超高频RFID读写器射频前端的研究与设计

超高频RFID读写器射频前端的研究与设计

孟露1任玲2

1辽宁科技大学国际金融与银行学院辽宁鞍山114051；2辽宁聚龙金融设备股份有限公司辽宁鞍山114051

摘要：RFID超高频读写器不仅可以在高频段和跳频中正常运行，它的发送通路和接收回路则分别利用的是：射频发送芯片及相关的解调，而且它的成本很低，其结构也非常简易，可以在各种环境下进行标签识别。文章通过介绍RFID超高频读写器，对RFID超高频读写器的构成和原理及主要标准体系进行分析，并进行RFID超高频读写器的设计。

关键词：RFID；超高频；读写器设计

一、RFID超高频读写器

UHF频段RFID系统具有读写距离远、多标签识读速度快、抗干扰及穿透能力强以及标签尺寸小等优点，已成为全球RFID产业和研究部门关注的热点。目前国内对于UHF频段RFID的研究尚处于起步阶段，其技术状态与应用要求尚存在很大差距，加之进口读写器的价格昂贵。因此开发拥有自主知识产权的适用于UHF频段的RFID读写器具有重要意义。

RFID超高频读写器技术也可以被称之为射频识别技术，并结合了自动识别与无线射频通信两种技术。它能够进行非接触式的操作和远距离的识别，还能够在非常恶劣的环境中正常工作，不会对机械造成磨损等影响。同时识别多个标签，读写器也具有很强的安全性，除了拥有密码的保护以外，还可以利用算法加强其安全，通过读写器和标签间的认证，使其完成安全的通信与存储。一般在物流和零售、医疗和防伪、身份识别和军事，以及交通等方面得到应用。由于RFID分为低频和高频、超高频，以及微波段，而每个频段的应用不同，因此针对RFID超高频读写器主要以UHF超高频段为主。

二、RFID超高频读写器的构成及原理

RFID超高频读写器主要由主机、天线、读写器标签，以及耦合方式所构成。其中，耦合方式有电感和电磁反向散射耦合两种，由于两种耦合间的不同是电磁耦合的射频信号以电磁波进行传送，而电感耦合的射频信号则被捆绑在其它的电感线周围，缺乏空间辐射的电磁能量，只适合在低频段进行识别，不适合高频读写器中应用，因此，对于高频段读写器来说，电磁反向散射耦合较为适合；标签有有源和无源两种，由于超高频段极容易受到许多因素的干扰，但数据传输率很高，而且通讯好，比较适合远距离，因此，针对RFID超高频的分析，判定可以采用无源标签实现具体操作；而读码器则有控制和导入、解码器，以及控制和射频模块，主要用于对数据和命令的传输交换进行控制与通信，导入和执行指定空间的程序，并利用解码和防撞击等处理方式进行命令的识别。其工作的原理是：读写器采用发射天线将射频信号进行发送，标签在进入天线工作范围的时候就会出现相应的感应电流而被激活，这样一来就可以将信息通过内置天线进行发送，读写器收到所发送的调制信号后，自动进行解调与解码等相关的处理，并传送到后台的系统中。

三、主要的标准体系

RFID主要有三种标准体系：美国的EPCGlobal标准体系和日本的UID标准体系，以及国际化标准组织ISO标准体系。其中，ISO标准体ISO18000系列标准，涵盖了从低频133K到微波2.4G的所有标准，在超高频860-960MHZ方面，ISO/IEC已经建立18000-6A、ISO/

IEC18000-6B、ISO/IEC18000-6C三种标准。从目前的发展来看，ISO18000-6C已经逐渐为大家所认同，尤其是EPCGlobalC1G2标准与ISO1800-6C兼容后，ISO18000-6C已经成为解决物流供应链和追踪性最为合适的选择对象，更加符合物联网的标准，也是人们所关注的焦点。所以本次设计我们的RFID超高频读写器，以ISO18000-6C为标准协议，根据此协议分析读写器至标签、标签至读写器的状态。同时，利用防撞击的算法进行处理，以此确定是否与读写器间完成通信。以QueryRep与QueryAdjust分别确定槽时值及Q值大小，并确定范围。其中，Q、C、Qfp为正整数，F2Q1为信息帧的长度，而由于Q处于动态变化，因此，选取round（Qfp）为值。假如时隙冲突则加上参数C，相反则减去参数C。读写器按照Q=round（Qfp）确定是发送时隙或者是对帧的重新启动。

四、超高频读写器的设计

其一，在硬件方面的设计，以控制和射频收发、通信，以及功率和电源等模块构成。为了确保读写器至标签之间通信可以达所到预期的参数，因此利用具有成本便宜及资源丰富等优势的LPC2103作为控制的中心，并采用ADF7020作为射频收发芯片，支持OOK与FSK的调制等，其输出的频率为240～930MHz之间。通过数据读回对ADF7020进行读取，SLE为锁存信号，DATAI/O为复用引脚，天线发送信号给ADF7020以后，INT/LOCK就会发送中断信号给LPC2138。由于ADF7020的max功率为13dBm，所以高频读写器的功率应该满足29dBm，电压为3V。因为超高频读写器拥有和嵌入式、PC通信的功能，所以，LPC2138有RS232连接口和RS485总线连接口，其中，采用RS485时，要在PC端上加入转换器RS232，并与SP3485连接。在低电时，RS485就从RO引脚输出，并利用P0.1（RxD0）接收，相反则利用P0.1（TxD0）发送。因此可以减弱信号的反射。其二，在软件方面设计中，首先进行数字基带处理模块设计，其次进行读写编码脉冲间隔编码设计，最后进行解码等设计设置好PIE定时器的值（X≥T，为1；X﹤T，为0），从FIFO中读取编码信号数据，当为0时，其值为2T做自减运算；当为1时，其值为4T做自减运算。在进行解码设计时，采用双相间隔解码，读写器采取信号样本，利用帧头的准确性对信号进行解码。根据双相间隔解码的优势我们可以知道，当窗位时间以下降沿和上升沿为起始点时，在下降沿样本为1时，数据就会为0；在上升沿样本为0或1时，数据就会为0或1。在整个软件设计的同时，启动代码部分主要是以汇编语言编写为主，其余以C语言编写为主。当启动代码完成后，程序就会自动转入C语言入口处，并进入主循环程序中。在读写器收到指令后，就会自动向标签发送命令并进行处理，以此建立彼此间的通信。当遇上撞击的时候，则利用防撞击算法明确标签，以此建立通信，从而进行读写操作.总而言之，虽然目前RFID超高频读写器的应用不多，但是随着我国RFID技术的发展，以及市场不断的需求增大，为日后RFID超高频读写器的推广带了新的领域。通过对RFID超高频读写器的设计，其硬件方面更为简易，不仅提高了性能，还节约了成本费用，同时拥有远距离的识别和多标签识读等优势。在整个软件设计的同时，启动代码部分主要是以汇编语言编写为主，其余以C语言编写为主。当启动代码完成后，程序就会自动转入C语言入口处，并进入主循环程序中。在读写器收到指令后，就会自动向标签发送命令并进行处理，以此建立彼此间的通信。当遇上撞击的时候，则利用防撞击算法明确标签，以此建立通信，从而进行读写操作。在硬件方面的设计，以控制和射频收发、通信，以及功率和电源等模块构成。为了确保读写器至标签之间通信可以达所到预期的参数，总而言之，虽然目前RFID超高频读写器的应用不多，但是随着我国RFID技术的发展，以及市场不断的需求增大，为日后RFIT超高频读写器的推广带了新的领域

结束语

通过对RFID超高频读写器的设计，其硬件方面更为简易，不仅提高了性能，还节约了成本费用，同时拥有远距离的识别和多标签识读等优势。

参考文献：

[1]张晓鹏，朱云龙，罗海波．超高频射频识别系统读写器设计[J]．电子器件，2005，（3）．

[2]郭振军，黄廷磊．基于ARM7的超高频（UHF）RFID读写器的设计[A]．中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集，2007．