摘 要： 設計實現了一款小型化便攜式UHF RFID讀寫器。采用Impinj公司的射頻收發芯片R1000作為核心芯片，并結合電源管理模塊、ARM7及其外圍電路的設計，實現工作頻率為860 MHz~960 MHz軟件可調，可兼容EPC global Gen2和ISO18000-6C兩種標準。在8 dBi天線下，該讀寫器實現3 m以上的讀寫距離，并且可多標簽讀寫。
關鍵詞： UHF RFID； 讀寫器； R1000； ARM7； 便攜式
R1000芯片是Impinj公司的UHF RFID 便攜式讀寫器核心模塊。R1000內部集成了約90%以上的射頻收發系統所需的元件，采用Atmel公司的ARM7處理器AT91SAM7S256作為MCU，增加外部驅放芯片設計，可在8 dBi增益的天線下實現穩定讀寫距離3 m以上。
1 系統設計
本設計中，UHF RFID讀寫器硬件部分設計主要包括三部分[1-2]： (1)R1000及外圍電路;(2)ARM7及外圍電路;(3)電源管理模塊。如圖1所示，R1000及其外圍電路完成射頻信號的收發、變頻、數模/模數轉換以及數據的調制/解調；ARM7及其外圍電路對來自R1000或主機的數據按照協議進行處理，實現協議功能，并提供對外的通信接口；電源管理模塊接收外部3.7 V DC輸入轉換成系統其他模塊所需要的1.8 V、3.3 V、5 V，并提供相應的帶負載能力。
1.1 R1000及其外圍電路
R1000內部集成了低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器、壓控振蕩器、本振、ADC/DAC、鎖相環和功放等多個功能模塊[3]。結合其外圍電路，R1000可完成射頻信號的發射和接收、混頻、濾波、調制解調、模數轉換和數模轉換等功能，其電路結構如圖2所示。
R1000工作于UHF ISM頻段(840 MHz~960 MHz)，結合簡單的射頻前端電路,可實現完整的射頻收發功能。這些外圍電路主要包括：耦合器、外部功放、功率檢測以及溫度檢測模塊。
1.1.1 功率檢測與溫度檢測
R1000可采用單天線或雙天線模式，根據實際需要，本設計采用單天線模式。單天線前向、反向功率檢測總體結構如圖3所示，其中的“功率檢測1”輸出的直流電平表示反向平均功率，而“功率檢測2”輸出的直流電平表示正向平均功率。如果正反向平均功率比較接近，且正向功率比較正常，說明天線端阻抗失配比較嚴重，需要對電路進行檢查。
R1000的正常工作溫度范圍是-20℃～+75℃。為了了解R1000工作環境的溫度，本設計采用溫度檢測芯片對R1000芯片的工作環境溫度進行檢測，并由R1000內部程序進行處理，防止因極端環境溫度使R1000進入異常工作狀態，甚至物理損壞。
1.1.2 耦合器設計
經過功放放大的射頻信號直接進入耦合器。該信號經過直通端進入發射通道，正向耦合端的輸出信號用于前向功率檢測，而反向耦合端的信號用于檢測天線端的回波損耗。如圖3所示。
(1)前向功率檢測主要是檢測功放輸出信號功率，然后按照本地UHF RFID協議相關規定進行功率校正；也可以作為外部本振信號輸入，用于與接收的射頻信號進行混頻，產生零中頻信號。具體的實現方法是：(1)功率檢測通過高阻跨接在耦合器的正向耦合端，通過電阻分壓和電容耦合，進入功率對數檢測芯片，映射出相對應的直流電壓值，輸入到ARM7，結合線路損耗計算得出功放輸出信號的功率。(2)耦合器的正向耦合端（Pin4）得到的信號經過一個定值衰減網絡，再經過單端轉差分信號，直接輸入到R1000，作為外部本振，并且對信號進行峰值功率檢測。
(2)反向功率檢測主要是檢測天線的回波損耗（根據天線的回波損耗和輸入的功率，也可計算出天線發射出的功率，因此也稱為發射功率檢測）。在天線端阻抗嚴重失配的情況下，ARM7將關閉功放電源，以保護功放不被損壞。具體檢測方法是：(1)功率檢測通過高阻跨接在耦合器的反向耦合端，通過電阻分壓和電容耦合，進入功率對數檢測芯片，映射出相對應的直流電壓值，輸入到R1000，結合線路損耗計算得出發射信號的功率。(2)耦合器的反向耦合端（Pin3）得到的信號經過一組衰減網絡，再經過單端轉差分，直接輸入到R1000作為接收信號并且進行接收信號的峰值功率檢測。
1.1.3 外部驅動放大器設計
由于R1000的輸出功率最大只有+14 dBm，通常其輸出功率為-6 dBm~+10 dBm。在這樣的發射功率下，系統對標簽的讀取距離最大只有約30 cm。為了達到更遠的讀取距離，需要在R1000的輸出端加上一個驅動電路模塊，結合R1000自身的發射功率調節功能，可以使該系統工作在不同使用場合的不同作用距離要求。
1.2 ARM7及其外圍電路
根據R1000的應用文檔說明，本方案采用了ATMEL公司的ARM7芯片AT91SAM7S-256作為MCU，用來實現空中接口協議，完成調試功能，以及通過USB接口或UART口與上位機進行通信[3]，如圖4所示。
在系統開始調試時，首先將R1000底層驅動程序的二進制代碼通過JTAG接口,燒寫到MCU內部Flash中預先劃分的存儲區域內。然后連接MCU和PC機之間的UART接口，在PC機的超級終端界面中，對MCU的通信協議和USB接口驅動進行配置。如果配置成功，重新上電后，超級終端界面中將可以看到MCU與R1000之間簡單的通信測試成功的打印信息。至此，MCU及其外圍電路調試完成，可以正常工作了。
1.3 電源管理模塊
本文設計的UHF RFID讀寫器核心模塊作為一個獨立功能模塊,可直接應用在PC上或是嵌入到其他手持設備中，所以本設計的電源管理模塊所考慮的工作電壓是5 V的DC輸入或是手持電池輸入（3.7 V），再經過內部的電源模塊轉換成模塊所需要的各種電壓[5]，其中數字部分需要的電壓：1.8 V、3.3 V，射頻部分需要的電壓為1.8 V、3.3 V、5 V。
2 系統測試
硬件電路完成后，為測試驅動放大器的性能，以及最終獲得發射天線的信號功率譜(頻帶902 MHz~928 MHz），采用了矢量分析儀和頻譜儀等測試儀器。
結果表明，該讀寫器可在8 dBi天線下，實現3 m以上的讀寫距離，實現了良好的性能。整個讀寫器PCB尺寸為6.5 cm×4 cm，對外提供了USB2.0和UART等通信接口，可以很方便地嵌入到其他host設備尤其是便攜式設備中使用。
參考文獻
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[4] 王劍宇，蘇穎．高速電路設計實踐[M]．北京：電子工業出版社，2010.
[5] 趙建領．Protel電路設計與制版寶典[M]．北京：電子工業出版社，2007．