HF頻段RFID長(cháng)距離讀寫(xiě)器的研究與開(kāi)發(fā)

射頻識別技術(shù)（RFID）是上世紀80年代興起并不斷走向成熟的一項自動(dòng)無(wú)線(xiàn)識別和數據獲取技術(shù)。與傳統的條碼、磁卡等自動(dòng)識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)在工作距離、保密性、智能化及其環(huán)境適應能力等方面都有顯著(zhù)優(yōu)勢，且可同時(shí)識別多個(gè)高速運動(dòng)物體，有廣闊的發(fā)展前景[1]。
　　RFID系統由電子標簽、天線(xiàn)、讀寫(xiě)器三部分組成。讀寫(xiě)器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送、接收信號，無(wú)接觸地讀取和識別標簽中所保存的數據，并將信息傳送至上位機進(jìn)一步處理，從而達到目標識別的目的。由此可見(jiàn)，讀寫(xiě)器是RFID技術(shù)的核心。目前HF頻段RFID讀寫(xiě)器的研發(fā)正處于逐步成熟階段，國際上知名的大公司有TI、Philips等，國內生產(chǎn)廠(chǎng)商相對較少，且大部分都是在已有射頻芯片的基礎上進(jìn)行數字部分的研發(fā)，系統集成商則是在國外公司知識產(chǎn)權的基礎上根據客戶(hù)需要做適當改進(jìn)。
　　HF頻段RFID系統中標簽所獲能量微弱，無(wú)力再向周?chē)l(fā)射無(wú)線(xiàn)電波，只能反射來(lái)自讀寫(xiě)器的電磁波,故標簽的響應信號微弱，影響讀寫(xiě)距離。本文針對這一問(wèn)題，在介紹電子標簽的基礎上，給出了一種基于開(kāi)放式門(mén)禁系統應用的讀寫(xiě)器設計方法，提出將模擬板、數字板分別研發(fā)的思想，大大提高了讀寫(xiě)距離。該讀寫(xiě)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)源標簽為讀寫(xiě)目標，軟件設計很好地實(shí)現了多卡識別的防碰撞算法。
1 電子標簽簡(jiǎn)介
　　每個(gè)電子標簽由耦合元件及芯片組成，內部一般保存有約定格式的電子數據，且具有無(wú)法修改、仿造、全球唯一的識別號（UID）。在HF頻段RFID系統中，當讀寫(xiě)器處于工作狀態(tài)時(shí)，與其相連的天線(xiàn)線(xiàn)圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率(13.56MHz)的電磁波。當無(wú)源電子標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器工作區域時(shí)，在該電磁波的激勵下，標簽內的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)單向導電的電子泵，將電容內的電荷泵送到另一個(gè)電容內存儲。當后者充電達到2V時(shí)，它就可用作為標簽內部其他電路的工作電源。標簽芯片中的有關(guān)電路對讀寫(xiě)器發(fā)來(lái)的信號進(jìn)行解調、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進(jìn)行判斷。若為“讀”命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調制后通過(guò)標簽內部天線(xiàn)再發(fā)送給讀寫(xiě)器；若為修改信息的“寫(xiě)”命令，有關(guān)控制邏輯就會(huì )使內部電荷泵提升工作電壓，以擦除EEPROM中的內容并進(jìn)行改寫(xiě)；若經(jīng)判斷發(fā)現所對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息[2]。
2 讀寫(xiě)器硬件設計
　　目前的RFID讀寫(xiě)器大多采用一塊射頻芯片完成整個(gè)系統的收發(fā)，雖簡(jiǎn)單易行，但降噪性能和系統靈敏度始終沒(méi)有改善。
　　本設計提出模擬、數字部分分別研發(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，再對13.56MHz載頻進(jìn)行調制。已調信號的功率很弱，需先進(jìn)行功率放大，再經(jīng)濾波和調諧加到天線(xiàn)上，以提高對卡的操作距離。系統可通過(guò)DSP實(shí)現輸出功率控制，最小功率為0.25W。天線(xiàn)線(xiàn)圈在13.56MHz工作頻率上呈現阻抗形式，為了實(shí)現與50Ω系統的功率匹配，需先通過(guò)匹配電路將此阻抗轉換為50Ω電阻，然后通過(guò)50Ω同軸電纜連接到讀寫(xiě)器末級。在接收通道中，由標簽響應回來(lái)的信號，首先通過(guò)帶通濾波器取出一邊帶，放大后送入解調器，最后將解調后的信號送入DSP芯片上作A/D采樣判決，并進(jìn)行解碼和校驗，完成整個(gè)信號的接收處理。該讀寫(xiě)器用于開(kāi)放式門(mén)禁系統時(shí)，除完成簡(jiǎn)單的標簽識別外，還需通過(guò)RS232接口與上位機通信, 由此形成大的數據網(wǎng)絡(luò ),以實(shí)現對標簽的管理、操作等。因此讀寫(xiě)器的硬件設計分為模擬部分和數字部分。模擬部分即射頻模塊；數字部分又可分為主控模塊，電源管理模塊和對外接口模塊、所選芯片如表1所示。

2.1 模擬部分
　　本設計自主研發(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，DSP將欲發(fā)送的信息及調制幅度(10％)傳送至74HC125D芯片端，完成ASK調制；(2)NPN型射頻功率晶體管實(shí)現功率放大；(3)經(jīng)匹配電路將載頻由天線(xiàn)發(fā)送出去。
2.1.2 接收模塊
接收模塊的功能：(1)設計窄帶濾波器取出一邊帶，并濾除13.56MHz頻率分量；(2)二級放大電路；(3)將邊帶信號與本地13.56MHz載波混頻后獲得調制到423kHz單副載波上的中頻信號；(4)將中頻信號放大并包絡(luò )檢波出原始信號；(5)運放LM358整形放大；(6)將解調后的模擬信號送至DSP采樣。
　　該射頻模塊的輸出阻抗為50?贅，外接天線(xiàn)的匹配狀況對系統的接收性能有直接影響，用網(wǎng)絡(luò )分析儀調試天線(xiàn)諧振在13.56MHz，輸出阻抗為50?贅。此外，應防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，要選擇介電常數公差小的基材。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 數字部分