射频识别技术应用实例_超高频射频识别读写器的研究与设计

　　摘要：超高频射频识别系统具有存储容量大、读写速度快、识别距离远和可同时读写多个电子标签等特点 ,已经在众多领域得到了广泛的应用。为了满足市场需求，对超高频读写器的内部结构进行了研究并提出了一种基于ARM的超高频射频识别系统读写器的设计方案。从硬件和软件两个方面对读写器的设计进行了阐述，给出了读写器的设计结构、工作流程以及相关的软件流程图。实际应用结果表明，该读写器具有读写速度快、读写效率高、识别距离远等优点，可以满足市场需求。
　　关键词:超高频;射频识别;读写器
　　中图分类号：TN92 文献标识码：A
　　
　　Research and Design of UHF RFID reader
　　
　　LI Bao-shan，LI Ge
　　（Inner Mongolia University of Science and Technology, Inner Mongolia Baotou 014010,China）
　　
　　Abstract:The system of UHF RFID has the advantages such as storage capacity, read and write speed, recognition distance, and can read or write multiple RFID tags simultaneously, which has been applied widely in many fields. In order to meet market requirements, this paper proposes a design project of a UHF RFID system interrogator based on ARM. In this paper, two aspects of hardware and software design of the interrogator are described, the design gives the structure of interrogator, work processes and the related flow chart of software. The practical results show that the interrogator has the advantages of read and write speed, efficient read-write, recognition distance and so on, which can meet market requirements.
　　Keywords: RFID; UHF; reader
　　
　　1引言
　　
　　超高频射频识别[1]（Radio Frequency Identification，RFID）即无线射频识别技术，是自动识别技术的一种，通过无线耦合的方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据，不需人工接触，不需光学可视即可完成信息输入和处理，并且操作简单快捷，具有广泛的应用前景。
　　RFID系统按工作频率可分为低频、高频、超高频、微波四个频段。其中，超高频（UHF） RFID系统具有读写距离远，同时识别多标签，读写速度快等优点，因此UHF RFID系统使用的场景越来越多。UHF频段的RFID产品也逐渐成为这个行业的主流产品。
　　
　　2系统结构及其工作原理
　　
　　 2.1系统结构
　　 基本的RFID系统主要由三部分组成：电子标签（Tag）、读写器（Reader）、PC机或后台数据库，其基本结构如图1所示。
　　
　　 2.2系统的工作原理
　　RFID技术的基本工作原理[2]是利用空间电磁波的耦合或者传播来进行通信，达到自动识别被识别对象，获取识别对象相关信息的目的。读写器通过天线发送一定频率的射频信号，当贴有电子标签的物体进入无线识别系统读写器的识读范围时，其天线将产生感应电流，电子标签获得能量被激活并向读写器发送自身的编码等信息，读写器接收到电子标签发射回来的电磁波信号后，经过处理得到电子标签存储的代码等信息，这些信息可以作为物体的特征数据被传送到计算机进一步处理。
　　
　　3UHF读写器设计
　　
　　 3.1读写器的结构
　　 UHF读写器的内部结构如图2所示。 读写器主要由三部分组成：（1）主控部分：本设计中，主控部分选用ARM9单片机；（2）射频部分：射频部分又由发射部分和接收部分两部分组成，其中发射部分由调制器、滤波器和功率放大器组成；接收部分由滤波电路解调器多级运放和整形电路组成；（3）天线。
　　
　　 3.2工作流程
　　读写器的工作过程分发送读写命令和接收标签返回信息两阶段，具体如下：
　　 1 ）发送读标签命令的工作流程如下:
　　 （1）计算机发送读标签命令给主控制器，主控制器接收到来自计算机的读标签信号，启动读标签程序，主控制器内相应的编解码电路FPGA对读标签令进行编码，FPGA将编码好的基带信号送至调制器; （2）调制器将基带信号与本振信号混合,将混合信号调制到 UHF 频段；（3）调制后的高频信号被送至功率放大器进行放大; （4）放大后的信号被送入环形器，环形器再将高频信号送至天线发射。
　　 2 ）接收标签返回信息的工作流程如下:
　　 （1）标签接收到读写器发来的信号，获得能量被激活，开始执行读写器命令，并将返回的应答信息以后向散射调制方式送至天线；（2）天线将接收到的信号经环形器送至带通滤波器滤波；（3）信号经过滤波后被送至解调电路，解调电路将信号进行解调后送至放大电路进行放大；放大后的信号被送至整形电路，形成基带信号送至编解码电路解码；（4）编解码电路将基带信号进行解码并进行CRC校验,形成标签信息,传给 ARM；（5）最后，ARM 将接收的标签信息按照一定规则传给计算机进行处理。
　　
　　 3.3主控部分
　　 主控模块选择 ARM为控制芯片 , 该模块的主要功能就是协调系统工作。主要包括控制读写器与计算机的数据通讯；在启动时向 FPGA 传送配置数据初始化 FGPA；控制锁相环频率合成器的输出频率使其产生系统所需的频率；控制发射输出的功率大小；在读标过程中向 FPGA 传送读标签命令从而启动编码程序和对接收的信号进行解码；处理标签信息，实现防冲突功能。
　　
　　 3.4发射部分
　　发射部分的原理图如图3所示。发射部分的工作流程如下:
　　 （1 ）ARM主控制器设定工作频率，控制频率合成器产生载波频率并送至功率分配器；（2） 编解码电路将标签命令编码成基带信号送至混频器；（3 ）混频器将载波信号和基带信号混合将其调制到所需频率,调制后的高频送带通滤波器滤波,然后送至功率放大器进行放大，功率大器的放大倍数由 ARM 根据需要控制 ;（ 4 ）放大后的信号经环形器送天线发射;
　　
　　 3.5接收部分
　　同样，标签返回读写器的信息，也要由相应的接收电路进行接收和处理，接收部分的原理图如图4所示。接收部分的工作流程如下:
　　 （1 ）环形器将天线接收到的标签信号送至带通滤波器进行滤波，滤波后的信号送至小信号放大器进行放大；（ 2 ）放大后的信号被送至 90°相移功率分配器，90°相移功率分配器将信号分成正交的2 路信号：一路是没有相移的信号,另一路是相移 90°的信号，这 2 路信号同时送到2 个完全相同的解调电路进行解调；（ 3 ）解调电路解调出相对应的中频 IF 信号并送入二阶LC低通滤波器，滤除残留的载波；（4）解调滤波后的信号通过差分放大电路，然后被送至电压比较器；（5） 电压比较器将放大后完整的解调信号电压与设定的基准电压比较，还原成标签返回信息的基带信号，经整形后送至编解码电路解码处理。
　　
　　 3.6读写器软件设计
　　系统控制软件包括对读写器的初始化、配置控制器和编解码电路、设定发射功率、发送寻卡命令、防冲突算法实现、读卡命令、数据处理、与计算机进行通信等。软件控制流程如图 5所示。
　　
　　4结束语
　　
　　超高频读写器对系统的要求比较高，它要求数据传输和处理速度快 ,选择ARM9作为主控制器 ,增强了数据的处理速度的同时也适应不断增加的 RFID标签和读写器之间数据传递量。另外，选择ARM9作为控制器其处理速度快，接口资源丰富 ,可扩展性强，为以后在实际应用中读写器的升级扩展打下良好的基础。经过测试该读写器在同类型产品设计中具有一定优势，各项性能都符合系统设计要求。
　　
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　　作者简介
　　李宝山，教授，主要研究方向为射频识别系统及应用；
　　李革，硕士研究生，主要研究方向为射频识别系统及其应用。