趙夢(mèng)軍，戴爾晗，徐君，陳誠(chéng)，周順利

　　（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

　　摘要：設(shè)計(jì)一種射頻識(shí)別讀寫(xiě)器，包括射頻收發(fā)芯片、巴倫電路、功率放大電路、衰減器、低通濾波器、耦合器、收發(fā)天線、微控制器模塊、RS232接口和USB接口。該射頻識(shí)別讀寫(xiě)器通過(guò)優(yōu)化電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)組件、電路和模塊的合理選型，使得整個(gè)射頻識(shí)別讀寫(xiě)器的工作穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行信息讀取，應(yīng)用范圍廣，實(shí)用性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；讀寫(xiě)器；多接口

0引言

　　傳統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，尤其以條形碼技術(shù)為典型代表，無(wú)論在商業(yè)領(lǐng)域還是在物流、金融等領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用，成為一種重要的信息采集手段。其符號(hào)表示方法已從一維條碼發(fā)展到二維條碼，但條碼技術(shù)存在一些技術(shù)缺陷，如安全性低、信息無(wú)法更改、信息讀取速度慢、通信與抗干擾能力差等。此外，條碼識(shí)別技術(shù)在多目標(biāo)識(shí)別及圖1讀寫(xiě)器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖高速目標(biāo)識(shí)別方面完全無(wú)用武之地，使得條碼技術(shù)的應(yīng)用存在很大的限制，已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前的應(yīng)用需求。根據(jù)上述出現(xiàn)的問(wèn)題，射頻讀寫(xiě)器應(yīng)運(yùn)而生。射頻讀寫(xiě)器以其讀寫(xiě)速率快、識(shí)別距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)管理等方面得到了廣泛應(yīng)用。

　　射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)空間耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，并且通過(guò)傳遞的信息來(lái)達(dá)到信息識(shí)別的目的。高速傳遞且距離遠(yuǎn)是射頻識(shí)別系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，該技術(shù)非常適用于運(yùn)輸、交通以及物流等領(lǐng)域［1］。

　　在應(yīng)用實(shí)例中，產(chǎn)品上要附有標(biāo)簽，射頻識(shí)別讀寫(xiě)器從這個(gè)標(biāo)簽上讀取信息。當(dāng)讀寫(xiě)器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)被耦合到標(biāo)簽上，標(biāo)簽利用這種耦合能量來(lái)驅(qū)動(dòng)電路，然后，將處理后的信息再次以電磁場(chǎng)的形式耦合到讀寫(xiě)器的接收天線，從而被讀寫(xiě)器接收處理。

1硬件電路設(shè)計(jì)

　　射頻識(shí)別讀寫(xiě)器的硬件包括射頻收發(fā)芯片、巴倫電路、功率放大電路、衰減器、低通濾波器、耦合器、收發(fā)天線、微控制器模塊、RS232接口和USB接口［24］。整個(gè)系統(tǒng)的示例性結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　1.1微控制器模塊及接口設(shè)計(jì)

　　微控制器模塊采用C8051F340作為核心芯片，要實(shí)現(xiàn)的主要功能是控制射頻收發(fā)芯片工作模式，同時(shí)接收射頻收發(fā)芯片的信號(hào)，用于完成接口指令的接收和發(fā)送［5］。C8051F系列是美國(guó)得克薩斯州的Cygnal公司設(shè)計(jì)和制造的混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)，C8051F有一個(gè)可編程內(nèi)部高頻振蕩器、一個(gè)可編程內(nèi)部低頻振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)時(shí)鐘可以由外部振蕩器電路或任何一個(gè)內(nèi)部振蕩器提供。C8051F340芯片含有64 KB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器和4 352 B片內(nèi)RAM，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，圖3射頻收發(fā)模塊電路原理圖該芯片是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，用戶(hù)軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)，以節(jié)省功耗。C8051F 340采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。

　　微控制器最小系統(tǒng)主要由C8051F340芯片、3.3 V電源電路、復(fù)位電路、調(diào)試電路組成。與微控制器連接的接口有RS232接口和USB接口。電路原理圖如圖2所示。

　　1.2射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

　　射頻收發(fā)模塊采用AS3992作為核心芯片。AS3992是超高頻的RFID讀取芯片，它的接收靈敏度達(dá)到-86 dB，有著可編程的多讀寫(xiě)器模式，在915 MHz頻段工作，可以同時(shí)支持ISO/IEC 180006B和ISO/IEC 180006C通信協(xié)議。芯片的集成度非常高，在其發(fā)射端主要集成了壓控振蕩器、混頻器、鎖相環(huán)、調(diào)制器和功率放大電路，芯片還支持協(xié)議處理的數(shù)字部分，用戶(hù)可以通過(guò)編譯程序來(lái)選擇功率放大電路的使用；在其接收端主要集成了混頻器、低噪聲放大器、中頻放大器和解調(diào)電路；另外，為了降低能耗，芯片采用了多種供電模式。這些都簡(jiǎn)化了芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，內(nèi)部的協(xié)議處理也方便了應(yīng)用開(kāi)發(fā)［6］。

　　AS3992與C8051F340微控制器連接，射頻收發(fā)芯片AS3992用于接收微控制器模塊的指令，處于相應(yīng)的工作模式，以接收和發(fā)射射頻信號(hào)。射頻收發(fā)模塊的原理圖如圖3所示。

　　1.3外置功率放大電路設(shè)計(jì)

　　射頻收發(fā)的芯片AS3992最大輸出功率超出功率放大芯片最小允許輸入功率，為確保功率放大芯片安全工作，在功放前級(jí)中要加入衰減器。為提高信號(hào)的功率和增益的平坦度，采用兩級(jí)放大，前級(jí)功放采用芯片型號(hào)為SXB4089Z，后級(jí)功放采用芯片型號(hào)為MAAP007649000100［7］。射頻識(shí)別讀寫(xiě)器中功率放大電路示意圖如圖4所示。

　　1.4巴倫電路設(shè)計(jì)

　　射頻收發(fā)芯片AS3992發(fā)射以及接收的都是差分信號(hào)，但是收發(fā)天線接收和發(fā)射的都是單端信號(hào)，巴倫電路就是用于將射頻收發(fā)芯片所發(fā)射的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，以及將收發(fā)天線接收到的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。

　　本文采用0900BL18B100巴倫天線信號(hào)調(diào)節(jié)器，其頻率范圍為800 MHz~1 000 MHz，工作溫度范圍為-40℃~85℃。巴倫電路的電路原理圖如圖5所示。

　　1.5收發(fā)天線、耦合器和低通濾波器設(shè)計(jì)

　　收發(fā)天線采用SMB直連器與耦合器連接，耦合器采用RCP890A05電橋耦合器，收發(fā)天線通過(guò)與耦合器的連接可以做到一根天線既可以發(fā)送信息又可以接收信息［8］。

　　低通濾波器采用型號(hào)為L(zhǎng)FCN-1000+的濾波器，該濾波器是具有出色功率處理能力的小型濾波器，工作溫度穩(wěn)定，能夠過(guò)濾1 000 MHz以上的高頻信號(hào)。

　　收發(fā)天線、耦合器以及低通濾波器的電路原理圖如圖6所示。　

　　1.6電源模塊

　　根據(jù)芯片AS3992與C8051F340對(duì)電源的要求，本文選用奧地利微電子公司的升壓轉(zhuǎn)換器AS1340。AS1340的工作電壓是2.7~5.5 V，可提供2.7~50 V的可調(diào)節(jié)輸出電壓；AS1340可以支持自動(dòng)省電模式，可提升在輕負(fù)載下的效率；此外，低功耗設(shè)計(jì)可將工作電流減少到僅30 μA，AS1340 還能提供具有輸出斷開(kāi)功能的關(guān)斷模式，此時(shí)工作電流低于1 μA，AS1340 這種極低的功耗控制可大大延長(zhǎng)電池的使用壽命。AS1340電路圖如圖7所示。

2結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)以C8051F340為微處理器模塊核心，以AS3992為射頻收發(fā)模塊核心，同時(shí)，還有巴倫電路、功率放大/衰減電路、低通濾波器、耦合器以及收發(fā)天線，提供了一種工作穩(wěn)定、能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行信息讀取的射頻識(shí)別讀寫(xiě)器，該讀寫(xiě)器具有遠(yuǎn)距離、低成本、適用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)在無(wú)線電識(shí)別與裝置領(lǐng)域具有一定的理論和研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 吳永祥.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006,22(11):234236.

　　［2］ 李旭梅,黃俊,劉鴻.基于零中頻的聲表面波射頻識(shí)別收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與應(yīng)用，2013,39(2):911.

　　［3］ 黃俊祥,陶維青.基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(22): 1618.

　　［4］ 李冪.基于ISO180006C標(biāo)準(zhǔn)的UHF RFID讀寫(xiě)器電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué),2010.

　　［5］ 王鐵流,吳丹丹,李成.基于C8051F320 USB接口的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路［J］.電子產(chǎn)品世界，2006(12):101103.

　　［6］ 譚海燕,崔如春，肖志良，等.基于AS3990/AS3991的超高頻RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用, 2010，36(3):5456.

　　［7］ HAN S, KIN M S, KIM H C.A CMOS power amp lifier for UHFRFID reader systems［C］. 13th International Conference on Advanced Communication Technology,2011:5760.

　　［8］ 李寶山． 無(wú)源高頻RFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線電工程，2008，38(5):3538．