超小型UHF RFID读写模块的设计

2011-03-26李沈飞文光俊黄丽

电子设计工程 2011年14期

李沈飞，文光俊，黄丽

（电子科技大学通信与信息工程学院射频集成电路与系统研究中心，四川成都611731）

无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种基于无线射频通信的非接触式自动识别技术，是从二十世纪八十年代发展起来的前沿科学技术。该技术在工作时不需人工干预，能够应用于高速运动物体的识别，可同时识别多个物体，可应用于各种恶劣环境。相比于条形码、生物识别、光学符号识别等其他自动识别技术，在数据量、识别距离、环境影响和保密性等方面有明显优势。因此，RFID技术在世界各地得到了广泛的应用，主要应用领域有：工业物流、智能交通、电子门票、动物识别、身份识别和一卡通等领域[1]。

介绍了一种基于PHYCHIPS公司PR9000芯片的超小型UHF RFID读写模块的设计方法。PR9000芯片内部集成了射频收发器、基带调制与解调、控制管理、FLASH、SRAM和UART等部分[2]。控制采用Intel 80C52单片机，通过UART与PC的RS232接口相连，或者与其他手持设备实现通信。

1 系统方案设计

UHF RFID读写器模块硬件部分设计主要包括2个部分[3]：1）PR9000及其外围电路；2）电源管理模块。如图1所示，PR9000及其外围电路完成射频信号的收发、变频、数模/模数转换、数据的调制/解调，以及整个电路的控制管理，并且提供对外的通信接口；电源管理模块接收外部5 V DC输入转换成其他模块工作所需要的LDO-3.3 V、LDO-3.6 V，并提供相应的带负载能力[4]。

2 硬件电路设计

2.1 PR9000及其外围电路

PR9000内部集成了80C52、驱动放大器、混频器、低通滤波器、压控振荡器、ADC/DAC、锁相环和可编程增益放大器等多个功能模块[2]。结合其外围电路，PR9000可完成控制、射频信号的收发、混频、滤波、调制解调、功率放大、模数转换和数模转换等功能，其电路结构如图2所示。

图2 PR9000及其外围电路结构图Fig.2 PR9000 and peripheral circuit chart

PR9000工作于UHF ISM频段（840～960 MHz），结合简单的射频前端电路，便可实现完整的射频收发功能。这些外围电路主要包括：平衡-不平衡转换器、外部功率放大器、耦合器和温度补偿晶体振荡器。

2.1.1 平衡-不平衡转换器的设计

PR9000芯片发射出来的功率进入到Balun，经过Balun将平衡功率信号转换成不平衡信号输出，同时将平衡端的200欧姆阻抗转换成不平衡端的50欧姆阻抗，实现发射通路的一个50欧姆阻抗匹配。

2.1.2 外部功率放大器的设计

由于PR9000芯片的输出功率最大只有+10 dBm，通常其输出功率为-13～+7 dBm。在这样的发射功率下，系统对无源电子标签的读取距离大约只有20 cm。为了能够读到更远距离的电子标签，需要在PR9000的输出端加上一个功率放大器[6]，在输入与输出端进行L型匹配，该功率放大器最大能够输出28 dBm的功率，结合PR9000自身的发射功率的调节功能，可以使该系统工作在不同使用场合的不同应用距离[5]。电路结构图如图3所示。

图3 功率放大器电路结构图Fig.3 Power amplifier circuit chart

2.1.3 耦合器设计

在微波系统中，需要将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件即耦合器。

经过功率放大器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，正向耦合端经过一个电阻衰减网络将发射功率进一步衰减到PR9000芯片能够承受的范围内，输入到PR9000芯片的负接收端，反向耦合端将天线接收到的功率输入给PR9000芯片的正接收端，由于天线接收到的信号非常微弱，因此不用进一步衰减，输入到PR9000芯片正接收端的信号与负接收端的信号组成一对差分信号[7]。

2.2 电源管理模块

笔者设计的UHF RFID读写器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，所以本文设计的电源管理模块选择的工作电压是5 V的DC输入或是3.7 V的手持电池输入，再经过内部的电源模块转换成系统所需要的各种电压[8]，射频芯片、晶振的工作电压是3.3 V，功率放大器的工作电压是3.6 V。

3 软件程序设计

将程序烧写进80C52，整个系统就可以工作。首先，将PR9000与计算机连接起来，对PR9000芯片进行初始化，连接成功之后就可以进行频段选择和功率选择。频段选择是根据所处的地区来选择，有EPC、FCC、CHINA、KOREA、JAPAN等；功率选择是根据所需的功率大小进行选择，需要读写的距离远，就选择大一点的功率，需要读写的距离近，就选择小一点的功率。这几步完成之后就可以进行读卡操作了。读到卡之后就可以进行写卡、锁卡和杀卡操作，还可以进行数据上传等功能。如图4所示。

图4 软件流程图Fig.4 Flow chart of software

4 系统测试

硬件电路完成后，对设计的电路板进行性能测试，通过直流稳压电源、万用表、频谱仪、信号发生器等测试仪器[9]。PCB硬件电路板如图5所示；具体测试结果经过30 dBm的衰减器衰减之后输出，输出功率达到了27.54 dBm，如图6所示。

5 结论

图5 PCB硬件电路板Fig.5 PCB hardware circuit

图6 系统发射功率测试结果（发射功率+27.54 dBm）Fig.6 System transmit power test result（transmit power+27.54 dBm）

本文给出了一种超小型UHF RFID读写模块的设计方案，并在较小的PCB板尺寸上完成了射频收发、电源管理和MCU控制的合理布局[10]，整个读写器模块的PCB尺寸为3 cm×3 cm，对外提供UART接口、电源接口和天线接口，可以方便地嵌入到各种手持设备中。在实际测试中，该读写器模块的电流消耗在920 mA/5 V，可在2.5 dBi天线配合下，稳定实现2 m以上的读写距离。

[1]周飞.超高频RFID读写器设计[D].成都：电子科技大学，2008.

[2]PHYCHIPS，Inc.PR9000-FD12 Datasheet[EB/OL]2010.http://www.phychips.com/new/eng/products/rfid_s1.html.

[3]信部无.205号，800/900 MHz频段射频识别（RFID）技术应用规定（试行）[S].2007.

[4]肖菊兰，张红雨.超高频RFID读写器设计[J].电子设计工程，2010，18（11）:158-161.

XIAO Ju-lan，ZHANG Hong-yu.Design of UHF RFID reader[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）:158-161.

[5]汪飞，王春华，何海珍.一种新型超高频射频识别射频前端电路设计[J].微电子学与计算机，2011，28（1）:11-15，22.

WANG Fei，WANG Chun-hua，HE Hai-zhen.A novel UHF RFID RF front end circuits design[J].Microelectronics&Computer，2011，28（1）:11-15，22.

[6]刘华伸，多补偿绕组多调谐滤波器的研究[J].陕西电力，2009，37（4）：15-19.

LIU Hua-shen.Study on multi-tuned filter with multiple compensation windings[J].Shaanxi Electric Power，2009，37（4）：15-19.

[7]CHEN Ying，ZHANG Fu-hong.A system design for UHF RFID reader，11th IEEE International Conference on Communication Technology Proceedings[R].2008.

[8]王剑宇，苏颖.高速电路设计实践[M].北京：电子工业出版社，2010.

[9]陈曦，任建文，杨玉坤，等.基于灵敏度方法的电压越限分析[J].陕西电力，2010，38（1）:77-78.