分立元件搭建一种低成本、无盲点UHF读写器

摘要：使用分立元件搭建的新型超高频读写器方案设计灵活，相比于一些读写器使用集成芯片，这种方法可以大大缩减设计成本，且其性能毫不逊色于市面上大多数读写器。读写器系统包括了软件和硬件两部分，在这里重点讲述其硬件电路的设计并同时介绍软件系统的实现。系统的硬件主要包含了基带信号的处理部分和射频前端，在处理器上配套运行的软件系统主要包括了协议处理、编解码、硬件系统的控制以及与上位机的通信。
关键词：射频识别；超高频；读写器；检波

    射频识别(RFID)技术是一种兴起于上世纪末并在最近几年飞速发展的高新技术，它普遍应用于我们社会生活当中的各个领域，对人们的生活方式产生了深刻的影响。尤其对于低频(LF)和高频(HF)射频识别的技术已经非常成熟，其快速、安全的读写方式让其在学校图书馆、银行、公交车等各机构和场所得到了广泛应用，最近新兴的近场通信(NFC)技术，其基本原理也是高频射频识别技术。但是低频和高频的读写距离最远不超过20 cm，大大限制了其在某些特殊领域的应用，比如仓储、物流、ETC等等这些需要远距离读写的场合。而超高频(UHF)射频识别技术作为现代科技的前沿，具有远距离快速通信和小体积、低成本标签这些优势，无疑使其非常适合这些特殊场所的应用。但我们知道，UHF射频识别技术并没有真正推广开来，除了技术方面的瓶颈以外，高昂的读写器成本也是其推广受限的关键因素之一。如果能够开发出低成本、高性能的读写器势必将对推动UHF射频识别技术的广泛应用起到积极的作用。文中主要介绍了一种基于EPCClass1 Gen2标准的低成本、高性能读写器的设计与实现。

1 超高频射频识别协议标准概述
    实际上，射频识别有很多种可以实现的方式，这也就意味着它有多种标准，目前应用比较广的标准是由EPCglobal组织提出的“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．该标准定义了UHF RFID读写器和标签之间的空中接口以及通信命令。从标准中我们了解到，UHF RFID应用中的标签是以一种无源的方式工作，也就是说标签工作的能量完全由与其通信的读写器来提供。协议规定读写器和标签之间的通信是半双工的方式，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，所以在整个通信过程中，读写器在发送完命令后将继续发射射频载波以提供标签所需的能量。协议中还规定了读写器发送信息可以使用的调制方式以及编码方法。调制方式主要是双边带幅移键控(DSB—ASK)、单边带幅移键控(SSB—ASK)以及相位反转幅移键控(PR—ASK)；因其无源的工作方式，编码使用了PIE编码，这样可以最大限度提供标签能量。读写器接收到的标签信息是由标签反射调制发送过来的，调制方式和读写器一样，其编码可使用FMO或者米勒(miller)编码来实现。我们在实际设计和制作这款读写器时只使用了DSB-ASK的调制方式，读写器发送PIE编码的信息，而标签返回的是FMO编码的信息。

2 读写器硬件设计
    读写器硬件系统主要包括电源、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收链路，其硬件系统框图可如下图1所示。

    其工作过程如下：首先微处理器(MPU)根据协议进行基带处理(主要是对发送协议规定的命令进行编码)，然后将编码之后的基带信号送入调制器进行调制，由于调制器输出的功率受到限制，无法满足我们远距离读写要求，故中间我们还需要加入射频功放以将输出的功率放大到30 dBm以上，最后通过天线辐射出去。当标签在通信距离范围内时，收到读写器的命令后将会回复读写器，其返回的信息通过同一个天线进入读写器的接收链路，读写器对接收到的标签信号进行检波、放大，并送入处理器进行解码和识别。
2．1 发射链路
    设计中，发射链路主要由射频发送器(调制器)、射频功放和射频开关所组成，选择了德州仪器(TI)的CC1101芯片作为我们的射频发射器，它将微处理器送过来的基带信号进行调制并可提供最大27 dBm的输出。为了获得更大的功率输出，在CC1101后面添加了RFMD公司的RF5 110G射频功放，由于功放本身的输入射频特性，控制了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达到最大。考虑到实际应用中可能会有多天线的需求，在设计时使用了射频开关，通过单片机的数字控制可以进行4个通道的切换。由于发射链路各模块使用的都是集成芯片，实现将相对较为容易。
2．2 接收链路
    接收链路是本次设计的关键部分，也是本次设计难点所在。因为读写器在标签返回信号时一直在发送载波信号，在单天线收发系统中这些强的载波信号难免要泄露到接收链路，对接收链路造成影响。通常的解决办法是在发送和接收之间加上环形器或者定向耦合器，减小载波功率的泄露，但是这样一方面增加了读写器的成本，另外环形器和定向耦合器又存在本身的缺陷，比如环形器隔离度不够大，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考市面上某些公司的读写器之后，我们实际设计和实现了一种四通道、检波二极管接收机方案。图2显示了市面上常用两种低成本检波二极管方案的读写器，两种方案都是由两个二极管组成的双通道检波方案，其中上面那种方案两二极管之间相差λ／4电长度，两通道接收到的信号检波输出的基带是差分信号，这种方案会存在读写盲区，也就是说标签在读写距离内某些位置会存在读写不到的情形。下面那种方案是针对读写盲区的一种改进，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情形下，另外的通道信号几乎达到最大，有效的避免了盲区，但是这种方案存在灵敏度低、读写距离近等缺点(详细原因及计算可参考文献)。图3展示了我们设计的新型读写器接收机方案，这种方案使用四通道检波二极管实现检波，完美地解决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，可以很好的提高灵敏度，降低噪声的干扰。另外，两路差分信号实际上组成了I／Q结构，也就是说这样的正交组合可以完全避免盲区的存在。

    实际上，为了进一步提高读写器的灵敏度，增加读取标签的距离，本次设计的检波二极管并非如图所示的单个二极管，而是使用了AVAGO公司的串联二极管组成的全波整流电路，如图4所示是设计中使用的检波电路，这种电路相比使用单个检波二极管其输出电压可以增加一倍。

    如图4中所示，C1作为耦合电容可以将读写器发送的载波信号以及标签返回的信号耦合到检波电路。因为标签返回的信号与读写器发送的载波信号同频，故耦合的少量载波信号可以作为二极管混频器的本征信号，正好实现将标签返回的信号下变频至基带信号。电阻R一方面提供了电流通路，另外一方面他可以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和电容C2构成了一个无源低通滤波器抑制高频信号对后续电路的影响。在远距离通信时，标签返回到读写器的信号非常小，振幅甚至低于1 mV，如此小的信号我们必须要放大以后才能予以处理。为了降低成本，采用分立的BJT晶体管搭建了两级差分放大器，实现了将近60 dB的增益放大，并且拥有较好的信噪比。放大后的模拟信号需要经过模数转换才能提供给微处理器进行基带信号处理，我们使用了一个比较器通过设置合适的阈值实现了模数转换。由于电路以及周围环境的干扰和噪声，通过比较器的模拟波形必然受到影响，导致比较器输出的数字波形存在毛刺。为了解决这个问题，我们在第一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，很好的解决了干扰问题，获得MPU可以正确解码的数字波形。
2．3 基带处理部分
    实际上，对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。然而对于分立元件搭建的读写器来说，可以使用微处理器或DSP等芯片利用软件的办法来实现协议的处理和编解码，这样大大降低了硬件系统的复杂程度，同时降低了设计成本。当然，选择微处理器时首先得考虑到的是其处理速度以及存储器容量，因为根据协议的要求，通信链路信号的基带频率最高可达640 kHz，处理器在接收通信数据的同时还要运行各种算法实现通道选择、编解码和协议处理等操作，如果处理器的运算速度不够快将不能满足的需求。根据实际设计，考虑成本或性能因素时可灵活选择。本次设计我们使用了STM32F207微处理器芯片，在通信链路频率为80 kHz时能够很好的工作，且提供了整个读写器系统的控制信号。
2．4 电源部分
    由于本读写器系统应用于UHF频段，噪声是考虑的重中之重，为了减少不必要的干扰，我们牺牲了一定的电源效率，全部利用LDO电源方案而不使用开关电源方案，实现也相对较为简单，不再赘述。

3 读写器的软件部分
    通过合理设计的软件可以帮助我们很好的降低成本和硬件系统的复杂度，在选取的处理器芯片上，设计了与硬件系统配套的软件，其主要模块如图5所示，包括了系统控制模块、协议处理模块、编解码模块以及和上位机的接口通信模块。

4 测试结果
    为了验证的设计，实际制作了这款读写器并进行了调试和测试，图6所示是本次设计的读写器实物图片。读写器工作在902～928 MHz，按照前述协议部分的介绍予以测试，天线口的输出功率可达30 dBm，标签在6 m左右可以稳定读取，最大可读取8 m远的标签。对于协议中规定的多读卡器环境以及多标签环境的抗冲突均属于软件范畴，未予以测试。

5 结束语
    实际上本次读写器的设计并未单纯的追求低成本或者高性能，而是在两者的矛盾中做了折中处理，但是已经能很好的满足大多数应用需求。此设计更可以作为读写器设计的一个模板，根据不同的应用需求替换其中的关键元器件，无论从性能或者从成本上均可以设计满足自己需求的产品。