HF頻段RFID長(zhǎng)距離讀寫器的研究與開發(fā)

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是上世紀(jì)80年代興起并不斷走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)無(wú)線識(shí)別和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。與傳統(tǒng)的條碼、磁卡等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，RFID技術(shù)在工作距離、保密性、智能化及其環(huán)境適應(yīng)能力等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)，且可同時(shí)識(shí)別多個(gè)高速運(yùn)動(dòng)物體，有廣闊的發(fā)展前景[1]。
　　RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、天線、讀寫器三部分組成。讀寫器通過(guò)天線發(fā)送、接收信號(hào)，無(wú)接觸地讀取和識(shí)別標(biāo)簽中所保存的數(shù)據(jù)，并將信息傳送至上位機(jī)進(jìn)一步處理，從而達(dá)到目標(biāo)識(shí)別的目的。由此可見(jiàn)，讀寫器是RFID技術(shù)的核心。目前HF頻段RFID讀寫器的研發(fā)正處于逐步成熟階段，國(guó)際上知名的大公司有TI、Philips等，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商相對(duì)較少，且大部分都是在已有射頻芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字部分的研發(fā)，系統(tǒng)集成商則是在國(guó)外公司知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上根據(jù)客戶需要做適當(dāng)改進(jìn)。
　　HF頻段RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽所獲能量微弱，無(wú)力再向周圍發(fā)射無(wú)線電波，只能反射來(lái)自讀寫器的電磁波,故標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)微弱，影響讀寫距離。本文針對(duì)這一問(wèn)題，在介紹電子標(biāo)簽的基礎(chǔ)上，給出了一種基于開放式門禁系統(tǒng)應(yīng)用的讀寫器設(shè)計(jì)方法，提出將模擬板、數(shù)字板分別研發(fā)的思想，大大提高了讀寫距離。該讀寫器工作頻率為13.56MHz，符合ISO-15693協(xié)議。硬件電路采用TI的TMS320F2812為主控芯片，以符合ISO-15693協(xié)議的所有無(wú)源標(biāo)簽為讀寫目標(biāo)，軟件設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)了多卡識(shí)別的防碰撞算法。
1 電子標(biāo)簽簡(jiǎn)介
　　每個(gè)電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，內(nèi)部一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，且具有無(wú)法修改、仿造、全球唯一的識(shí)別號(hào)（UID）。在HF頻段RFID系統(tǒng)中，當(dāng)讀寫器處于工作狀態(tài)時(shí)，與其相連的天線線圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率(13.56MHz)的電磁波。當(dāng)無(wú)源電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域時(shí)，在該電磁波的激勵(lì)下，標(biāo)簽內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生諧振，從而使電容充電而產(chǎn)生電荷。該電容又通過(guò)一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷泵送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。當(dāng)后者充電達(dá)到2V時(shí)，它就可用作為標(biāo)簽內(nèi)部其他電路的工作電源。標(biāo)簽芯片中的有關(guān)電路對(duì)讀寫器發(fā)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為“讀”命令，控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過(guò)標(biāo)簽內(nèi)部天線再發(fā)送給讀寫器；若為修改信息的“寫”命令，有關(guān)控制邏輯就會(huì)使內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，以擦除EEPROM中的內(nèi)容并進(jìn)行改寫；若經(jīng)判斷發(fā)現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯(cuò)信息[2]。
2 讀寫器硬件設(shè)計(jì)
　　目前的RFID讀寫器大多采用一塊射頻芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的收發(fā)，雖簡(jiǎn)單易行，但降噪性能和系統(tǒng)靈敏度始終沒(méi)有改善。
　　本設(shè)計(jì)提出模擬、數(shù)字部分分別研發(fā)的思想，硬件框圖如圖1所示。由DSP芯片產(chǎn)生脈沖位置編碼(PPM)信號(hào)，再對(duì)13.56MHz載頻進(jìn)行調(diào)制。已調(diào)信號(hào)的功率很弱，需先進(jìn)行功率放大，再經(jīng)濾波和調(diào)諧加到天線上，以提高對(duì)卡的操作距離。系統(tǒng)可通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)輸出功率控制，最小功率為0.25W。天線線圈在13.56MHz工作頻率上呈現(xiàn)阻抗形式，為了實(shí)現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，需先通過(guò)匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω電阻，然后通過(guò)50Ω同軸電纜連接到讀寫器末級(jí)。在接收通道中，由標(biāo)簽響應(yīng)回來(lái)的信號(hào)，首先通過(guò)帶通濾波器取出一邊帶，放大后送入解調(diào)器，最后將解調(diào)后的信號(hào)送入DSP芯片上作A/D采樣判決，并進(jìn)行解碼和校驗(yàn)，完成整個(gè)信號(hào)的接收處理。該讀寫器用于開放式門禁系統(tǒng)時(shí)，除完成簡(jiǎn)單的標(biāo)簽識(shí)別外，還需通過(guò)RS232接口與上位機(jī)通信, 由此形成大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的管理、操作等。因此讀寫器的硬件設(shè)計(jì)分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分即射頻模塊；數(shù)字部分又可分為主控模塊，電源管理模塊和對(duì)外接口模塊、所選芯片如表1所示。

2.1 模擬部分
　　本設(shè)計(jì)自主研發(fā)了一塊供電電壓為24V的模擬板，簡(jiǎn)要論述如下。
2.1.1 發(fā)送模塊
發(fā)送模塊的功能：(1)13.56MHz的晶振產(chǎn)生載波信號(hào)，DSP將欲發(fā)送的信息及調(diào)制幅度(10％)傳送至74HC125D芯片端，完成ASK調(diào)制；(2)NPN型射頻功率晶體管實(shí)現(xiàn)功率放大；(3)經(jīng)匹配電路將載頻由天線發(fā)送出去。
2.1.2 接收模塊
接收模塊的功能：(1)設(shè)計(jì)窄帶濾波器取出一邊帶，并濾除13.56MHz頻率分量；(2)二級(jí)放大電路；(3)將邊帶信號(hào)與本地13.56MHz載波混頻后獲得調(diào)制到423kHz單副載波上的中頻信號(hào)；(4)將中頻信號(hào)放大并包絡(luò)檢波出原始信號(hào)；(5)運(yùn)放LM358整形放大；(6)將解調(diào)后的模擬信號(hào)送至DSP采樣。
　　該射頻模塊的輸出阻抗為50?贅，外接天線的匹配狀況對(duì)系統(tǒng)的接收性能有直接影響，用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試天線諧振在13.56MHz，輸出阻抗為50?贅。此外，應(yīng)防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，要選擇介電常數(shù)公差小的基材。射頻部分盡量使用SMT(表面貼裝式)元件，減少過(guò)孔，并在表面加接地金屬屏蔽層[3]。
2.2 數(shù)字部分