞鐵磁性復合材料制成，這種材料具有各向異性的特點，環(huán)形器為三端口器件，端口1為輸入，端口2為輸出，端口3為隔離端口，能量幾乎不能穿過，以此類推，一般UHF讀寫器上用環(huán)形器使信號按順時針方向流通，當端口1為TX輸出時，RF信號會從端口2流過，而端口3即RX端口為隔離端，具體隔離度需參考器件參數(shù)和LAYOUT效果；相反，當端口2作為收發(fā)復用端接收信號時，信號會按順時針方向進入端口3，此時泄露到TX端口的能量非常小，可以忽略，而TX泄露到RX端口的能量很大程度上影響著接收機靈敏度即實際識別效果，因此需根據(jù)接收端LNA參數(shù)，在RX端加衰減器對TX泄露信號進行有效隔離，但由此產(chǎn)生一個問題，因為RX接收的有用信號本身就很少，在進行TX端泄露信號衰減的同時，RX端有用信號也被進一步削弱，因此也會影響到LNA的接收，因此，用環(huán)形器做收發(fā)隔離只能在一定程度上產(chǎn)生效果，對于TX輸出功率給定且：ERP不超過相關(guān)規(guī)定的情況下，要提高接收機靈敏度，必須考慮增大收發(fā)兩路的隔離度，視具體需求而定。
1．2 射頻開關(guān)HMC174
    用來控制射頻輸出的通斷。在900 MHz頻段內(nèi)，輸入的1 dB壓縮點可以達到39 dBm，充分保證了HMC174可以承受輸入很高的射頻功率。輸入3階截取點可達到60 dBm，而前一級頻率合成器的輸出功率在3 dBm以內(nèi)，因而保證了信號通過射頻開關(guān)后的高線性度，最大限度地減少了射頻信號的失真。
1．3 射頻功率放大器PF01411B
    PF01411B用做放大R2000的TX端輸出信號，使其滿足最大功率的輸出要求。PF01411B的主要特性為：高增益：三級放大，輸入功率0 dBm；高效率：輸出功率在35．5dBm時可達45％；增益控制范圍寬：典型值可達70dB。
1．4 射頻數(shù)控衰減器HMC273
    HMC273用做衰減R2000的TX端輸出信號，功率校正用。
1．5 Impinj Indy R2000 UHF RFID讀寫器芯片
    R2000是新一代UHF頻段RFID讀寫器SoC芯片，符合EPC global UHF Class 1 Gen 2／ISO 18000-6C國際標準，內(nèi)部集成ASK調(diào)制解調(diào)器、濾波器、功放、FPGA等模塊。
1．6 微處理單元AT91SAM7S256
    該器件是32位微控制器，大大提升了微控制器的實時性能，整合了全套安全運行功能，包括由片上RC振蕩器計時的監(jiān)視器、電源以及閃存的硬件保護等。此外，該器件在最差條件下可以30 MHz的速度進行單時鐘周期訪問。
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2 電源模塊和外設(shè)
    電源模塊提供5 V，3．3 V，1．8 V的電壓，和外設(shè)做在同一塊底板上。適配器輸出的12 V直流電壓通過單片開關(guān)電源LM2676轉(zhuǎn)換成5 V，如圖2所示，其他所需電壓值通過LM1117系列LDO產(chǎn)生，如圖3所示。外設(shè)只提供以太網(wǎng)口、USB口、串口。

    AT91SAM7S256自帶以太網(wǎng)MAC，只需選用一片PHY，這里選DM9161AEP，電路如圖4所示。[!--empirenews.page--]
    PHY和MAC的接口采用RMII接口，以太網(wǎng)接口采用集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器的HR911105A，增加信號傳輸?shù)目煽啃?。USB的接口電路如圖5所示，由于AT91SAM7S256芯片自帶USB控制器，這部分電路相對簡單，只需按照ATMEL的參考電路進行設(shè)計即可。串口電路如圖6所示，其中一個用做調(diào)試，在沒有顯示設(shè)備的情況下，啟動信息等可以從這個串口打印輸出到Windows中的超級終端上，方便設(shè)計前期的調(diào)試過程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計主程序
    讀寫器在主機監(jiān)控下進行工作，該系統(tǒng)與主機之間形成主從通信模式。主控模塊上電完成正常初始化過程后，就進入等待狀態(tài)，等主機發(fā)來指令，當接收到主機指令后，按照主控程序進行相應的工作。處理完畢后，將所得信息送往主機。主程序流程如框圖7所示。

4 結(jié)語
    本文采用Impinj最新的R2000進行UHF RFID設(shè)計，可支持多協(xié)議兼容，標簽處理速度高達每秒400多張，此超高頻射頻識別系統(tǒng)尤其適用于物流、供應鏈領(lǐng)域。實驗表明，以此為核心的讀寫器防碰撞性能好、高級DRM算法支持每秒處理400個標簽。這些特性減小了設(shè)備的開發(fā)復雜度，縮短了設(shè)備的研發(fā)周期，提高了系統(tǒng)性能，加快了設(shè)備的上市時間。