固定资产管理系统中读写器模块的硬件设计

李 新，周 桐，刘 铭

（重庆工程职业技术学院，重庆 400037）

0 引言

近年来，国家加大了对教育事业的投入力度，学校的固定资产在数量、结构、质量都有了很大的提高。然而，许多学校固定资产管理存在专职管理人员少，管理人员队伍不稳定，软件实用性太差，数据采集方式落后等问题。如何实时清理，而且做到帐卡相符，帐实相符，帐帐相符，是各单位资产管理者一直追求的目标，也是很多单位的难题。要实现这一目标，学校的资产管理需要建立一个完整规范的软硬件系统，实现对学校固定资产的高效、实时、准确管理。为此，本文设计一个基于UHF固定资产管理系统，并重点研究了系统中读卡器的射频前端模块硬件电路中的关键技术，最后通过测试结果，验证系统的有效性和实用性。

1 硬件系统总体结构设计

基于ZigBee和RFID技术的资产管理系统是利用RFID技术，将固定资产的电子信息写入到电子标签中，再将电子标签粘贴到固定资产相应的位置，然后在每一栋楼的楼道设置一定数量的读写器，用于读出电子标签中的资产信息，或者是将新的资产信息写入电子标签内[1]。如图1UHF RFID嵌入式读写器系统所示。

图1 UHF RFID读写器系统

UHF RFID嵌入式读写器系统主要包含射频前端模块电路和数字控制系统。本论文主要针对的是“射频前端模块电路”设计与实现，数字控制系统主要由ARM7芯片完成。读写器的读取和写入等命令由ARM7嵌入式控制系统下达[2]。当读取或写入命令下达后，该命令经过基带电路解析，对射频前端电路的工作频率，发射功率，工作时间，编码方式和数据速率等参数进行设置。射频信号通过天线发射出去，形成一个有效辐射区。因此，读写器的射频信号对于无源标签来说，既提供了标签芯片的电源，又包含了数据和控制信息[3～5]。标签信息返回到读写器后，经过放大、变频、滤波等操作后，进行ADC转换并进行错误校验，然后判断标签数据的有效性，再经过基带电路对数据进行解析，送达控制系统，进而返回ARM7嵌入式控制系统，通过ZigBee无线网络，将标签信息和环境温度传输到设备管理中心。

2 射频前端模块电路设计

射频前端模块以射频收发芯片R1000为核心，主要完成射频信号的收发、调制/解调、滤波、温度检测、增益控制和数字通信等功能[6]，如图2射频前端模块电路所示。作者采用双天线配置方案，为了提高接受的灵敏度，以及适用于0dBm的接收阻塞，系统使用高增益模式。R1000内部混频器采用零中频结构，为了滤掉发射信号进入混频器而产生的自阻塞直流干扰，提高相邻信道的抑制比，用一个带通的DRM滤波器来替换作为高通滤波的单个电容，可以达到很好的信道选择特性。R1000内部集成了振荡器和锁相环，外部参考时钟源为24MHz的TCXO。片上VCO输出为载波频率的四倍频，考虑到环路带宽，设计不同的环路滤波器可以灵活地实现不同的频率分辨率，本设计选择23KHz的环路带宽。

图2 射频前端模块电路

2.1 R1000外围发射通道

发射功率控制过程是实时的、动态的。R1000外围发射信号通道包括固定增益放大电路，程控衰减电路，耦合器，滤波器，单刀四掷天线选择开关，天线连接检查和正反向功率检测等功能[7]，如图3所示。初始状态下，程控衰减电路的衰减值未知。当R1000的输出信号经过程控衰减电路后，被固定增益放大电路进行高线性度放大，然后进入耦合器耦合，正向耦合端输出的信号进入正向功率检测单元后得到一个对应的电平值。该电平在控制系统中进行处理后，由数字控制系统发出指令，控制程控衰减电路调整其衰减值，如此反复，直到达到设定的输出功率值为止。耦合器输出信号经过低通滤波器后，送入到单刀四掷射频通道选择开关，然后由被选择的天线通道发射出去。如果天线匹配不好，部分或全部信号反射回来后，在耦合器的反向耦合端输出的信号进入反向功率检测单元，得到的电平值经过数字控制系统处理后，芯片R1000将停止发射射频信号，同时用户界面报错。

图3 R1000外围发射通道结构图

2.1.1 程控衰减电路

当数字控制系统得到正向功率检测结果后，与用户设定的射频发射功率所对应的电平值相对比，得出两者差量，产生控制信号SCL和SDA[8]。其中，SCL控制数字电位器的输出电平增加或是减少，SDA表示电平增加或减少的量。数字电位器产生的电平经过缓冲后，作用到程控衰减器上，调整其衰减幅度。该调整过程是实时的、动态的，如图4程控衰减电路内部结构所示。为了保证在程控衰减器失效的情况下，R1000的射频发射信号经过放大后，其功率不超过功率放大器的P1dB值，电路中设计了π型电阻衰减网络。其衰减量是固定值，但可根据整个发射通道的性能对其衰减量进行调整。

图4 程控衰减电路内部结构

2.1.2 固定增益放大电路

读写器和标签之间信号功率逐渐衰减。若信号频率为915MHz，相距d=1m处，自由空间的播损耗L=-31.7dB；考虑到天线输入端的衰减2.5dB，固定增益放大电路的输出功率不小于+32.5dBm[9]，芯片R1000的射频输出功率典型值是+10dBm。因此，固定增益放大电路对R1000输出射频信号的理论增益至少应为22.5dBm。为了提高功率放大器的线性度，本文采用“驱动放大器+功率放大器”的电路结构，以及3dB功率分配与合成技术，如图5固定增益放大电路所示。

图5 固定增益放大电路

2.1.3 耦合器和功率检测

图6 耦合器和功率检测电路结构图

-30dB耦合器的使用主要是为了对射频发射信号和反射信号功率进行检测，并为R1000提供外部本振源，如图6耦合器和功率检测电路所示。固定增益放大器输出的射频信号输入到-30dB耦合器的Pin1，从耦合器的Pin4得到耦合信号。该耦合信号有两个用途：正向功率检测和R1000外部本振源。R1000外部本振输入功率范围是-20dBm～0dBm，可以将π型衰减器的衰减量初步定于6dB。作者选择的功率检测芯片线性度最好的功率检测范围是-40dBm～-10dBm，因此选取功率检测点-21dBm。从耦合器Pin2到天线输入端，存在发射信号的反射分量。该反射信号输入到耦合器Pin2，从Pin3得到其耦合分量。该分量有两个用途：1）R1000片内反射信号功率检测，用以和发射功率相对比，判断耦合器到天线这一段电路的阻抗匹配程度。如果阻抗严重失配，R1000将停止发射信号；2）该信号用于数字电路控制系统对反射信号的功率检测，也和发射功率相对比，如果阻抗严重失配，应用软件的用户界面将报错。这两个处理反射信号的信号支路的各项参数计算与正向功率检测相同。

2.1.4 天线选择开关和连接检查

在系统正常工作过程中，数字控制系统根据用户设定，输出天线选择信号ANT0和ANT1，经过2-4译码和缓冲器后，作用到单刀四掷开关，实现用户对天线工作状态的管理，且任何一条通道的工作参数都可以独立设定。如果没有连接天线就运行系统，发射信号在天线连接端口完全反射，造成功率放大器严重损坏。为了避免这种情况的发生，作者设置了一个天线连接检查电路单元，如图7天线连接检查电路所示。如果天线没有连接，则4.7KΩ电阻的右侧是开路，因而天线检查结果是一个3.3V的高电平。当天线连接良好时，在直流状态下，由于天线内部的信号平面和地平面是直接相连的，则4.7KΩ电阻的右侧是接地状态，因而天线检查结果是一个约0.3V的低电平。R1000就是通过这个电平值来判断天线是否正常连接的。

图7 天线连接检查结果

2.2 R1000外围接收通道

图8 R1000外围接收通道结构图

收发只能同时选择一对固定的天线，接收天线接收到标签的返回信号后，输入到单刀四掷开关，如图8 R1000外围接收通道结构图所示。为了防止相同频段的强干扰信号进入R1000的接收通道，天线选择开关的输出信号分出一部分，先经过一个固定衰减量的衰减器，再由功率检测芯片进行功率检测，检测结果输入控制系统与一个预设的值进行比较，判断接收功率是否过大，进而控制保护开关的通断状态。因此，在天线选择开关和带通滤波器之间添加了保护电路单元。如果接收信号功率不超过保护开关的保护门限，经过带通滤波器之后，通过单端转差分直接进入R1000芯片内部接收通道，进行片内的放大、解调等处理。

3 系统整体测试

首先进行固定增益放大电路整体性能测试，为保证功率放大电路输出功率为+34dBm的输入功率为+17dBm，考虑到驱动放大器输出与功率放大电路之间的低通滤波器的0.5dB衰减，则驱动放大器的输出功率至少为+19.5dBm，对应其输入功率为-1dBm。由于R1000的输出射频功率典型值为+10dBm[10,11]，因此程控衰减器的最小衰减量为11dB。设置信号发生器的信号频率为915MHz，功率从-10dBm开始以1dB步进上推。具体测试结果如表1所示，整个固定增益放大电路在输入功率为-6dBm时，其输出能达到+32.62dBm，满足设计要求。

表1 固定增益放大电路增益测试数据记录

固定增益放大模块模块已经焊接调试完成后，从-30dB耦合器输出端引出一条一端带有SMA公头的同轴线，用于测试系统输入到发射通道天线选择开关的信号功率。将数字电路模块的USB接口与电脑相连，引出的同轴线接上一个30dB的衰减器（功率容量为4W连续波），再连接到频谱仪上。打开应用软件RFID Tracer，设置工作频段为902MHz～928MHz，此时在频谱仪上可以得到信号频谱如图9所示。

图9 系统发射瞬时功率谱测试结果

4 结束语

基于射频收发芯片R1000，设计实现了符合ISO18000-6C协议的UHF RFID读写器硬件电路。其中，针对射频前端电路的关键技术做了重点介绍，该电路工作于860MHz～960MHz频段，覆盖了不同国家和地区为UHF RFID应用所划分的频谱资源。其射频前端采用零中频收发架构，4组天线接口以时分方式工作，采用倒推的方式，对各部分电路进行调试、优化，确定整个固定增益放大电路的输出功率和总体增益，从而为程控衰减电路中的π型衰减网络确定衰减量。整个射频前端电路通过ARM7处理器来控制工作状态，其射频发射功率可由软件调节，功率变化范围从+14dBm到+33dBm，步进量为1dB，能满足不同应用环境的需求。在输出射频功率为+30dBm时，识别距离大于9米。在现阶段防碰撞算法作用下，可保证同时读取标签数267张无漏读，如图10标签卡碰撞测试所示。

图10 标签卡碰撞测试

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