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基于Intel R2000的UHF RFID读写器的设计

出处:电子发烧友网 发布于:2018-02-01 | 565 次阅读

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。

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