基于UHF RFID的物联网前端读写器设计*

2012-12-07杨学敏

传感器与微系统 2012年5期

杨学敏，曾煜，熊东

(重庆大学通信工程学院，重庆400030)

0 引言

近几年，射频识别(RFID)技术得到了国内外的广泛关注，尤其是物联网概念的再次提出，将RFID技术推向了高潮［1］。物联网是在计算机互联网的基础上利用RFID无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络。在这个网络中，每个物品均被赋予唯一的ID，这个ID是存储在和物品绑定的电子标签中，它们能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用RFID技术通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享［2］。因此，RFID技术在物联网感知前端中起到重要的技术支撑作用。基于RFID的产品被广泛应用于高速公路收费、公共交通、动植物电子标志、食品、药品、邮件实时状态跟踪以及物流等领域，这些应用不但提高了各个领域的管理效率和实施速度，还改善了人们的生活［3］。同时，这些RFID技术的应用带动了一个巨大的新兴产业，使得越来越多的企业都投入到RFID的技术开发和软硬件生产中来。因此，对基于超高频(UHF)RFID的物联网前端读写器的研究是非常有必要的，本文提出了一种结构简单、体积小、功耗低的读写器设计方案，能可靠地完成对目标ID的识别。

1 UHF RFID系统的工作原理

UHF RFID系统工作是通过反向散射耦合方式来进行信息交换和能量传递［4］。读写器天线发射的电磁波能量一部分被目标吸收，目标吸收后，获得能量并发送出目标存储的信息;另一部分则从不同方向，并且以不同强度被散射。

在散射的这部分能量中，有小部分反射回读写器天线，这样，读写器对接收到的数据信号进行处理，识别目标［5］。

2 系统硬件设计

基于UHF RFID的物联网前端读写器的硬件结构是由主控制器与外围电路、UHF读写模块、标签和天线构成。其中，外围电路包括上位机通信模块、电源模块和显示模块。而主控制器和UHF读写模块的电路设计是整个硬件系统的核心。图1为系统硬件结构框图。

图1 系统硬件结构框图Fig 1 Hardware structure block diagram of the system

2.1 主控制器与外围电路

主控制器采用的是Winbond公司的W77E58F芯片，它是一种8位处理器，最高可达40 MHz时钟，4机器周期的指令执行速度，指令和管脚与标准8051完全兼容，含有12级中断，2个增强型双工串口，内部集成上电复位电路，可编程看门狗，具有价格低、速度快、功能强、外部数据访问周期可编程等优点［6］。

其外围电路包括:单片机最小系统、复位电路、开关上电发光电路、电源模块、上位机通信模块和LCD显示模块。如图2所示，主控制器的P1口与UHF读写模块的IO［0:7］相连，是复用的数据和地址总线。

LCD显示模块的功能是当有目标进入工作范围时，将目标ID进行实时显示;当无目标时进入工作范围时，显示日期和当前时间。

上位机通信模块是采用MAX232进行电平转换后通过TX和RX进行双工串口通信，将目标信息上传给上位机。

图2 主控制器与外围电路图Fig 2 Diagram of MCU and peripheral circuit

电源模块采用的是LM317集成三端稳压芯片对所有器件进行5 V和3.3 V供电。

2.2 UHF读写模块电路

本系统的UHF读写芯片采用的是奥地利微系统公司的AS3992芯片，它内部集成了VCO和PLL，因此，能够在860～960 MHz工作，还整合了一个集成模拟前端，配备了可编程的DRM过滤器、预失真和灵敏度高的接收器，而且能够采用极低的电量来工作，而不会影响性能。它还同时支持 EPCGEN2和 ISO/IEC 18000－6 A/6B协议［7］。

射频芯片AS3992内部集成了20 dBm的功率放大器，为了获得更大的工作范围，本文采用低功率线性模式，外部加功率放大器SPA2811。

从图3可以看出，AS3992的输出管脚为RFONX和RFOPX。输出有50Ω的阻抗，因此，需要外接匹配电路和去耦合电容器，以及平衡器。

图3 UHF读写模块电路图Fig 3 Circuit of UHF read/write module

EN是使能管脚，当EN为低时，芯片进入掉电状态，CLSYS为60 kHz;当EN为高时，芯片进入正常工作状态，CLSYS被激活为5 MHz(默认情况下)。

IRQ为中断管脚，当有中断产生时，IRQ将给出一个脉冲通知主控制器。

在并行接口通信模式中，当CLK为高，IO7为上升沿时，数据开始通信;当CLK为低，IO7连续下降沿时，通信结束。

3 系统软件设计

如图4所示，本系统软件设计的流程为:1)主控制器复位初始化，UHF读写模块的寄存器初始化，主要包括协议配置、AS3992系统时钟、锁相环、编码方式和信号调制方式等;2)与上位机进行通信，主控制器通过串口接收上位机命令，寻找目标;3)当有多个目标时，运行防碰撞算法，分别读取目标ID;4)显示所读取的目标ID;5)对目标执行相应的操作和控制。

其中，在主控制器和读写模块进行通信时，应当先写入地址，后写入命令或数据。

图4 系统软件流程图Fig 4 Flow chart of system software

4 实验结果

本文对所设计的系统进行了PCB板制作，并焊接成实际硬件系统，将软件烧写进单片机后，进行了实际的验证。主要包括通信距离的性能测试，测试环境为开阔的场地(天线功率为8dBi)，测试仪器包括读写器系统、笔记本电脑和串口线，测试距离为0.5～7 m，实验标签数为100，通过观察电脑上显示的数据，记录下了读写操作的成功率，如表1所示。

表1 不同距离时的读写成功数Tab 1 Success number of reading or writing in different distance

很明显地看出:随着测试距离的加大，读写器的读写成功率不断减小，尤其是到6 m的时候，读写成功率仅达到60%。还可以看出:读操作的成功率要比写操作的成功率高，造成这种情况的原因与标签天线和读写器天线的特性有关。该实验结果满足实际应用的要求。

当系统上电后，首先进入掉电状态，此时EN为低，通过LeCroy WaveSurfer示波器测量 CLSYS脚，其频率为60 kHz。系统还可通过配置AS3992的PLL R，A/B除法器主寄存器，使得读写器工作频率在860～960 MHz可调。本系统中对该寄存器配置为0X40D84F，其工作频率为867 MHz。图5是在距离读写器天线5 m处，通过频谱仪获得的频谱图，可见系统工作正常。