一种新型UHF频段RFID读写器设计方案介绍
近年来兴起的射频识别技术（rfid）是以无线电磁波信号通过近场或远场方式与标签交换能量与信息，实现识别目的的技术，具有数据容量大、无需接触读写、保密性高、寿命长、抗干扰能力强等优点。在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理以及物流管理等领域的应用越来越广泛。按工作频段，rfid系统可分为低频、高频、超高频和微波等几类。目前大多数rfid系统为低频和高频系统，但超高频频段的rfid系统具有操作距离远、通信速度快、成本低、尺寸小等优点，更适合未来物流、供应链领域的应用，也为实现物联网提供了可能。
本文介绍了一种新型uhf频段rfid读写器设计方案。该读写器是基于intel r2000芯片、以at91sam7s256为微控制器，符合iso 18000-6c和epc global gen2标准。与传统超高频rfid系统相比，该方案简化了设计过程、减小了读写器体积、降低了生产成本，缩短了产品生产周期。
1 读写器系统框图
基于r2000的读写器系统结构如图1所示，其中控制器采用arm7内核处理器，除了r2000的一些必要外围元件，系统和天线之间必须加环行器以满足单天线应用，tx口还必须加功放模块。根据读写器的系统框图，主要器件选型如下：
1．1 rfid宽频环行器hyg504xx
作为单天线应用的收发隔离，环形器一般用亚铁磁性复合材料制成，这种材料具有各向异性的特点，环形器为三端口器件，端口1为输入，端口2为输出，端口3为隔离端口，能量几乎不能穿过，以此类推，一般uhf读写器上用环形器使信号按顺时针方向流通，当端口1为tx输出时，rf信号会从端口2流过，而端口3即rx端口为隔离端，具体隔离度需参考器件参数和layout效果；相反，当端口2作为收发复用端接收信号时，信号会按顺时针方向进入端口3，此时泄露到tx端口的能量非常小，可以忽略，而tx泄露到rx端口的能量很大程度上影响着接收机灵敏度即实际识别效果，因此需根据接收端lna参数，在rx端加衰减器对tx泄露信号进行有效隔离，但由此产生一个问题，因为rx接收的有用信号本身就很少，在进行tx端泄露信号衰减的同时，rx端有用信号也被进一步削弱，因此也会影响到lna的接收，因此，用环形器做收发隔离只能在一定程度上产生效果，对于tx输出功率给定且：erp不超过相关规定的情况下，要提高接收机灵敏度，必须考虑增大收发两路的隔离度，视具体需求而定。
1．2 射频开关hmc174
用来控制射频输出的通断。在900 mhz频段内，输入的1 db压缩点可以达到39 dbm，充分保证了hmc174可以承受输入很高的射频功率。输入3阶截取点可达到60 dbm，而前一级频率合成器的输出功率在3 dbm以内，因而保证了信号通过射频开关后的高线性度，最大限度地减少了射频信号的失真。
1．3 射频功率放大器pf01411b
pf01411b用做放大r2000的tx端输出信号，使其满足最大功率的输出要求。pf01411b的主要特性为：高增益：三级放大，输入功率0 dbm；高效率：输出功率在35．5dbm时可达45％；增益控制范围宽：典型值可达70db。
1．4 射频数控衰减器hmc273
hmc273用做衰减r2000的tx端输出信号，功率校正用。
1．5 impinj indy r2000 uhf rfid读写器芯片
r2000是新一代uhf频段rfid读写器soc芯片，符合epc global uhf class 1 gen 2／iso 18000-6c国际标准，内部集成ask调制解调器、滤波器、功放、fpga等模块。
1．6 微处理单元at91sam7s256
该器件是32位微控制器，大大提升了微控制器的实时性能，整合了全套安全运行功能，包括由片上rc振荡器计时的监视器、电源以及闪存的硬件保护等。此外，该器件在最差条件下可以30 mhz的速度进行单时钟周期访问。
2 电源模块和外设
电源模块提供5 v，3．3 v，1．8 v的电压，和外设做在同一块底板上。适配器输出的12 v直流电压通过单片开关电源lm2676转换成5 v，如图2所示，其他所需电压值通过lm1117系列ldo产生，如图3所示。外设只提供以太网口、usb口、串口。
at91sam7s256自带以太网mac，只需选用一片phy，这里选dm9161aep，电路如图4所示。
phy和mac的接口采用rmii接口，以太网接口采用集成了网络变压器的hr911105a，增加信号传输的可靠性。usb的接口电路如图5所示，由于at91sam7s256芯片自带usb控制器，这部分电路相对简单，只需按照atmel的参考电路进行设计即可。串口电路如图6所示，其中一个用做调试，在没有显示设备的情况下，启动信息等可以从这个串口打印输出到windows中的超级终端上，方便设计前期的调试过程。
3 系统软件设计主程序
读写器在主机监控下进行工作，该系统与主机之间形成主从通信模式。主控模块上电完成正常初始化过程后，就进入等待状态，等主机发来指令，当接收到主机指令后，按照主控程序进行相应的工作。处理完毕后，将所得信息送往主机。主程序流程如框图7所示。
4 结语
本文采用impinj最新的r2000进行uhf rfid设计，可支持多协议兼容，标签处理速度高达每秒400多张，此超高频射频识别系统尤其适用于物流、供应链领域。实验表明，以此为核心的读写器防碰撞性能好、高级drm算法支持每秒处理400个标签。这些特性减小了设备的开发复杂度，缩短了设备的研发周期，提高了系统性能，加快了设备的上市时间。
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1 读写器系统框图
基于r2000的读写器系统结构如图1所示，其中控制器采用arm7内核处理器，除了r2000的一些必要外围元件，系统和天线之间必须加环行器以满足单天线应用，tx口还必须加功放模块。根据读写器的系统框图，主要器件选型如下：
1．1 rfid宽频环行器hyg504xx
作为单天线应用的收发隔离，环形器一般用亚铁磁性复合材料制成，这种材料具有各向异性的特点，环形器为三端口器件，端口1为输入，端口2为输出，端口3为隔离端口，能量几乎不能穿过，以此类推，一般uhf读写器上用环形器使信号按顺时针方向流通，当端口1为tx输出时，rf信号会从端口2流过，而端口3即rx端口为隔离端，具体隔离度需参考器件参数和layout效果；相反，当端口2作为收发复用端接收信号时，信号会按顺时针方向进入端口3，此时泄露到tx端口的能量非常小，可以忽略，而tx泄露到rx端口的能量很大程度上影响着接收机灵敏度即实际识别效果，因此需根据接收端lna参数，在rx端加衰减器对tx泄露信号进行有效隔离，但由此产生一个问题，因为rx接收的有用信号本身就很少，在进行tx端泄露信号衰减的同时，rx端有用信号也被进一步削弱，因此也会影响到lna的接收，因此，用环形器做收发隔离只能在一定程度上产生效果，对于tx输出功率给定且：erp不超过相关规定的情况下，要提高接收机灵敏度，必须考虑增大收发两路的隔离度，视具体需求而定。
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