功率信号天线一种小型化便携式UHF RFID读写器的实现

一种小型化便携式UHF RFID读写器的实现

时间:2011年11月21日
R1000芯片是Impinj公司的UHF RFID 便携式读写器核心模块。R1000内部集成了约90%以上的射频收发系统所需的元件,采用Atmel公司的ARM7处理器AT91SAM7S256作为MCU,增加外部驱放芯片设计,可在8 d 端口以太阈值Ipsil推出平面尺寸11.61cm2的TCP/IP控制器模块半导体节能产品国家扶持半导体照明产业发展出台政策措施电网智能商圈手机用户推动物联网成时代主流美元设备市场2009年半导体设备支出深度下滑 明年有望大幅反弹韩国速率技术韩称开发出全球最快4G系统太阳能电池东芝摘要电子下午茶:2011年中国光伏内需或仍不看好卡尔系列组合MCU样品开始全面供货FUJI FLEXA问题,打不开!设备密钥产品恩智浦将智能卡安全技术引入设备认证

R1000芯片是Impinj公司的UHF RFID 便携式读写器核心模块。R1000内部集成了约90%以上的射频收发系统所需的元件,采用Atmel公司的ARM7处理器AT91SAM7S256作为MCU,增加外部驱放芯片设计,可在8 dBi增益的天线下实现稳定读写距离3 m以上。
1 系统设计
本设计中,UHF RFID读写器硬件部分设计主要包括三部分[1-2]: (1)R1000及外围电路;(2)ARM7及外围电路;(3)电源管理模块。如图1所示,R1000及其外围电路完成射频信号的收发、变频、数模/模数转换以及数据的调制/解调;ARM7及其外围电路对来自R1000或主机的数据按照协议进行处理,实现协议功能,并提供对外的通信接口;电源管理模块接收外部3.7 V DC输入转换成系统其他模块所需要的1.8 V、3.3 V、5 V,并提供相应的带负载能力。

1.1 R1000及其外围电路
R1000内部集成了低噪声放大器、混频器、中频滤波器、压控振荡器、本振、ADC/DAC、锁相环和功放等多个功能模块[3]。结合其外围电路,R1000可完成射频信号的发射和接收、混频、滤波、调制解调、模数转换和数模转换等功能,其电路结构如图2所示。

R1000工作于UHF ISM频段(840 MHz~960 MHz),结合简单的射频前端电路,可实现完整的射频收发功能。这些外围电路主要包括:耦合器、外部功放、功率检测以及温度检测模块。
1.1.1 功率检测与温度检测
R1000可采用单天线或双天线模式,根据实际需要,本设计采用单天线模式。单天线前向、反向功率检测总体结构如图3所示,其中的“功率检测1”输出的直流电平表示反向平均功率,而“功率检测2”输出的直流电平表示正向平均功率。如果正反向平均功率比较接近,且正向功率比较正常,说明天线端阻抗失配比较严重,需要对电路进行检查。

R1000的正常工作温度范围是-20℃~+75℃。为了了解R1000工作环境的温度,本设计采用温度检测芯片对R1000芯片的工作环境温度进行检测,并由R1000内部程序进行处理,防止因极端环境温度使R1000进入异常工作状态,甚至物理损坏。
1.1.2 耦合器设计
经过功放放大的射频信号直接进入耦合器。该信号经过直通端进入发射通道,正向耦合端的输出信号用于前向功率检测,而反向耦合端的信号用于检测天线端的回波损耗。如图3所示。
(1)前向功率检测主要是检测功放输出信号功率,然后按照本地UHF RFID协议相关规定进行功率校正;也可以作为外部本振信号输入,用于与接收的射频信号进行混频,产生零中频信号。具体的实现方法是:(1)功率检测通过高阻跨接在耦合器的正向耦合端,通过电阻分压和电容耦合,进入功率对数检测芯片,映射出相对应的直流电压值,输入到ARM7,结合线路损耗计算得出功放输出信号的功率。(2)耦合器的正向耦合端(Pin4)得到的信号经过一个定值衰减网络,再经过单端转差分信号,直接输入到R1000,作为外部本振,并且对信号进行峰值功率检测。
(2)反向功率检测主要是检测天线的回波损耗(根据天线的回波损耗和输入的功率,也可计算出天线发射出的功率,因此也称为发射功率检测)。在天线端阻抗严重失配的情况下,ARM7将关闭功放电源,以保护功放不被损坏。具体检测方法是:(1)功率检测通过高阻跨接在耦合器的反向耦合端,通过电阻分压和电容耦合,进入功率对数检测芯片,映射出相对应的直流电压值,输入到R1000,结合线路损耗计算得出发射信号的功率。(2)耦合器的反向耦合端(Pin3)得到的信号经过一组衰减网络,再经过单端转差分,直接输入到R1000作为接收信号并且进行接收信号的峰值功率检测。
1.1.3 外部驱动放大器设计
由于R1000的输出功率最大只有+14 dBm,通常其输出功率为-6 dBm~+10 dBm。在这样的发射功率下,系统对标签的读取距离最大只有约30 cm。为了达到更远的读取距离,需要在R1000的输出端加上一个驱动电路模块,结合R1000自身的发射功率调节功能,可以使该系统工作在不同使用场合的不同作用距离要求。
1.2 ARM7及其外围电路
根据R1000的应用文档说明,本方案采用了ATMEL公司的ARM7芯片AT91SAM7S-256作为MCU,用来实现空中接口协议,完成调试功能,以及通过USB接口或UART口与上位机进行通信[3],如图4所示。


在系统开始调试时,首先将R1000底层驱动程序的二进制代码通过JTAG接口,烧写到MCU内部Flash中预先划分的存储区域内。然后连接MCU和PC机之间的UART接口,在PC机的超级终端界面中,对MCU的通信协议和USB接口驱动进行配置。如果配置成功,重新上电后,超级终端界面中将可以看到MCU与R1000之间简单的通信测试成功的打印信息。至此,MCU及其外围电路调试完成,可以正常工作了。
1.3 电源管理模块
本文设计的UHF RFID读写器核心模块作为一个独立功能模块,可直接应用在PC上或是嵌入到其他手持设备中,所以本设计的电源管理模块所考虑的工作电压是5 V的DC输入或是手持电池输入(3.7 V),再经过内部的电源模块转换成模块所需要的各种电压[5],其中数字部分需要的电压:1.8 V、3.3 V,射频部分需要的电压为1.8 V、3.3 V、5 V。
2 系统测试
硬件电路完成后,为测试驱动放大器的性能,以及最终获得发射天线的信号功率谱(频带902 MHz~928 MHz),采用了矢量分析仪和频谱仪等测试仪器。
结果表明,该读写器可在8 dBi天线下,实现3 m以上的读写距离,实现了良好的性能。整个读写器PCB尺寸为6.5 cm×4 cm,对外提供了USB2.0和UART等通信接口,可以很方便地嵌入到其他host设备尤其是便携式设备中使用。
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