HF频段RFID长距离读写器的研究与开发

射频识别技术（RFID）是上世纪80年代兴起并不断走向成熟的一项自动无线识别和数据获取技术。与传统的条码、磁卡等自动识别技术相比，RFID技术在工作距离、保密性、智能化及其环境适应能力等方面都有显著优势，且可同时识别多个高速运动物体，有广阔的发展前景[1]。
　　RFID系统由电子标签、天线、读写器三部分组成。读写器通过天线发送、接收信号，无接触地读取和识别标签中所保存的数据，并将信息传送至上位机进一步处理，从而达到目标识别的目的。由此可见，读写器是RFID技术的核心。目前HF频段RFID读写器的研发正处于逐步成熟阶段，国际上知名的大公司有TI、Philips等，国内生产厂商相对较少，且大部分都是在已有射频芯片的基础上进行数字部分的研发，系统集成商则是在国外公司知识产权的基础上根据客户需要做适当改进。
　　HF频段RFID系统中标签所获能量微弱，无力再向周围发射无线电波，只能反射来自读写器的电磁波,故标签的响应信号微弱，影响读写距离。本文针对这一问题，在介绍电子标签的基础上，给出了一种基于开放式门禁系统应用的读写器设计方法，提出将模拟板、数字板分别研发的思想，大大提高了读写距离。该读写器工作频率为13.56MHz，符合ISO-15693协议。硬件电路采用TI的TMS320F2812为主控芯片，以符合ISO-15693协议的所有无源标签为读写目标，软件设计很好地实现了多卡识别的防碰撞算法。
1 电子标签简介
　　每个电子标签由耦合元件及芯片组成，内部一般保存有约定格式的电子数据，且具有无法修改、仿造、全球唯一的识别号（UID）。在HF频段RFID系统中，当读写器处于工作状态时，与其相连的天线线圈不断地向外发出一组固定频率(13.56MHz)的电磁波。当无源电子标签进入读写器工作区域时，在该电磁波的激励下，标签内的LC串联谐振电路产生谐振，从而使电容充电而产生电荷。该电容又通过一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷泵送到另一个电容内存储。当后者充电达到2V时，它就可用作为标签内部其他电路的工作电源。标签芯片中的有关电路对读写器发来的信号进行解调、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为“读”命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过标签内部天线再发送给读写器；若为修改信息的“写”命令，有关控制逻辑就会使内部电荷泵提升工作电压，以擦除EEPROM中的内容并进行改写；若经判断发现所对应的密码和权限不符，则返回出错信息[2]。
2 读写器硬件设计
　　目前的RFID读写器大多采用一块射频芯片完成整个系统的收发，虽简单易行，但降噪性能和系统灵敏度始终没有改善。
　　本设计提出模拟、数字部分分别研发的思想，硬件框图如图1所示。由DSP芯片产生脉冲位置编码(PPM)信号，再对13.56MHz载频进行调制。已调信号的功率很弱，需先进行功率放大，再经滤波和调谐加到天线上，以提高对卡的操作距离。系统可通过DSP实现输出功率控制，最小功率为0.25W。天线线圈在13.56MHz工作频率上呈现阻抗形式，为了实现与50Ω系统的功率匹配，需先通过匹配电路将此阻抗转换为50Ω电阻，然后通过50Ω同轴电缆连接到读写器末级。在接收通道中，由标签响应回来的信号，首先通过带通滤波器取出一边带，放大后送入解调器，最后将解调后的信号送入DSP芯片上作A/D采样判决，并进行解码和校验，完成整个信号的接收处理。该读写器用于开放式门禁系统时，除完成简单的标签识别外，还需通过RS232接口与上位机通信, 由此形成大的数据网络,以实现对标签的管理、操作等。因此读写器的硬件设计分为模拟部分和数字部分。模拟部分即射频模块；数字部分又可分为主控模块，电源管理模块和对外接口模块、所选芯片如表1所示。

2.1 模拟部分
　　本设计自主研发了一块供电电压为24V的模拟板，简要论述如下。
2.1.1 发送模块
发送模块的功能：(1)13.56MHz的晶振产生载波信号，DSP将欲发送的信息及调制幅度(10％)传送至74HC125D芯片端，完成ASK调制；(2)NPN型射频功率晶体管实现功率放大；(3)经匹配电路将载频由天线发送出去。
2.1.2 接收模块
接收模块的功能：(1)设计窄带滤波器取出一边带，并滤除13.56MHz频率分量；(2)二级放大电路；(3)将边带信号与本地13.56MHz载波混频后获得调制到423kHz单副载波上的中频信号；(4)将中频信号放大并包络检波出原始信号；(5)运放LM358整形放大；(6)将解调后的模拟信号送至DSP采样。
　　该射频模块的输出阻抗为50?赘，外接天线的匹配状况对系统的接收性能有直接影响，用网络分析仪调试天线谐振在13.56MHz，输出阻抗为50?赘。此外，应防止和抑制电磁干扰，提高电磁兼容性，要选择介电常数公差小的基材。射频部分尽量使用SMT(表面贴装式)元件，减少过孔，并在表面加接地金属屏蔽层[3]。
2.2 数字部分
2.2.1 主控模块
　　本系统采用DSP芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心。该芯片采用高性能的静态CMOS技术，是基于TI C×28内核的32位定点数字信号处理器。其优化的事件管理器、快速灵活的中断管理，为RFID读写系统提供了更加灵活、高效的控制方案[4]。
　　在本设计中，DSP芯片的供电电压为3.3V和1.8V，外部采用27.12MHz晶振，通过片内锁相环5倍频后，时钟频率高达135.6MHz。DSP的主控作用体现在：它首先通过片上自带的12位ADC对模拟板发来的信号进行采集，并将采集后的数据暂存在片内存储器中，通过软件配合实现噪音处理、曼彻斯特解码及检测碰撞等，随后进行具体读写命令的判断和执行，并通过串行接口RS232与上位机通信。DSP的GPIO口具体使用情况如下：
　　GPIOA：用于通道（bit5）、相位(bit8)和调制度(bit14)选择、命令(bit15)的输出以及读写器的开关控制（0x0000）。
　　GPIOB：报警动作。
　　GPIOD：运行灯（bit5），报警灯(bit6)指示。
　　GPIOF：串行口232通信（bit4发、bit5收）。
　　在该模块的设计中，还需总线隔离器74HC245芯片，实现射频模块与DSP的GPIOA口的连接。
2.2.2 电源管理模块
　　该模块的主要器件为L7805及PS767D318，电路原理如图2所示。其中，24V输入电压经三端稳压器L7805后，稳压至5V。由于DSP的供电电压为3.3V和1.8V，故还需外接双输出低压差电压转换器PS767D318，实现第二级电平转换。