超高頻RFID讀寫器有怎樣的設計原理

出處:集賢網 發佈於:2020-02-28 15:32:00

  RFID系统通常主要由電子標籤、讀寫器、天線3部分組成。讀寫器對電子標籤進行操作,並將所獲得的電子標籤信息反饋給PC機。射頻識別技術以其獨特的優勢,逐漸被廣泛應用於生產、物流、交通運輸、防僞、跟蹤及軍事等方面。按工作頻段不同,RFID系統可以分爲低頻、高頻、超高頻和微波等幾類。目前,大多數RFID系統爲低頻和高頻系統,但超高頻頻段的RFID系統具有操作距離遠,通信速度快,成本低,尺寸小等優點,更適合未來物流、供應鏈領域的應用。儘管目前,RFID超高頻技術的發展已比較成熟,也已經有了一些標準,標籤的價格也有所下降;但RFID超高頻讀寫器卻有變得更大,更復雜和更昂貴的趨勢,其消耗能量將更多,製造元件達數百個之多。然而,這裏的設計採用高度集成的R1000,可以解決上述問題,既可降低芯片設計中的複雜性和生產成本,又能使製造商製造出體積更小,更有創新性的讀寫器,從而開拓新的RFID應用領域。

  1、读写器硬件结构设计

  該設計選用W78E465作爲主控模塊,IntelR1000收發器作爲射頻模塊。該設計可以作爲手持終端,並用RS 232串行通信模塊和電平轉換接口MAX232與上位機相連。系統硬件原理見圖1。

  

  1.1 主控模块

  W78E365是具有帶ISP功能的FLASH EPROM的低功耗8位微控制器,可用於固件升級。

  它的指令集與標準8052指令集完全兼容。W78E365包含64KB的主ROM,4 KB的輔助FLASH EPROM,256B片內RAM;4個8位雙向、可位尋址的I/0口;一個附加的4位I/O口P4;3個16位定時/計數器及1個串行口。這些外圍設備都由有9箇中斷源和4級中斷能力的中斷系統支持。爲了方便用戶進行編程和驗證,W78E365內含的ROM允許電編程和電讀寫。一旦代碼確定後,用戶就可以對代碼進行保護。

  W78E365內部ROM僅64 KB,內存太小,故採用AT29C256作爲外擴ROM.線路連接見圖2

  

  1.2 收发模块

  射頻模塊採用Intel R1000收發器。R1000內包含了一個能源擴大器,使得它可以在近距離或者2 m內對標籤進行編碼和閱讀,而具體距離由讀寫器所使用的天線決定。有了額外的外部能源擴大器,使用R1000讀寫器的讀寫範圍可以達到10 m.R1000必須與單獨的微處理器連接,這個微處理器可以把由R1000數字信息處理器產生的原始數據轉換成EPc或者18000-6c格式的代碼,其工作頻率爲860~960 MHz,共有56個引腳,採用0.18μmSiGe BiCMOs先進工藝,體積僅爲8 mm×8 mm,功耗只有1.5 w左右,具有很高的集成度。

  R1000與W78E365的連接見圖3.射頻信號經天線進入電橋,輸出信號被分爲兩路,一路信號經過帶通濾波器和不平衡到平衡的轉換進入R1000的射頻輸入口。另一路信號經不平衡到平衡的轉換進人R1000的本振輸入口。這兩路信號在R1000內部經過解調和模/數轉換等一系列操作後,將所得的數字信息送給W78E365.W78E365對收到的信號經解碼和校驗,將所得信息送往上位機,並將其對R1000的命令編碼和加密後發送給R1000.這些命令在R1000內部經過調製和PA,再經過平衡到不平衡的轉換和濾波,由天線發射出去。數字模塊中的時鐘驅動來自於外部TCXO產生的24 MHz參考頻率。

  系統中通過∑-△DACS的信號頻率爲24 MHz;通過∑-△ADCS的信號頻率爲48 MHz。

  

  R1000內部集成了接收器和發射器。實質上,接收器是一個零中頻接收機。下變頻後,直流的大部分被複位,由交流耦合電容器濾除。模擬中頻濾波器提供粗略的頻道選擇。它具有可編程帶寬滿足大範圍的數字通過率。該濾波器可以配置成兩個實際的低通濾波器,也可以配置成複雜的單相帶通濾波器。經濾波後,I,Q信號被數/模轉換器轉換成數字信號。濾波器中自動中頻增益的升高會降低模/數轉換器的動態範圍。

  R1000中,發射器支持同相正交矢量調製和極化調製。前者,用於SSB-ASK調製和反相幅移鍵控調製;後者,用於DSB-ASK.在這兩種調製方式下,數字模塊產生的信號,經過∑一△數/模轉換器和重建濾波器轉換成模擬信號。

  在SSB-ASK調製方式下,基帶編碼信號經希爾伯特濾波器產生複合的同相信號I和正交信號Q,經∑-△數/模轉換器將I,Q數字信號轉換成模擬信號,進入模擬模塊,該模擬信號經天線發射出去。在PR-ASK調製方式下,用混頻器將信號反相彌補AM部分的時延,反相時延控制有一個可編程時延,使極化調製的相位與幅度之問的時間錯誤趨於值。在DSB-ASK調製方式下,基帶編碼和脈衝信號同樣也經過希爾伯特濾波器產生一個複合的I,Q信號。所不同的是脈衝成型信號預先進行了扭曲,這樣可以補償調幅傳遞函數中的非線性。這個經過預先扭曲的調幅控制信號經過∑-△數/模轉換器轉換成模擬信號,通過天線發射出去。

  基於功率要求和調製方式的不同,R1000有全功率非線性,低功率非線性和線性3種發射模式。在DSB-ASK調製模式下。R1000採用全功率非線性發射模式。爲了發射R1000允許的天線上發射功率值爲+30dBm,需在R1000外部接1個PA.採用class―C極化調製能夠提高系統的功率效率。在這種發射方式下,只有在DSB―ASK調製方式纔有效。低功率非線性發射模式與全功率非線性發射模式相似,只是外部不再需要PA.相反,只使用內部較低的輸出功率,在這種發射方式下只有DSB―ASK調製方式有效。在線性發射模式下,R1000的PA―out信號與外部線性PA相連,這是因爲SSB―ASK調製方式要求1個線性的PA.需要指出的是在R1000外部接1個PA時,會增加系統的複雜度,但同時放大了傳輸信號的功率,使信號傳輸距離更遠,提高了讀寫器的讀寫距離。

  基於C超高頻RFID技術而生產的北京旭航電子新技術有限公司的電子封印,將半導體芯片與普通封印整合爲一提,形成具有安全、防僞的智能封印;洗脫液計算機的廣泛普及及應用,通過智能封印管理系統對封印實現電子化、信息化管理,完善計量部門日常對封印的巡檢監督監察。

  1.3 天线

  對Intel R1000超高頻收發器,基於不同的天線子系統,天線有兩種配置情況。種情況是單天線模式。在這種情況下,用一個迴路來隔離發射路徑和接收路徑,每根天線都具備接收器和發射器的功能。第二種情況是雙天線模式。同樣用分離的天線將接收器和發射器連接起來,通常情況下,兩根獨立的天線由一個開關控制,每根天線僅具備接收器功能或發射器功能。

  對單天線模式,因天線的反射係數並不理想,所以接收增益不能太大,會有飽和的問題。以R1000的高接收靈敏度,可以搭配-10 dB左右的Coupler,視整體線路的隔離而定;對於雙天線模式,天線的收發隔離比較理想,接收路徑可以使用高增益。

  該設計採用雙天線模式,用矩形微帶天線和同軸電纜構成讀寫器的天線。該微帶天線的基板材料採用介電常數比較高的陶瓷基片,厚0.635 mm.天線寬爲70.5 mm,長爲52.689 mm,微帶線寬度爲0.598 mm,饋電點選取在天線寬邊中心。經過ADS仿真,該天線中心頻率爲915 MHz.爲減小天線反射係數,達到較理想的匹配,對天線串聯一根長度爲18.471 mm,阻值爲50Ω的傳輸線,然後再並聯一根長度爲24.678 mm,阻值爲50Ω的傳輸線。經ADS仿真優化得知,在中心頻率915 MHz處,天線輻射方向上的方向性係數爲3.535;效率爲40.087%;增益爲1.417。

关键词:RFID

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