摘要：运用分立元件建立的新式超高频读写器计划规划灵敏，比较于一些读写器运用集成芯片，这种方法能够大大减缩规划本钱，且其功能毫不逊色于市面上大多数读写器。读写器体系包含了软件和硬件两部分，在这里要点叙述其硬件电路的规划并一起介绍软件体系的完成。体系的硬件首要包含了基带信号的处理部分和射频前端，在处理器上配套运转的软件体系首要包含了协议处理、编解码、硬件体系的操控以及与上位机的通讯。
要害词：射频辨认；超高频；读写器；检波
射频辨认(RFID)技能是一种鼓起于上世纪末并在最近几年飞速发展的高新技能，它遍及运用于咱们社会生活傍边的各个领域，对人们的生活方法产生了深入的影响。特别关于低频(LF)和高频(HF)射频辨认的技能现已十分老练，其快速、安全的读写方法让其在学校图书馆、银行、公交车等各安排和场所得到了广泛运用，最近新式的近场通讯(NFC)技能，其基本原理也是高频射频辨认技能。可是低频和高频的读写间隔最远不超越20 cm，大大约束了其在某些特别领域的运用，比方仓储、物流、ETC等等这些需求远间隔读写的场合。而超高频(UHF)射频辨认技能作为现代科技的前沿，具有远间隔快速通讯和小体积、低本钱标签这些优势，无疑使其十分适宜这些特别场所的运用。但咱们知道，UHF射频辨认技能并没有真实推行开来，除了技能方面的瓶颈以外，昂扬的读写器本钱也是其推行受限的要害要素之一。假如能够开宣布低本钱、高功能的读写器必定将对推进UHF射频辨认技能的广泛运用起到活跃的效果。文中首要介绍了一种依据EPCClass1 Gen2规范的低本钱、高功能读写器的规划与完成。
1 超高频射频辨认协议规范概述
实践上，射频辨认有很多种能够完成的方法，这也就意味着它有多种规范，现在运用比较广的规范是由EPCglobal安排提出的“EPC Rad io-frequency Identification Protocols Class1 Generation2 UHF RFID protocol for coInlnunication at 860—960 MHz”协议。简写成EPC C1 G2．该规范界说了UHF RFID读写器和标签之间的空中接口以及通讯指令。从规范中咱们了解到，UHF RFID运用中的标签是以一种无源的方法作业，也就是说标签作业的能量完全由与其通讯的读写器来供给。协议规则读写器和标签之间的通讯是半双工的方法，而无源的标签所需的能量又只能从读写器发射的电磁波中获取，所以在整个通讯进程中，读写器在发送完指令后将持续发射射频载波以供给标签所需的能量。协议中还规则了读写器发送信息能够运用的调制方法以及编码方法。调制方法首要是双边带幅移键控(DSB—ASK)、单边带幅移键控(SSB—ASK)以及相位回转幅移键控(PR—ASK)；因其无源的作业方法，编码运用了PIE编码，这样能够最大极限供给标签能量。读写器接纳到的标签信息是由标签反射调制发送过来的，调制方法和读写器相同，其编码可运用FMO或许米勒(miller)编码来完成。咱们在实践规划和制造这款读写器时只运用了DSB-ASK的调制方法，读写器发送PIE编码的信息，而标签回来的是FMO编码的信息。
2 读写器硬件规划
读写器硬件体系首要包含电源、基带处理和射频前端3部分，射频前端又可细分为发射链路和接纳链路，其硬件体系框图可如下图1所示。
其作业进程如下：首要微处理器(MPU)依据协议进行基带处理(首要是对发送协议规则的指令进行编码)，然后将编码之后的基带信号送入调制器进行调制，因为调制器输出的功率受到约束，无法满意咱们远间隔读写要求，故中心咱们还需求参加射频功放以将输出的功率扩大到30 dBm以上，最终经过天线辐射出去。当标签在通讯间隔范围内时，收到读写器的指令后将会回复读写器，其回来的信息经过同一个天线进入读写器的接纳链路，读写器对接纳到的标签信号进行检波、扩大，并送入处理器进行解码和辨认。
2．1 发射链路
规划中，发射链路首要由射频发送器(调制器)、射频功放和射频开关所组成，挑选了德州仪器(TI)的CC1101芯片作为咱们的射频发射器，它将微处理器送过来的基带信号进行调制并可供给最大27 dBm的输出。为了取得更大的功率输出，在CC1101后边添加了RFMD公司的RF5 110G射频功放，因为功放自身的输入射频特性，操控了CC1101的功率输出，使其仅输出4 dBm作为功放的输入，以使射频功放的输出功率到达最大。考虑到实践运用中或许会有多天线的需求，在规划时运用了射频开关，经过单片机的数字操控能够进行4个通道的切换。因为发射链路各模块运用的都是集成芯片，完成将相对较为简略。
2．2 接纳链路
接纳链路是本次规划的要害部分，也是本次规划难点地点。因为读写器在标签回来信号时一直在发送载波信号，在单天线收发体系中这些强的载波信号不免要走漏到接纳链路，对接纳链路形成影响。一般的处理方法是在发送和接纳之间加上环形器或许定向耦合器，减小载波功率的走漏，可是这样一方面添加了读写器的本钱，别的环形器和定向耦合器又存在自身的缺陷，比方环形器隔离度不行大，定向耦合器又对输出功率衰减太多等。在查阅了相关文献并参阅市面上某些公司的读写器之后，咱们实践规划和完成了一种四通道、检波二极管接纳机计划。图2显现了市面上常用两种低本钱检波二极管计划的读写器，两种计划都是由两个二极管组成的双通道检波计划，其间上面那种计划两二极管之间相差λ／4电长度，两通道接纳到的信号检波输出的基带是差分信号，这种计划会存在读写盲区，也就是说标签在读写间隔内某些方位会存在读写不到的景象。下面那种计划是针对读写盲区的一种改善，因为两二极管相差λ／8电长度使其两通道输出的是正交信号，在一个通道读写不到的景象下，别的的通道信号简直到达最大，有用的避免了盲区，可是这种计划存在灵敏度低、读写间隔近等缺陷(具体原因及核算可参阅文献)。图3展现了咱们规划的新式读写器接纳机计划，这种计划运用四通道检波二极管完成检波，完美地处理了读写盲区和灵敏度低的问题。如图所示，每2个二极管之间相差λ／8电长度，这样D1和D3以及D2和D4之间都是相差λ／4电长度，这使得其构成了两路差分信号，能够很好的进步灵敏度，下降噪声的搅扰。别的，两路差分信号实践上组成了I／Q结构，也就是说这样的正交组合能够完全避免盲区的存在。
实践上，为了进一步进步读写器的灵敏度，添加读取标签的间隔，本次规划的检波二极管并非如图所示的单个二极管，而是运用了AVAGO公司的串联二极管组成的全波整流电路，如图4所示是规划中运用的检波电路，这种电路比较运用单个检波二极管其输出电压能够添加一倍。
如图4中所示，C1作为耦合电容能够将读写器发送的载波信号以及标签回来的信号耦合到检波电路。因为标签回来的信号与读写器发送的载波信号同频，故耦合的少数载波信号能够作为二极管混频器的本征信号，正好完成将标签回来的信号下变频至基带信号。电阻R一方面供给了电流通路，别的一方面他能够使整个检波电路输入阻抗与50 Ω传输线失配以减小读写器发送射频信号在传输线上的衰减。电感L和%&&&&&%C2构成了一个无源低通滤波器按捺高频信号对后续电路的影响。在远间隔通讯时，标签回来到读写器的信号十分小，振幅乃至低于1 mV，如此小的信号咱们必需求扩大今后才干予以处理。为了下降本钱，选用分立的BJT晶体管建立了两级差分扩大器，完成了将近60 dB的增益扩大，而且具有较好的信噪比。扩大后的模仿信号需求经过模数转化才干供给给微处理器进行基带信号处理，咱们运用了一个比较器经过设置适宜的阈值完成了模数转化。因为电路以及周围环境的搅扰和噪声，经过比较器的模仿波形必定受到影响，导致比较器输出的数字波形存在毛刺。为了处理这个问题，咱们在榜首级比较器之后加上一个无源低通滤波器，并将输出接入一个迟滞比较器，很好的处理了搅扰问题，取得MPU能够正确解码的数字波形。
2．3 基带处理部分
实践上，关于一个读写器集成芯片来说，其协议处理和编解码模块都是集成在芯片内部的。可是关于分立元件建立的读写器来说，能够运用微处理器或DSP等芯片运用软件的方法来完成协议的处理和编解码，这样大大下降了硬件体系的杂乱程度，一起下降了规划本钱。当然，挑选微处理器时首要得考虑到的是其处理速度以及存储器容量，因为依据协议的要求，通讯链路信号的基带频率最高可达640 kHz，处理器在接纳通讯数据的一起还要运转各种算法完成通道挑选、编解码和协议处理等操作，假如处理器的运算速度不行快将不能满意的需求。依据实践规划，考虑本钱或功能要素时可灵敏挑选。本次规划咱们运用了STM32F207微处理器芯片，在通讯链路频率为80 kHz时能够很好的作业，且供给了整个读写器体系的操控信号。
2．4 电源部分
因为本读写器体系运用于UHF频段，噪声是考虑的重中之重，为了削减不必要的搅扰，咱们献身了必定的电源功率，悉数运用LDO电源计划而不运用开关电源计划，完成也相对较为简略，不再赘述。
3 读写器的软件部分
经过合理规划的软件能够协助咱们很好的下降本钱和硬件体系的杂乱度，在选取的处理器芯片上，规划了与硬件体系配套的软件，其首要模块如图5所示，包含了体系操控模块、协议处理模块、编解码模块以及和上位机的接口通讯模块。
4 测验成果
为了验证的规划，实践制造了这款读写器并进行了调试和测验，图6所示是本次规划的读写器实物图片。读写器作业在902～928 MHz，依照前述协议部分的介绍予以测验，天线口的输出功率可达30 dBm，标签在6 m左右能够安稳读取，最大可读取8 m远的标签。关于协议中规则的多读卡器环境以及多标签环境的抗抵触均归于软件领域，未予以测验。
5 结束语
实践上本次读写器的规划并未单纯的寻求低本钱或许高功能，而是在两者的对立中做了折中处理，可是现已能很好的满意大多数运用需求。此规划更能够作为读写器规划的一个模板，依据不同的运用需求替换其间的要害%&&&&&%，不管从功能或许从本钱上均能够规划满意自己需求的产品。
