基于Intel R2000的UHF RFID读写器的设计

摘要：设计出一种超高射频识别系统(UHF RFID)读写器设计的新方案。该读写器采用了Intel R2000收发器芯片、AT91SAM7S256微控器，方案符合lSO 18000-6C和EPC global Gen2标准，工作频率为840～960 MHz，标签识别距离可达10 m。重点给出了读写器硬件系统组成和软件工作流程，同时介绍了相关射频电路。
关键词：射频识别；超高频；ISO 18000-6C；R2000

0 引言
    近年来兴起的射频识别技术(RFID)是以无线电磁波信号通过近场或远场方式与标签交换能量与信息，实现识别目的的技术，具有数据容量大、无需接触读写、保密性高、寿命长、抗干扰能力强等优点。在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理以及物流管理等领域的应用越来越广泛。按工作频段，RFID系统可分为低频、高频、超高频和微波等几类。目前大多数RFID系统为低频和高频系统，但超高频频段的RFID系统具有操作距离远、通信速度快、成本低、尺寸小等优点，更适合未来物流、供应链领域的应用，也为实现物联网提供了可能。
    本文介绍了一种新型UHF频段RFID读写器设计方案。该读写器是基于Intel R2000芯片、以AT91SAM7S256为微控制器，符合ISO 18000-6C和EPC global Gen2标准。与传统超高频RFID系统相比，该方案简化了设计过程、减小了读写器体积、降低了生产成本，缩短了产品生产周期。

1 读写器系统框图
    基于R2000的读写器系统结构如图1所示，其中控制器采用ARM7内核处理器，除了R2000的一些必要外围元件，系统和天线之间必须加环行器以满足单天线应用，TX口还必须加功放模块。根据读写器的系统框图，主要器件选型如下：

1．1 RFID宽频环行器HYG504XX
    作为单天线应用的收发隔离，环形器一般用亚铁磁性复合材料制成，这种材料具有各向异性的特点，环形器为三端口器件，端口1为输入，端口2为输出，端口3为隔离端口，能量几乎不能穿过，以此类推，一般UHF读写器上用环形器使信号按顺时针方向流通，当端口1为TX输出时，RF信号会从端口2流过，而端口3即RX端口为隔离端，具体隔离度需参考器件参数和LAYOUT效果；相反，当端口2作为收发复用端接收信号时，信号会按顺时针方向进入端口3，此时泄露到TX端口的能量非常小，可以忽略，而TX泄露到RX端口的能量很大程度上影响着接收机灵敏度即实际识别效果，因此需根据接收端LNA参数，在RX端加衰减器对TX泄露信号进行有效隔离，但由此产生一个问题，因为RX接收的有用信号本身就很少，在进行TX端泄露信号衰减的同时，RX端有用信号也被进一步削弱，因此也会影响到LNA的接收，因此，用环形器做收发隔离只能在一定程度上产生效果，对于TX输出功率给定且：ERP不超过相关规定的情况下，要提高接收机灵敏度，必须考虑增大收发两路的隔离度，视具体需求而定。
1．2 射频开关HMC174
    用来控制射频输出的通断。在900 MHz频段内，输入的1 dB压缩点可以达到39 dBm，充分保证了HMC174可以承受输入很高的射频功率。输入3阶截取点可达到60 dBm，而前一级频率合成器的输出功率在3 dBm以内，因而保证了信号通过射频开关后的高线性度，最大限度地减少了射频信号的失真。
1．3 射频功率放大器PF01411B
    PF01411B用做放大R2000的TX端输出信号，使其满足最大功率的输出要求。PF01411B的主要特性为：高增益：三级放大，输入功率0 dBm；高效率：输出功率在35．5dBm时可达45％；增益控制范围宽：典型值可达70dB。
1．4 射频数控衰减器HMC273
    HMC273用做衰减R2000的TX端输出信号，功率校正用。
1．5 Impinj Indy R2000 UHF RFID读写器芯片
    R2000是新一代UHF频段RFID读写器SoC芯片，符合EPC global UHF Class 1 Gen 2／ISO 18000-6C国际标准，内部集成ASK调制解调器、滤波器、功放、FPGA等模块。
1．6 微处理单元AT91SAM7S256
    该器件是32位微控制器，大大提升了微控制器的实时性能，整合了全套安全运行功能，包括由片上RC振荡器计时的监视器、电源以及闪存的硬件保护等。此外，该器件在最差条件下可以30 MHz的速度进行单时钟周期访问。

2 电源模块和外设
    电源模块提供5 V，3．3 V，1．8 V的电压，和外设做在同一块底板上。适配器输出的12 V直流电压通过单片开关电源LM2676转换成5 V，如图2所示，其他所需电压值通过LM1117系列LDO产生，如图3所示。外设只提供以太网口、USB口、串口。

    AT91SAM7S256自带以太网MAC，只需选用一片PHY，这里选DM9161AEP，电路如图4所示。
    PHY和MAC的接口采用RMII接口，以太网接口采用集成了网络变压器的HR911105A，增加信号传输的可靠性。USB的接口电路如图5所示，由于AT91SAM7S256芯片自带USB控制器，这部分电路相对简单，只需按照ATMEL的参考电路进行设计即可。串口电路如图6所示，其中一个用做调试，在没有显示设备的情况下，启动信息等可以从这个串口打印输出到Windows中的超级终端上，方便设计前期的调试过程。

3 系统软件设计主程序
    读写器在主机监控下进行工作，该系统与主机之间形成主从通信模式。主控模块上电完成正常初始化过程后，就进入等待状态，等主机发来指令，当接收到主机指令后，按照主控程序进行相应的工作。处理完毕后，将所得信息送往主机。主程序流程如框图7所示。

4 结语
    本文采用Impinj最新的R2000进行UHF RFID设计，可支持多协议兼容，标签处理速度高达每秒400多张，此超高频射频识别系统尤其适用于物流、供应链领域。实验表明，以此为核心的读写器防碰撞性能好、高级DRM算法支持每秒处理400个标签。这些特性减小了设备的开发复杂度，缩短了设备的研发周期，提高了系统性能，加快了设备的上市时间。