基于indyr2000的超高频rfid阅读器设计.pdf

目录目录摘要.IAbstract.11第1章 绪论.11.1 射频识别技术的研究背景和意义.11.2 国内RFID阅读器的研究现状.21.3 论文的主要研究内容.21.4 论文的组织结构.3第2章 射频系统标准及结构.52.1 RFID系统频率分类.52.2 ISO/IEC18000-6C 标准.62.3 RFID系统结构.72.4 阅读器结构.82.5 本章小结.10第3章 射频模块设计.113.1 射频模块主要功能.113.2 射频收发集成芯片.1133 射频模块电路设计.143.3.1 定向耦合器和功率检测电路.153.3.2 功率放大器.183.3.3 巴伦转换器.203.3.4 锁相环路滤波器与DRM密集阅读.223.3.5 R2000 最小系统.223.4 本章小结.24第4章 基带模块设计.254.1 基带功能设计.254.2 主控芯片及最小系统.254.2.1 芯片选型分析.254.2.2 SAM3S8 最小系统.274.3 环境温度检测电路.294.4 通信接口设计.29北京工业大学工程硕士专业学位论文4.4.1 USB 接 口电路.294.4.2 RS232 接 口电路.304.4.3 以太网接口.324.5 POE 供电.344.6 电源模块设计.374.7 本章小结.39第5章 高频信号传输特性.415.1 无源器件的高频特性.415.2 时域信号传输反射分析.455.3 PCB布线阻抗匹配.465.4 本章小结.48第6章 RFID阅读器PCB设计.496.1 PCB板材选取.496.2 PCB板层设计.506.3 元器件封装与布局.516.4 布线.536.5 PCB文件后处理.546.6 本章小结.56结论.57参考文献.59攻读硕士学位期间取得的学术成果.63致谢.65第1章绪论第1章绪论1.1 射频识别技术的研究背景和意义科学技术是第一生产力，二十一世纪是信息化革命的时代，各种无线电技术 得到突飞猛进的发展与应用，业已成为当今社会发展和推动经济发展的重要力量。继互联网发展的后时代，物联网作为新一代信息化技术，对人类经济发展和社会 进步具有重要意义，吸引社会各界的广泛关注和大力支持。RFID(Radio Frequency Identification)技术作为物联网核心技术之一，继二维码之后，理所当 然的成为信息技术中的研究热点，具有极高的研究价值和经济价值。RFID技术作为下一代的条码技术，较二维码具有群读、非接触自动识别等 若干优势，它不仅能够通过无线电为标签提供能量并与之通信，还能够定位标签 的位置。在当前的RFID应用领域中它又分为若干频段，不同的频段具有的行业 标准不同，一般可分为低频、高频、超高频和微波频段。RFID由英国空军在1940年为区分本国与敌国飞机研发。自1980年开始，就有厂商将RFID系统逐步应用到商业当中，并广泛应用于各领域，如电子仿窥 系统、电子收费、交通运输、动物追踪、门禁管理、物流管理等。据业内人士预 测，RFID技术将在未来的新产品与服务商带来上百亿美元的商机，随之而来的 配套服务设施将提供庞大的供求关系。毫无疑问，RFID将会给商家带来巨大的 市场。随着世界经济和物联网的快速发展，由于RFID产品在非接触识别、多标签 识别、快速移动标签识别等方面的优势，RFID技术凸显出巨大的发展空间，被 广泛的应用在零售、物流等行业，增强了物品追踪的能力，因此，RFID技术被 认为是当前科技中最有发展前途的科技之一山。随着信息技术的不断发展，物联网具有广阔的应用前景。RFID技术作为物 联网核心技术之一，也得到了很广泛的应用和发展。阅读器及电子标签作为RFID 系统重要组成部分，在系统中起着重要作用，具有很大的研究价值。与传统的条 码或磁条识别技术相比，射频识别技术具有非接触、作用距离远、精度高、适于 恶劣环境、信息的收集和处理快捷灵活及较好的应用环境适应性、可识别运动目 标等一系列的优点，在工业自动化、商品控制、交通运输控制管理等众多领域得 到广泛的发展。根据中国RFID产业联盟统计，自2009年以来我国的RFID产业每年以将近北京工业大学工程硕士专业学位论文50%的发展速度增长，RFID巨大的市场需求将推动相关产业链的发展网。1.2 国内RFID阅读器的研究现状目前物联网被广泛的应用到各个行业，而RFID技术通常被认为是物联网的 触角，比如门禁卡、野生动物追踪、手机支付等。随着物联网的发展，RFID技 术也蓬勃发展，但是许多RFID应用尚未形成大规模的应用，主要的原因在于 RFID阅读器和标签成本较高，研发门槛高，单位设备的成本成为制约推广应用 的主要因素，因此迫切的需要降低RFID产品的单位成本因。智慧地球是物联网为人们勾画的美好前景，但是一旦物联网普及开来，其涉 及的个人隐私、商业机密、国家安全等一系列问题是最需要解决的问题。回顾互 联网技术的发展，产业化应用推动了互联网的发展，但是日益严峻的安全问题又 制约了互联网的发展。任何接入互联网的设备都可能被非法入侵和攻击，互联网 标准的各层之间均存在不同程度的安全隐患18】。RFID技术是一门多学科综合的技术，涵盖IT技术、制造业、材料等多个领 域，集成电路开发、电磁波通信与能量传递、信息安全等技术与RFID技术有这 密不可分的关系。过去几十年一些国家和跨国公司一直不断的进行RFID技术的 研发，并在该领域取得了数千项的专利，主要集中在日本、美国和欧洲等地区，而我国的RFID产业在近几年刚刚兴起，与国外相比有很大差距。目前国内专利申请人在RFID技术方面已有初步的专利积累,并且其专利申 请量继续保持增长趋势，但应进一步加大对RFID关键技术的研发投入。国内 RFID相关行业知识产权现状能在国内市场起到一定的防守作用,从而保护国内 企业充分利用中国市场发展网。1.3 论文的主要研究内容本文选题来自于生产自动化管理领域，通过对当前RFID系统的研究，提出 了一种嵌入式阅读器设计方案。研究和实现基于ARM的RFID标签及阅读器硬 件，具有一定的移动性和智能性，方便用户使用，对于RFID技术的发展和进步 具有重要意义，为用户继续研究和开发提供了极大的便利。目前，市面上有很多种RFID阅读器，不同产品之间，具有不同的性能特点，适用于不同的情况。总的来说RFID阅读器主要包括两大类【助，一类是高性能单 片机芯片控制的手持式阅读器,一类是和计算机连接的固定式阅读器。比较来看，固定式阅读器处理速度快、功能强大丰富，可以借助计算机丰富的存储资源和运 算能力，缺点是移动性差、体积大。单片机控制的手持式阅读器具有使用方便、-2-第1章绪论便于携带、可以运用在各种环境下，但是功能比较简单、存储单元小、处理速度 慢，扩展性不强。ARM控制器具有丰富的资源、可扩展性强、处理速度快等优 点，目前被广泛应用到各种手持设备当中。本文综合手持和固定式阅读器的优点,结合ARM控制器，设计了 RFID阅读器和标签的硬件，配合相应的软件，实现 阅读器的数据采集与处理。该RFID系统具有携带方便、使用范围广、可宽展性 强等优点，既克服了固定阅读器不方便移动的缺点又克服了单片机控制手持阅读 器功能简单、处理速度慢的缺点。下面对几种RFID阅读器系统进行分析，选择合适的技术方案。首先针对 RFID阅读器的识别距离，在现有的各种RFID技术中，适合远距离阅读的频段 主要有超高频频段、2.45GHz频段和5.8GHz频段口工经过对当前集成电路技术 的调研，生产这三种频段的无源标签芯片没有任何问题。在综合考虑成本和普及 程度、功耗、技术等多个方面因素下，超高频频段的识别距离可达10米，并且 单个标签的成本也很便宜，2.45GHz和5GHz频段的无源电子标签相对来说技术 复杂、成本也高，目前应用较广泛的是有源标签，用于百米以上远距离识别。本 论文采用超高频段的RFID阅读器无源标签方案。本论文的目标是设计一种集成度高、性能强、功能多的超高频RFID阅读器，该阅读器符合ISO 18000-6C/EPCglobal Gen2标准。主要研究内容如下：1.分析RFID阅读器系统原理；2.对阅读器核心电路模块进行功能划分，提出硬件电路设计方案；3.对阅读器核心电路模块进行具体的原理图和版图设计；4.分析电路设计过程中的阻抗匹配问题：5.完成阅读器硬件电路板PCB设计。1.4论文的组织结构本论文共有七章，每个章节内容安排如下：第1章绪论，主要介绍RFID技术的定义、发展历史、RF1D技术国内外发 展现状、未来发展趋势、课题的目的及意义、论文开展的主要工作。第2章各频段RFID协议简介及阅读器系统结构，介绍RFID系统工作频 率及标准、详细介绍了 ISO/IEC18000-6协议、阅读器的系统结构。第3章RFID阅读器系统射频模块设计，分析射频模块的功能特点，介绍 北京工业大学工程硕士专业学位论文采用集成射频芯片设计射频模块的必要性，最后给出射频收发模块电路设计方案。第4章RFID阅读器系统基带模块设计，介绍基带模块功能，给出主控模块 电路设计和通讯接口设计。第5章首先研究了无源器件的高频模型，通过模型设计电源纹波滤波器，之后通过对传输线理论的研究，在设计中有效的避免信号的时域反射现象，如何 通过合理的布局布线避免设计中的阻抗不匹配问题。第6章对RFID阅读器PCB设计中会遇到的问题进行了详细的描述。第7章结论与展望，并对所完成的工作进行总结，针对开发过程中的一些 不足对后续开发提出一些建议。4-第2章 射须系统标准及结枸第2章射频系统标准及结构2.1 RFID系统频率分类在电子通信领域，信号的传输方式和传输特性是由工作频率来决定的。不同 频率的电磁波传播方式和特点用途各不相同，RFID也采取了不同的工作频率以 满足多种应用的需求。电磁波作为一种自然资源，其频率可供使用的范围是有限的，又因为电磁波 同频率干扰和全球性，所以需要国际协议分配频谱，避免频率使用方面的混乱“久 由于应用领域众多，频谱划分也有多种方式。RFID工作频率的选择要顾及其他 无线电服务，不能对其他服务造成干扰，RFID只能使用为工业、科学和医疗应 用保留的ISM频段(Industrial Scienctific Medical Band)。ISM频段是由美国联邦 通信委员会(FCC)定义出来的，属于无许可频段，使用者无需许可证，没有所 谓的使用授权限制，允许任何人随意传输数据。RFID阅读器遵循ISO/IEC18000标准。ISO/IEC18000是基于物品管理的 RFID标准，按照工作频率可以分为7大部分口叫第一部分：全球范围可接受标 准；第二部分：低于135KHz频率规范；第三部分13.56MHz频率规范；第四部 分2.45GHz频率规范；第五部分5.8GHz频率规范；第六部分860930MHz频率 规范；第七部分：433MHz频率规范。目前广泛应用于RFID领域的频谱如下。1)135KHz以下，低频段电子标签和阅读器之间的距离为15cm1m,为电感遥耦合系统，由于传输 给电子标签的能量较小，所以一般只使用只读电子标签。传输数据度较慢，在容 器识别、门禁卡、动物识别、等领域应用比较多，遵循ISO/IEC180002标准。2)13.56MHz,高频段该频段的RFID系统也属于电感耦合系统,识读距离比较短，只有几十厘米，通常逐个读写，不用群读，在公交一卡通、公民身份证、小区物业管理等领域应 用比较多，通常用于安全性要求较高、但不要求读写距离远的系统中，遵循 ISO/IEC18000-3 标准。3)860MHz960MHz,超高频段北京工业大学工程硕士专业学位论文在该频段不同的国家标准不同，大部分国家都在860MHz960MHz之间。该频段的RFID系统利用电磁反向散射方式通信和传递能量，射频信号在阅读器 和电子标签之间的传递模型为雷达模型。阅读器发射的电磁波碰到电子标签后,电磁波反射，同时将电子标签的信息携带反馈给阅读器。该频段系统识别距离远,通信质量较好，最远能达到10m,系统的识别距离为小6m,能够同时对多个电 子标签进行操作，适合需要较长读写距离和高读写速度的场合。在物流供应链管 理等领域应用比较多，比如自动停车收费、高速公路车辆识别、铁路车辆自动识 别、集装箱自动识别等，遵循ISO/IEC 180006标准。4)2.45GHz,微波频段由于与wifi频段冲突，该频段系统目前比较少，最佳传输距离是100m,但 是由于电磁波穿透性比较差，不适合读写有障碍物遮挡的电子标签。该频段系统 也采用电磁方向散射的工作方式，适合用于电子收费系统、实时定位系统等领域,遵循 ISO/IEC18000-4 标准。2.2 ISO/IEC18000-6C 标准目前RFID系统中广泛应用的是低频和高频的电子标签，但是未来的发展趋 势中，特别是商业供应链中超高频段电子标签更加适合。未来的大多数RFID系 统应用将会集中在超高频段。ISO/IEC18000第六部分为超高频段，该频段具有 读写距离远、能进行多标签识读、工作时对环境影响较小，是RFID产品的发展 的热点【均。ISO/IEC180006全称“信息技术基于单品管理射频识别第六部分：频率为 860960MHz的空中通信接口参数:ISO/IEC180006标准共有3种类型：TYPE A、TYPEB TYPE Co 2006 年 7 月，ISO/IEC 将 EPC Global 的 Gen2 空中接口 协议纳入ISO/IEC180006标准成为C型空中接口协议。为满足标签低功耗、低 成本、低处理能力的要求，C型接口协议在物理层数据编码技术、射频频段选择 及防冲突算法、调制方式、隐私保护、标签访问控制等关键技术方面做了改进，因此C型标准比A型和B型标准在性能上有了显著提高。三种类型的简单比较“6】如表2.1。从表2-1中可以看出，在技术性能和指标上ISO/IEC18000-6中C型比A型 和B型更加完善和先进。-6-第2章 射频系统标准及结构表2-1 ISO/IEC 18000-6标准三种类型比较Table 21 Comparison of three types of ISO/IEC 18000-6 standard类型速率调制方式编码方式防碰撞算法群读标签数量TYPE A33kb/sASKPIEALOHA250TYPE BlOkb/s 或 40kb/sASKManchester Binary tree250TYPE C26.7128kb/sDSB-ASK 等PIE时隙随机反碰撞327682.3 RFID系统结构RFID系统由电子标签、阅读器、计算机网络构成。射频识别技术中数据的 传输交换过程最为关键，数据的传输和交换发生在RFID阅读器和RFID电子标 签之间。其工作的基本流程如下：阅读器通过发射天线发送载有能量的射频信号;当标签进入阅读器工作区时，标签天线通过电磁波感应产生感应电流，标签通过 电磁感应电流获得工作的能量被激活；然后标签将标签被激活的信号通过天线再 发送到阅读器天线；阅读器接收从标签发送的载波信号，并对信号进行解调和解 码，然后通过网络传送到计算机中进行处理，计算机根据传送的信息发出指令信 号控制阅读器的动作口刀。射频识别系统因应用不同组成也会有所不同，但是基本都是由电子标签、阅 读器和计算机系统三部分组成。RFID系统的基本组成如图2-1所示。数据*RFID阅读器上(-时序-t1 能里J 阅读器天线M3主机图2-1 RFID系统组成Figure 2-1 RFID system 构成RFID系统的三大部分组成网。(1)电子标签 电子标签V标签天线每个电子标签由天线和标签芯片构成，每个标签芯片具有一个全球唯一的电 子产品编码，若芯片存储容量大，也会存储一些被识别物体的相关信息，当阅读 北京工业大学工程硕士专业学位论文器查询时电子标签便把这些数据发送给阅读器；若存储容量较小，则将数据存储 在计算机中，与阅读器交互时只发送EPC编码。按照不同的分类方式，电子标签可分为若干种，按照标签工作时获取能量的 方式不同又分为无源标签、有源标签和半有源标签。无源标签进入阅读器的工作 区后依靠阅读器发射的电磁能量工作，成本低，寿命长，应用广泛。有源标签需 要电池为电子标签提供全部能量，工作可靠性高，信号传送距离较远，但寿命比 较短，适合贵重物品的追踪。半有源标签依靠阅读器发送的电磁波激活并提供部 分能量，其余能量依靠标签自带电源提供。（2）阅读器阅读器又称询问器是读取电子标签信息的设备，主要包括射频的发送与接收 模块、信号处理模块。通常阅读器还需要与计算机系统进行通信，一般要有必须 的外围接口（如RS232、USB、RJ45等）。RFID系统工作时，一般首先由阅读 器发送一个特定的询问信号，当电子标签感应到这个信号后，就会给出反馈信号，反馈信号中包含电子标签中携带的数据信息。阅读器接收到这个反馈信号，进行 处理，然后将反馈信号中的有用信息传送给计算机系统，进行进一步的操作。（3）计算机系统最简单的RFID系统只有一个阅读器，只对标签进行操作，并没有计算机系 统，如公交车上的售票系统、地铁票务系统。但是对于多数应用来说，计算机系 统是必不可少的一层。阅读器与计算机系统中的后端应用程序之间需要中间件连 接，中间件可以与多个读写器和后台应用程序相连，应用程序通过中间件连接阅 读器读取电子标签信息，阅读器通过中间件传递信息到应用程序中现。中间件 方便了应用程序的二次开发和维护。大部分的RFID系统都是由这三大部分构成，各部分分工合作系统工作，但 也有的系统不包括计算机系统，只有电子标签和阅读器，其中有的阅读器兼具部 分计算机系统的功能，如公交车的刷卡系统就是这样，部分家用门禁卡也不包括 计算机系统。通常这时需要存储的电子标签比较少，阅读器就可以胜任，但是对 于需要数据库的系统，计算机系统是必不可少的一部分。2.4 阅读器结构本文设计RFID系统中的阅读器部分，其整体设计如图22所示。-8-第2章射频系统标准及结构USB5V|P0E供电模块发射通BALUNBALUN接收通道Cortex-M3USB网络接口定向耦合器功率检测aiK|射频模块 A天线基带模块图22阅读器顶层视图Figure 2-2 Top View of Reader该系统使用射频芯片IndyR2000和主控芯片Cortex-M3设计而成。整个阅读 器划分为3大模块：射频模块、基带模块、供电模块。供电模块为射频模块提供 电源，在下面的章节中将详细的介绍射频模块和基带模块的功能和电路。射频模块：负责射频信号的发送和接收。基带模块：与上位机计算机系统进行通信并控制射频芯片的行为。供电模块：为射频模块和基带模块提供充足的电力。在整个系统的设计中，最复杂的硬件为射频模块，也是整个系统的核心，射 频模块的稳定性关系整个系统的性能。射频模块中部分电路属于分布参数电路,射频电路的设计涉及电磁波、天线、电路匹配等理论。基带模块比较简单，主要功能为控制射频芯片工作，但是嵌入式软件的工作 主要集中在这里，是知识产权的集中区域。硬件的通信接口主要包括USB,RS232 以及芯片调试接口 JTAG。下面的章节中都是围绕该小结的三大模块展开的。北京工业大学工程硕士专业学位论文2.5本章小结本章首先分析RFID系统的标准及频率分类，然后对超高频RFID协议 ISO/IEC18000-6C应用及优势进行分析，然后分析RFID系统的基本组成原理和 分类。-10-第3章射频模块设计第3章射频模块设计3.1 射频模块主要功能决定阅读器性能的关键部分是射频模块的性能。阅读器射频模块的性能与相 位噪声、频率稳定性、动态范围和噪声系数有直接关系。归根到底，射频模块是 从天线上获取射频信号，并通过天线将射频信号发射出去，因此如何有效的保证 射频模块接收和发射射频信号是保证阅读器性能的关键。所以阅读器设计的重点 就是射频模块的设计。本章的任务是完成三大模块中射频电路模块的设计，该模块也是整个RFID 阅读器的核心模块，是阅读器中与标签进行通信的核心模块。射频模块主要负担 的任务如下3】：（1）不断发射满足ISO/IEC18000-6或EPC协议的射频信号为工作区域内 的无源标签提供能量；（2）将数据和命令信号调制到射频并发射给标签；（3）将标签反馈回来的信号进行处理；3.2 射频收发集成芯片目前，大部分超高频段的阅读器都存在成本过高、体积过大的问题，这严重 制约了整个超高频RFID行业的市场发展。通过调研发现，很多阅读器都采用分 立元件设计而成，结构复杂、难于设计、研发门槛较高。分立元件中的PLL、调 制/解调模块、混频器、功率放大器模块等导致阅读器尺寸过大，成本过高的现 象屡见不鲜。近年来，小型化、便携化成为RFID阅读器的发展趋势。超高频RFID阅读 器模块与手持PDA、手机、打印机和电脑外设集成在一起，通过USB接口连接 到电源工作，这需要减小射频模块的体积和功耗。于是能够将射频模块的分离元 件集成化成一颗芯片降低射频收发模块体积功耗的芯片应运而生。目前市场上占 主要份额的厂商有奥地利微电子和英频杰12”奥地利微电子公司是世界领先的高性能模拟IC设计者及制造商，目前其最 新的射频芯片为AS3992。AS3992是一款符合EPC Gen2标准的RFID阅读器芯 片，也符合用于移动射频识别阅读的IS018000-6C和ISO29143空中接口标准，以及IS0180006A/B（直接阅读模式下）标准。该芯片集成度较高，含片上电压-11北京工业大学工程硕士专业学位论文控制(VCO:Vbltage Controlled Oscillator)和功率放大器，能够提供完整的RFID 阅读器功能，支持密集阅读模式(Dense Reader Mode)、跳频、低级别传输编码、低级别解码、数据框架和循环冗余校验(CRCCyclic Redundancy Checking)等 功能。其数据手册中的管脚分布示意图如图31所示。SASTO 30 02980 8*1 d?SA09 088 U.TOOA KiiooCOMLA COMP/COMN.BDAC VDD.SJIVSS mdcinpVSS MIXJNN MIXS.IN VSNJADCC8BVDO.MDCC8V5 VDOJDGWVEXT107 106 106 KM 103 102K)1 100 IRQEN VD0_D osco osa V8MJVP VDOJW RFOPXm.oo fe09XZ9&93 83 0.XS n u n o 发图3-1 AS3992管脚分布图Figure 3-1 AS3992 PIN Package英频杰公司是一家RFID解决方案供应商，基于公司的技术与业界合作伙伴 推出众多产品和解决方案，包括标签芯片、阅读器芯片、中间件等。截止目前为 止Indy R2000是其推出的最新款芯片。R2000芯片一款专用于EPC Gen2/IS018000-6C应用的高度集成、高性能、低功耗的SiGeBiCMOS设备。此 外，经过编程，R2000还可以支持IS0180006B、iPico和iP-X协议。R2000阅 读器芯片支持全球工业、科学和医疗(ISM)频段中的超高频零中频(ZIF)体系结构。R2000阅读器芯片提供了所有RF和基带模块,专用于询问和接收来自兼容RFID 标签的数据。R2000概况示意图如图32所示。第3章射频模块设计图32 IndyR2000概况Figure 3-2 Indy R2000 introduce这两款芯片把射频模块所需要的分立元件大部分都集中在芯片内部，抗干扰 性比较好，能有效避免分立元件产生的各种问题。AS3992和R2000在结构上采 用零中频结构。与AS3992相比，R2000的优势在于：R2000的接收灵敏度在单 阅读条件下最理想可以达到JlOdBm,多阅读条件下可达-95dBm,而AS3992在 单阅读条件下最理想可达86dBm；对IS018000-6C协议来说R2000支持性比较 好,而AS3992很多细节都没有提供;芯片模拟前端射频性能R2000更优秀一些。另外R2000为了提高读取准确性，采用载波消除技术。在本文中，射频收发模块模块采用英频杰的R2000作为核心芯片。R2000 的射频工作频率为84（卜960MHz,共有64个引脚，功耗最高1100mW,芯片集 成度很高，几乎提供了所有RF和基带模块：混频器、压控振荡器（VCO）、接 收增益控制器、集成功率放大器、自干扰消除电路、数字基带、RF功率检测器、模数和数模转换器、串行和并行控制总线。通过内部自带的功率放大器，R2000 芯片能够最远读取2m内的标签，具体识读距离由外接天线确定。若在芯片外围 增加一个功率放大器，那么R2000能最远读取10m范围内的标签。R2000的内 部模块图如图3-3所示。其内部集成了无源UHF RFID阅读器90%的分立元件。13北京工业大学工程硕士专业学位论文RXLoTXRF信号解 调模拟处 理RFdet24Mhz字带路数基电图33 R2000阅读器芯片顶层视图Figure 3-3 Indy R2000 chip top view3.3 射频模块电路设计射频模块中有两个信号通道：阅读器向标签发送命令和数据的发射通道TX 和阅读器接收标签反馈信息的接收通道RX。射频模块的组成框图如图34所示。Cortex-M3图34射频前端框架示意图Figure 3-4 RF front-end framework diagram本文采用Cortex-M3作为R2000的主控芯片，R2000发射端通过巴伦转换经 过功率放大器将信号放大后发送到天线上发射出去，标签反馈的信息经巴伦转换 后返回R2000模块。IndyR2000中的超高频RFID协议采用半双工方式通信，标签发射反馈信息 14第3章射频模块设计和解调阅读器的发送的数据及命令分开进行，保证通信不会发生冲突RI。标签 和阅读器的通信过程如下2引。首先，阅读器通过天线发送携带能量的命令给标签，工作区内的标签收到阅 读器发送的射频信号被激活并获得能量，标签识别并接受命令，解调命令信号后 根据命令要求准备反馈阅读器请求信息。在阅读器收到反馈信息之前，阅读器不 停的发送调制的载波信号作为标签工作提供能量。标签得到足够的能量后同样将 要反馈的信息调制到载波信号上发送给阅读器。在这个通信过程中，发射和接收 信号频段是相同的，发射通道和接收通道耦合在一块。而标签反馈的信号能量较 阅读器发射的能量小很多，保证小信号不被淹没是一个非常重要的问题侬北2叫3.3.1 定向耦合器和功率检测电路为了降低成本，本文设计的阅读器接收天线和发送天线电路共用一副天线。为实现收发隔离一般采用环形器或定向耦合器。在无源RFID系统中发射通道的 能量比接收通道的能量强大很多，对环形器或定向耦合器的隔离度要求较高。在 手持或便携性要求比较高的场合，通常阅读器的体积设计比较小，而很多环形器 的体积普遍较大。而且为防止负载阻抗匹配严重失配时，反射功率过大会烧毁器 件，RFID系统中通常使用定向耦合器提取反射波信息，通过处理，可以计算得 到反射波功率的大小。在RF系统中，定向耦合器的应用非常广泛侬】，可以用作 射频信号发生器的频率监视、功率监视、功率合成，在接收通道中混频器也要使 用定向耦合器；此外，在平衡放大器、功率增益控制器、平衡放大器、射频阻抗 电桥、调相器等测量仪器中也有应用。因此，在这里我们选择定向耦合器作为隔 离器。定向耦合器由传输线组成。从结构来看，定向耦合器种类多，差异大，但从 耦合机理看，主要有分支耦合、小孔耦合、匹配双T及平行耦合。其中平行耦合 因体积小、重量轻而得到射频系统的青睐。平行耦合器中有主线和副线两条平行 的微带线，当两条微带线之间的距离变小时会发生电磁耦合，主线和副线中的功 率能够相互耦合。主线中输入功率与副线中耦合功率方向相反，具有反向耦合的 特点叫将定向耦合器等效为一个网络，可以视作四端口网络。这四个端口分别为：输入端、连通端、耦合端、隔离端。其中输入端和隔离端相互隔离，理想情况下 无论给其中的一端加什么样的电压，另一端都不会有变化。定向耦合器的连接方 式如图3-5所示。使用定向耦合器后，发射通道的信号不会泄漏到隔离端，大部 分都由天线发射出去，接收通道也不会受到发射通道信号的干扰，从天线接收到-15北京工业大学工程硕士专业学位论文的信号直接进入接收通道中。图35定向耦合器连接方式Figure 3-5 Directional coupler connection本设计中采用XC0900P-10S作为定向隔离器，该器件使用表面贴封装，工 艺先进，工作频段8001000MHz,隔离度10dB以上，插入损耗最大0.38dB,满 足ISO/IEC18000-6C规范的工作频率要求。R2000阅读器芯片有三种功率检测功能：（1）发射功率校准所需的正向功率检测在具有相同高阻抗节点的PA生成RX、LO信号之后检测功率。此功率检测 是发射功率校准的一部分，也是用于控制PA电源电压的PA调节环路的组成部 分。（2）用于测量天线反射的反向功率检测如果控制器检测到严重不匹配，那么控制器会关闭发射PA来防止系统受到 损坏。（3）粗宽带LBT检测完整接收频带（由外部频带选择滤波器定义）以及向下转换混频器之后 的IF频带中的高功率活动。功率检测涵盖IndyR2000中的LO_in、Rx_in和Detector信号的输入。在单 端口天线配置中，如图36所示，LO_in信号的功率检测器执行正向功率检测功 能，Rx_in信号的功率检测器执行反向功率检测。此外，Rx_in信号的功率检测 器还可以用于在关闭发射器的情况下实现粗宽带LBT功能。可以接通一个小型 RF放大器来稍微提高LBT检测器的灵敏度。IF放大器的输出上的峰值检测器与 辅助（AUX）ADC相连，并且可以用于执行粗宽带LBT。16-第3章射频模块设计RXJNPAoutLO_in图34单口天线场景Figure 3-6 Single Antenna Scenario在接收通道中配合定向耦合器与功率检测器就可以计算出反射系数，这样就 能判断出发射波能量是否完全传递到天线上而没有损耗。National Semiconductor 公司推出的高精度功率检测器LMV225具有30dB的线性监测范围，可以广泛应 用在高频的无线解决方案中。使用该芯片作为阅读器接收功率控制和检测的主要 元件，该芯片具有dB线形、可靠性、稳定性、精确性等优点。其覆盖频率范围 450MHz2GHz并提供精确的电源盒温度补偿输出电压。U906_GNDOUTNC1NC2吐 C211 1nFRF/EN LMV225VDD164R453 10K1%QP3.3V100nF图37 LMV225应用原理图Figure 3-7 LMV225 Application SchematicGND,VDD：电源管脚RF/EN：射频信号从此管脚输入，并激活芯片工作OUT：输出电压值，与主控芯片Cortex-M3模数转换器管脚连接判断接收功 率的大小。北京工业大学工程硕士专业学位论文根据XC09000数据手册中公式3-1和公式3-2可以容易的计算出反射系数，从而判断目前阻抗匹配网络的工作情况。其中2,、Pg、匕N心分别为定向 耦合器的输入功率、耦合功率、输出功率。=10*log10-一%一(3-1)*out(CPL)+*outDC)IL=-20 lg r(为反射系数)(3.2)3.3.2 功率放大器功率放大器是RFID阅读器中信号处理的重要部分，是发射通道设计中重要 的部分，关系着阅读器读写距离的远近。在IndyR2000内部集成了一个功率放大 器，但是读写距离只有2m左右，为了读取810m的无源标签，必须在发射通道 中增加外置的功率放大器。当前，随着环境污染和能源危机等问题的出现，人们对电子产品的低功耗要 求越来越严格，尤其是对于手持移动设备等需要电池供电的设备，降低电子产品 的功耗不仅能延长产品的使用时间，而且能有效降低对环境的危害和能源的消耗。在RFID阅读器系统中，很大一部分功耗消耗在功率放大器中，标签与阅读器之 间的距离与功放的发射功率成正比。所以若是能够根据具体情况控制功率放大器 的工作那么就能大大降低能源消耗，因此对发射功率的检查和控制是很有必要的。在本设计中采用的是RFMD公司的RF5110G可控增益放大器。RF5110G是一个高功率，高增益，高效率功放，其效率能够达到57%e该 器件采用先进的工艺制造，专门为RF放大器在900MHz频段的GSM手持设备 而设计，能够应用在从150MHz到960MHz的电子设备上。通过模拟电压输入可 以控制的增益范围为70dB,并且通过编程能随时关闭该器件以降低功耗。该器 件包含50Q的输入阻抗，输出阻抗也非常容易配置，大大方便了功率最优化传 输中的阻抗匹配。另外，RF5110G是三级功率放大器，从数据手册中可知，管 脚分配如图3-8所示。18 第3章射频模块设计图3-8 RF5110G管脚示意图Figure 3-8 RF5110G PackageVCC1：电压输入范围2.7V7.8V,为前级功率放大器和二级放大器提供电 压和功率。GND1：前级功率放大器的接地端。RFIN：RF输入端,将要放大的信号接到该管脚,该管脚的输入阻抗为50。，外部网络的阻抗也必须匹配到50Q。GND2：二级功率放大器的接地端。VCC2：为二级二级放大器和前后级的级间匹配提供电压和功率，电压输入 范围 2.7V7.8V。2ft）：芯片内部与RF OUT管脚连接在一起，通常为提高放大器的效率需要 串联电容接地形成共鸣器以消除二次谐波。RFOUT：芯片将RF IN输入的信号放大后从这里输出，输出阻抗需要通过 阻抗匹配网络达到50QoVCC：为放大器提供电流APC1：第一级和第二级放大器的功率增益控制管脚,电压输入范围为12.6V,输出的功率分别为10dBm和35dBm。当电压低于0.5时，芯片处于静止状态，电路关断，不工作。APC2：第三级放大器功率控制管脚，与APC1特性相同。-19-北京工业大学工程硕士专业学位论文围绕RF5110G为核心进行功率放大器的设计。电路图如图39所示。图中 与电源相连的管脚上的电容主要是用于滤除电源纹波，第一级功率放大器和第二 级功率放大器放大增益由APC上的电压控制，同样芯片是否处于工作状态也由 APC电压控制。图中显示了电路原理图，功率放大器的输入输出阻抗匹配将在 后面的章节详细介绍。TXBALUH RT4ILIKP1PAVCCI图39功率放大器电路原理图Figure 3-9 Power amplifier circuit diagram根据RF5110G的数据手册RF IN和RF OUT管脚都必须通过阻抗匹配网络 连接以达到匹配阻抗的目的。传输线上的阻抗与负载的阻抗相等，那么传输线上传递的信号能完全传递到 负载上，否则传输过程中会由于信号反射而使能量损失殆尽，造成信号的严重失 真叫3.3.3 巴伦转换器在信号的发射和接收过程中，天线与R2000之间的通信要经过巴伦转换，实现平衡信号和不平衡信号之间的相互转换。巴伦转换器（Bahrn）也称为平衡 转换器，是倍频器、微波平衡混频器、天线馈电网络、推挽放大器等电路传输信 号的重要部件，是无线设备中射频前端非常关键的一项技术，对无线通信中的性 能和质量有直接影响。作为差分天线，其主要任务就是保证阵子的平衡馈电和高 效率的传输功率。在高频电子电路中，按天线理论，平衡传输线和非平衡传输线 不能直接相连，平衡传输线也不适合与天线直接相连，这两种方式都会影响天线-20-第3章射频模块设计的辐射。所以，若是使用平行双导线作为馈电，虽然平衡性有了保证，但是由于 其开放式的结构，会产生强烈的反射。在信号传输过程中，馈线通常采用带屏蔽 的同轴电缆，同轴电缆属于非对称电缆，不能直接与天线端连接，否则会破坏天 线的对称性，从而导致天线的输入阻抗改变，改变了天线的方向图29】。而在平 衡和不平衡导线之间加入巴伦完美的解决转换问题。巴伦由三个端口组成，一个不平衡端口和两个平衡端口，因此巴伦是一种三 端口器件。两个平衡端口的信号为差分信号，