随着物联网在智能电网、智能交通、智能物流和生态监视等国民经济方方面面的大量应用,UHF频段的RFID技术更是发展迅速,它是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号可以自动识别目标对象、获取相关数据,识别工作无须人工干预,适用于各类恶劣环境。RFID系统由标签、读写器和天线三部分构成,其中RFID读写器最为关键。

1系统方案设计

基于AS3992芯片的远距离RFID读写器系统主要包括射频部分和基带部分,如图1所示。射频部分围绕RFID集成芯片AS3992展开设计,环路滤波器配合内置VCO产生精确频率;发射链路主要由巴伦、功率放大器、耦合器、高频开关和多路天线接口组成,在关键通路上使用LC网络和π型网络调整阻抗匹配;射频接收链路由天线、高频开关、耦合器、低噪放和巴伦组成。基带部分配置了可升级的MCU主控制器及通用外围接口。



图1 RFID读写器系统框图


2硬件电路设计

2.1 AS3992及其外围电路

AS3992是奥地利微电子推出的一款高性能UHF频段的读写器芯片,它集成了混频器、增益滤波器、压控振荡器、锁相环、模数/数模转换器等模拟前端,并且内置了ISO18000-6C的完整协议处理系统。外部控制器仅需通过8位并口或者SPI口即可实现对AS3992的所有通信和控制。

UHF载波信号的通信频率为840 MHz~960 MHz,AS3992集成了VCO、预分频器、主除法器、参考除法器、鉴相器和电荷泵,外围电路只要提供一个环路滤波器即可组成一个完整的锁相环(PLL)电路,如图2所示。PLL的输出频率由参考除法器的设定值和主除法器的乘积决定。电荷泵(CP)的主要作用是将数字逻辑脉冲转换为模拟电流。CP信号经过低通滤波器反馈到VCO引脚用来调整振荡器频率精度。为了获得稳定的VCO调谐电压,外部的环路滤波电路特别重要,它起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止VCO调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰等重要作用。



图2 锁相环结构图


2.2射频发射电路

AS3992芯片射频信号以差分对的形式输出,使用LC阻抗匹配网络可以将巴伦的输入端阻抗精确匹配到100Ω,通过2:1的巴伦即可输出单端UHF信号。若仅使用AS3992内部功放,则其输出功率最大仅为20 dBm,只能满足近距离读写。若要达到更远的读写距离,必须通过外部功率放大器进行无失真放大;同样为了整条射频线路的阻抗匹配,在巴伦和功放间放置π型滤波网络进行阻抗微调。

功率放大器可以将已经被调制过的高频载波信号进行功率放大,经过天线辐射到周围以满足接收机需要的激励电磁场强度,并且对相邻信道不产生影响。功率芯片SKY65111采用三级电压控制,1 dB压缩点增益在29.5 dBm.使用AS3992自带的DAC,结合电压跟随器可以方便精确地调节功放的输出功率;此外当外部功放固定时,通过AS3992自身发射功率的调节亦可适应不同距离的应用。

微波信号输入/输出的隔离需要通过耦合器,经过耦合器出来的信号进入一分四高频切换开关SKY14151,把一路信号根据应用需要可以切换到任一选中的天线接口。读写器设计的4个天线接口,不仅扩展了其应用距离,而且由于一个读写器可以有多个分节点发送和接收信息,当4个天线都对准同一个方向时,还能够减少单天线的盲区降低误码率。

为了增加RFID读写器的最远距离,还需要对其发射功率进行检测。发射功率太大不仅会引起失真,还容易泄露到接收端形成干扰,所以一旦功率检测器件监控到大于设定功率时,通过主控制器数字PID和DAC把微调量加载到功率芯片SKY65111的二三级电压控制端,使得发射功率可控。

2.3射频接收电路

基于AS3992芯片的射频接收电路相对简单,因为它把混频器和滤波器集成在了AS3992芯片内部,外围电路只需要增加一片1:2的巴伦,就可以把单端信号转换成差分对信号,送入AS3992芯片的射频接收管脚。为了减少杂波干扰提高射频接收信号的纯度,在耦合器和巴伦之间加上一片低噪放,使得巴伦的输入信号被限制在840 MHz~960 MHz之间。

3软件程序设计

AS3992的固件程序写在MCU主控制器中。把RFID系统通过外围接口与计算机连接起来,上电后首先对AS3992芯片初始化;成功之后可以进行频段、天线接口和输出功率的设定(频段选择取决于各国标准,天线接口可以根据需要切换,输出功率的大小通常决定了读写距离的远近);主控制触发查询标签动作,若发现天线辐射有效范围内有标签存在,则选中标签准备通信,否则反复查询;主控制器和标签通信握手成功后,把标签信息送回上位机,完成一次读卡操作。系统程序流程图如图3所示。



图3 RFID系统程序流程图


4系统测试

使用频谱仪对所设计的RFID系统进行性能测试,天线接口的发射频谱如图4所示,最大发射功率为27 dBm.当把发射功率设定在15 dBm时,从如图5的发射频谱上可以看到,信道功率为14.31 dBm,占用带宽(99%能量)为119 kHz.

本文设计了一个基于UHF频段的远距离RFID模块化系统。随着数据传输和分辨率的要求提高,MCU主控制器可以不断升级,以适应事务控制的扩充和处理速度的提高。本设计对输出功率的检测可以防止盲目增大发射功率导致接收干扰而影响识别距离的问题。目前,本系统已成功运用于宝钢热轧环形轨道运输车的定位。