射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術是一種新興的非接觸式自動識別技術，在工業自動化、商業自動化、物流管理、防偽以及軍事等眾多領域都有廣泛的應用前景。其中UHF RFID成為目前最受關注的RFID應用方向，依據的協議標準是ISO18000-6C。

    國內從事RFID技術研究的廠商并不多，在UHF頻段的研發就更少，其技術普遍不成熟。因此研究UHF RFID閱讀器是業界迫切的需要。
1 閱讀器工作原理
    RFID系統如圖1所示，閱讀器與后臺應用程序連接的情況下，讀取和寫入等命令均由后臺應用程序發出，若沒有連接后臺應用程序，命令則由閱讀器自身發出。閱讀器采用PIE編碼向標簽發送命令，調制方式采用雙邊帶振幅移位鍵控（DSB-ASK）[1]，調制深度90％以上；標簽采用FM0或Miller編碼向閱讀器反射應答信息，調制方式為反向散射ASK調制，調制深度10％左右。其基本工作流程如下：

    （1）閱讀器向標簽發送一段時間的空載波，使得標簽有足夠的能量上電復位，計算存儲區的CRC16。
    （2）閱讀器發送盤存命令，開啟一次標簽的讀寫過程，接著發送一系列命令完成標簽的識別。
    （3）閱讀器解析標簽回送的數據，經過串口傳送給后臺應用程序。
2 閱讀器總體設計及實現
    閱讀器總體上分為3個模塊：數字基帶模塊、后臺應用程序接口模塊和射頻發射接收模塊。系統總體結構圖如圖2所示。

    數字基帶模塊中的FPGA芯片主要負責Miller解碼和PIE編碼，解碼后得到的數據傳到ARM做進一步分析。PIE編碼則通過引腳輸出到功率放大器芯片的開關引腳，控制芯片的開或關，從而實現ASK調制。ARM主要負責ISO18000-6C協議的實現以及各種命令參數的設置等。
    后臺應用程序接口為串口，將ARM得到的標簽信息傳入PC機相應的程序中，以備后續的應用。并且接收應用程序發出的RFID標準命令（此時可以不用ARM來產生命令）。
    發射電路由915 MHz載波發生芯片、線性放大器芯片和功率放大器芯片構成。接收電路由四路包絡解調電路、差分放大器和電壓比較器構成。定向耦合器負責收發電路之間的隔離，提高接收機的接收靈敏度。
3 閱讀器硬件系統設計
3.1 射頻前端電路設計
    射頻發射電路包含載波發生電路、線性放大電路和功率放大電路。采用專用芯片SI4133產生915 MHz載波，誤差10％左右。載波經過線性放大器放大，使其信號的幅度在功率放大器正常放大范圍內，以避免信號失真。功率放大器采用RF2173芯片實現，由于功率放大電路需要比較大的電流，所以在PCB設計時[2]，這部分需要單獨供電，并且布局應在板子的邊沿，使其芯片能夠很好地散熱。最后是微帶線的設計[3]，微帶線設計采用ADS仿真實現，主要完成天線的阻抗匹配。
    接收電路采用零中頻接收機方案[4]，只需要一級同頻混頻器就可以得到基帶信號，結構簡單。但由于收發電路均采用同一根天線，發射電路的信號會泄漏到接收電路中，由于發射電路的信號強度強于接收電路的信號，如果不加入定向耦合器進行收發隔離，會降低接收機的接收靈敏度。不同于傳統方案中的兩路I/O包絡解調，這里采用4路包絡檢波電路[5]，可以解決接收模糊點問題。檢波后的信號幅值十分微弱(10 mV左右)，需要經過如圖3所示的差分放大器進行放大。差分放大后得到的兩路信號進入電壓比較器后可得到Miller編碼波形。

3.3 后臺應用程序接口電路
    后臺應用程序接口電路如圖5所示，主要由USB轉串口芯片構成。該電路將標簽的特征信息如EPC、TID、USER等上傳到PC機的上位機程序中以備后續的應用。

4 閱讀器軟件設計
4.1 ARM程序設計
    ARM程序設計流程如圖6所示，主要完成ISO18000-6C協議的實現。閱讀器首先給標簽發送一段時間的空載波，標簽將載波能量轉換為電能，完成自身的復位；然后閱讀器給標簽發送Query命令開啟一次盤存，標簽在協議規定的時間內回送16 bit偽隨機數（RN16）；閱讀器收到RN16后，將它作為ACK命令的一部分發給標簽；標簽收到ACK命令后，首先對其進行CRC16校驗，之后檢查RN16是否匹配，如果都滿足則發送自身特征信息EPC給閱讀器；閱讀器將收到的EPC信息通過串口發給上位機；如果需要對標簽進行讀或寫訪問，則發送Req_RN命令獲得標簽的句柄，該句柄不僅用于讀寫命令，一些可選命令(如：Kill、Access、Lock等)也都需要它。如果還有數據傳送，則再次使能串口發送，否則重新發Query命令，開啟新的盤存過程。

4.2 FPGA程序設計
    FPGA程序總體上分為PIE編碼模塊和Miller解碼模塊，程序編譯環境為QuartusⅡ9.0。
    PIE編碼模塊接收ARM傳入的命令數據后，首先根據具體命令生成不同的幀頭，因為Query命令的幀頭不同于其他命令；然后編碼命令數據。由于PIE編碼中數據0和數據1在編碼上表現為波形長度的不同，所以只需用計數器驅動引腳在不同的時間輸出高低電平即可完成編碼。圖7所示的波形為QuartusⅡ9.0內嵌的邏輯分析儀SignalTap采集FPGA器件產生的PIE編碼波形。可以看出閱讀器發出Query命令后，收到了標簽RN16的Miller碼波形。

    Miller調制副載波技術中，當M=2、4、8時，用Miller編碼基帶波形去調制副載波序列，這里采用M=2的編碼規則。Miller編碼規則為：(1)每個符號含有M個副載波周期；(2)符號‘0’期間不發生相位翻轉；(3)符號‘1’中間處發生相位翻轉；(4)只有在相鄰符號都為‘0’時，符號分界處才發生相位翻轉。另外，在每一幀電子標簽返回讀寫器的數據前都有幀前導序列。解碼器主要完成幀前導序列檢測和數據解碼。前導序列檢測到16個‘0’+‘010111’后開始儲存實際數據，如果幀頭有誤或者在解碼過程中發現數據違反編碼規則，則給ARM連接引腳“ERROR”傳一個高電平。Miller解碼波形如圖8所示。
5 測試結果
    閱讀器連接計算機的后臺應用程序即可讀寫標簽，測試結果如圖9所示，閱讀器頻譜如圖10所示。

    根據IS018000-6C標準，采用LPC2148、EP1C3T100C6以及射頻相關芯片，完成了閱讀器的設計。該閱讀器經測試工作正常，既可以單獨工作也可以在PC的控制下工作，使用方便。
參考文獻
[1] International Standards Organization of International Electro-technical Commission．ISO/IEC l8000，information technology-radio frequency identification for item management-Part 6：parameters for air interface communicaitions at 860 MHz to  960 MHz，amendment l：extension with Ty,pe C and
update of types A and B[S].Geneva：ISO，2006．
[2] 李勇明，曾孝平．高頻PCB 設計過程中的電源噪聲的分析及對策[J].重慶大學學報，2004，27(7)：72-74.
[3] 武岳山．阻抗匹配的種類及其在RFID系統中的應用研究[J].現代電子技術，2008，20：21-23．
[4] Chang Kai．RF and microwave wireless systems[M]．John Wiley & Sons，Inc，2000．
[5] LANDT J A，ALAMOS L，MEX N．Multichannel homodyne receiver[M]. The United States of America as represented by the United States Department of Energy，Washington，D.C.Jan.19，1981．