（通信与信息系统专业论文）基于iso180006c标准的uhf+rfid读写器电路的设计与实现.pdf

摘要 摘要 物联网的概念已经越来越普及，作为其四大核心技术之首的射频识别( r f i d ， r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术在全球范围内得到了极大的推广和应用，众多 的产品已经面市，应用方案也日趋成熟和多元化。就目前市场来看，低频和高频 r f i d 技术和应用都已成熟，超高频r f i d 已经开始商用，并处于高速发展中，微 波r f i d 的研发和应用都还需要进一步深化。 本文的选题来源于实际应用，研究对象是应用于成衣制造行业的生产自动化 管理的远距离r f i d 读写器系统。 首先，本文就r h d 的发展历史、发展现状、发展趋势以及存在的问题进行 了概述，然后引申到物联网的概念并作了简单的介绍。在分析实际应用需求以及 各频段r f i d 系统性能的基础上，确定采用超高频r f i d 技术方案来实现该项目 的硬件系统。 接着，对超高频r f i d 系统的基本原理进行了分析，包括超高频r f i d 的系 统构架、读写器的电路结构和工作流程、标签的电路结构和工作流程以及后台应 用系统的组成等。 再次，根据项目小组分工，本文的任务是完成读写器硬件电路的设计与实现。 在对超高频r f i d 射频收发单片集成电路进行选择的基础上，确定了以r 1 0 0 0 为 核心芯片，设计完成一款基于i s o18 0 0 0 6 c e p c g l o b a lg e n 2 标准的超高频r f i d 读写器硬件电路，并给出了该电路的性能测试结果和整个读写器系统的测试过程 和性能参数 最后，针对现在已完成的读写器系统存在的问题提出了改进方案。 关键词：i s o1 8 0 0 0 6 c e p c g l o b a lg e n 2 ，超高频射频识别，读写器，r 1 0 0 0 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e m e to ft h i n g s ，a san e wc o n c e p t 谢t hah i s t o r yo fj u s ts e v e r a ly e a r s ，i sn o w g e t t i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r i ti sb o m e d 、析mt h ea i mt oc o m m u n i c a t eb e t w e e n a n y t h i n gc o n n e c t e dt ot h ei n t e r n e t ，晰t 1 1c o m p a r i s o no ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n h u m a n sa n dm a c h i n e st h r o u g ht h ei n t e r n e t i ti sc o n s i s to fs e n s o r sa n dt h ei n t e r n e t w h e nas e n s o ri sa c t i v a t e db yac e r t a i nt h i n g ，am e s s a g ec r e a t e db yt h es e n s o ri ss e n tt o t h ei n t e r n e t 、析t 1 1t h ed e s t i n a t i o no fa n o t h e rt h i n gw h i c hi sc o n n e c t e dt ot h ei n t e r n e t t h r o u g ht h i so p e r a t i o n ，m a nc a nr e c o g n i z e ，p o s i t i o n ，t r a c k ，m o n i t o ra n dm a n a g et h i n g s i n t e l l i g e n t l y a s o n eo ft h ef o u rc o r et e c h n o l o g i e s ，r f i d ( r a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) i sn o wd e v e l o p e dr a p i d l y , m a n yp r o d u c t sh a v eb e e nu s e da n dd o z e n so f m a t u r ea p p l i c a t i o ns o l u t i o n sb e e np r o p o s e d t h et e c h n o l o g i e sa n dm a r k e t so fl fa n d h fr f i dh a v eb e e nm a t u r e dy e t ；w h i c ho fu h fr f i di sd e v e l o p i n gr a p i d l ya tp r e s e n t ， a n da sf o rm wr f i d i ti ss t i l ln e e d e dt ob ei m p r o v e d t h eh i s t o r yo fr f i di si n t r o d u c e da tt h ev e r yb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , a n dt h e n c o m e st h ed e s c r i p t i o na b o u tw h a ti tl o o k sl i k en o wa n dp r o b l e m sf a c i n g ，t h i r d l y f o l l o w e dw h a tw o u l di tb ei nt h ef u t u r e s o m e t h i n ga b o u ti n t e m e to ft h i n g si s i n t r e o d u c e da sw e l l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h en e e d so fm a r k e t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o f e a c hr f i dt e c h n o l o g y , ac o n c l u s i o ni sm a d et h a tu h fr f i di st h er i g h to n ef o rt h i s p r o j e c t ，t h ea n a l y s i so fu h fr f i ds y s t e mi sm a d e w i t ht h er f t r a n s c e i v e ri cr 1 0 0 0 ， as i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i to fu h fr f i dr e a d e rh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hc o m p l i e s w i t ht h es t a n d a r di s o18 0 0 0 - 6 c e p c g l o b a lg e n 2 t h e nt e s tr e s u l t so ft h i sc i u c u i ta r e p r o v i d e d ，a n df o l l o w e dt h a to ft h ew h o l er e a d e rs y s t e m a t l a s t , p r o b l e m s f o u n di nt h i sr e a d e r s y s t e ma r ea n a l y s e da n d s e v e r a l i m p r o v e m e n tp l a n sa r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：i s o18 0 0 0 6 c e p c g l o b a lg e n 2 ，u h fr f i d ，r e a d e r ，r i0 0 0 1 1 图目录 图目录 图2 1u h fr f i d 系统结构图8 图2 2 读写器内部电路功能结构图8 图2 3u h fr f i d 无源标签电路结构9 图3 1 项目要求实现的读写器电路功能结构图1 1 图3 2 r 1 0 0 0 内部射频前端结构图1 3 图3 3r 10 0 0 内部数字部分结构图1 3 图3 4 u h f r f i d 系统硬件电路功能模块划分1 4 图4 1 射频前端模块电路结构图16 图4 2r 1 0 0 0 发射通道电路结构图1 7 图4 3 程控衰减电路内部结构1 8 图4 4 读写器和标签之间的电磁波衰减规律1 9 图4 5 固定增益放大电路结构图2 0 图4 6 耦合器和功率检测电路结构2 0 图4 7 天线连接检查电路结构2 1 图4 8r 1 0 0 0 接收通道电路结构图2 2 图4 9d r m 滤波器仿真原理图2 4 图4 1 0d r m 滤波器仿真结果输出2 5 图4 11 数字电路模块内部结构2 5 图4 1 2 全线性稳压电源模块结构图2 7 图4 1 3d c d c 结合l d o 电源模块内部结构2 8 图4 1 4 功放上电控制电路2 9 图4 1 5 射频前端和数字电路模块p c b 板叠层结构3 0 图4 1 6 电源管理模块p c b 板叠层结构3 0 图4 1 7p c b 板表面5 0 欧姆阻抗线宽的计算模型3 0 图5 1 全线性稳压电源模块实物图3 4 图5 2 混合结构电源管理模块实物图3 4 图5 3h j t a g 6 0 软件的初始界面3 5 v i 图目录 图5 4 对j t a g 端口的设置3 5 图5 5 正确识别a i 洲7 芯片3 5 图5 6f l a s h 设置界面1 3 5 图5 7f l a s h 设置界面2 3 6 图5 8 程序烧写成功的界面3 6 图5 9u a r t 端口设置界面3 6 图5 10d n w 软件初始上电界面信息3 7 图5 1 1d n w 设置成功的界面3 7 图5 1 2 电脑u s b 接口正确识别数字电路模块的界面3 8 图5 1 3 单路功率放大器小信号s 参数测试结果3 9 图5 1 4 驱动放大器的s 参数测试结果4 l 图5 1 5r 1 0 0 0 芯片数字部分正常工作的测试结果4 3 图5 16 系统发射全频段功率谱测试结果4 4 图5 1 7 系统发射瞬时功率谱测试结果4 4 图5 1 8 调试完成的射频前端p c b 电路板照片4 6 图6 1 读写器整机图片4 9 图6 2u h fr f i d 读写器模拟应用环境。5 0 v n 表目录 表目录 表1 1i s o i e c18 0 0 0 6 标准的三种类型的比较4 表4 1d r m 滤波器性能要求2 4 表5 1 功率放大器大信号测试数据记录4 0 表5 2 功率放大模块的增益测试4 0 表5 3 驱动放大器大信号测试数据记录4 2 表5 4 固定增益放大电路增益测试数据记录4 2 v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蕉鋈日期：加肜年月垆日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄墨 导师签名：一互毖幺垄： 日期： o o 年月4 - e t 第一章绪论 第一章绪论 射频识别( r f i d ) 技术进入中国已经十来年了，从事r f i d 产品研发和生产 的单位与部门越来越多，已经面市的各类产品以及应用方案也十分丰富，r f i d 产 业链正在逐步壮大、成熟。政府多个部委设立专项资金，对r f i d 技术的研究、应 用和推广活动进行资助。下面是r f i d 技术相关内容的简要介绍。 1 1r fid 的由来 在传统的自动识别技术中，条形码是现在应用范围最广的一种。但是条形码 本身也存在一些难以克服的缺陷，如数据量小、数据不可更改、数据安全无保障、 易磨损等。另外，扫描仪对条码的读取必须在可视条件下，而且只能单条读取， 难以实现不拆封大批量或运动物品的识别与统计【lj 。r f i d 技术的应用使这一情况 大大改观。 r f i d 技术最早应用予二战时期空战中盟军飞机的敌我识别，这是一种无线电 广播与雷达相结合的技术【2 】。经过几十年的理论发展与完善，以及一些早期试验品 的研发与试用，r f i d 技术的巨大商业价值与发展潜力逐步展现在世人的面前，各 种规模应用开始出现。2 0 世纪9 0 年代末，随着r f i d 在不同地域和领域的发展， r f i d 设备和系统存在的相互兼容性问题逐渐暴露出来，人们开始认识到建立一个 统一的r f i d 技术标准的重要性。全球各地区相关机构根据r f i d 技术的不同工作 频段和工作方式，制订了多种技术标准。但由于涉及到数据共享和商业利益甚至 国家利益问题，这些标准暂时存还在地域限制。 中国的外贸加工业十分发达，物流量占世界总量的绝大多数。r f i d 技术在国 内的兴起，更加促进了物流及其相关行业的发展。国家已经认识到r f i d 技术产业 链的重要性，在引导和扶植国内r f i d 相关产业的基础上，已要求加入r f i d 世界 标准的建立，并将建立和完善自己的标准。 1 2r fid 的发展现状及存在的问题 电子科技大学硕士学位论文 1 2 1 技术发展现状 r f i d 技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片设 计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术【3 】。国外r f i d 产业起步早，发展迅速，并得到众多世界知名厂商的支持，掌握了大量的核心知 识产权。从专利申请的数量上来看，美国的申请量达到全球总量的5 3 ，是r f i d 技术研发和产出的主体地区。中国的申请量仅占申请总量的7 ，而且其中的核心 技术含量不高，还需要进一步加强这方面的工作1 4 j 。 r f i d 技术拥有多个工作频段，现阶段r f i d 技术的应用和研究的热点频段包 括：低频( l f ，1 2 5 k h z ) 、高频( h f ，1 3 5 6 m h z ) 、超高频( u h f ，8 6 0 9 6 0 m h z ) 和微波( m w ，2 4 5 g h z 和5 8 g h z ) 【5 1 。当前国际上r f i d 主流产品以低频和高频系 列为主，超高频系列产品已经开始小规模量产，微波频段产品由于电磁环境复杂， 技术门槛较高等问题，虽然已经开始应用，但是还处于探索发展阶段。 随着研发进程的不断深入，r f i d 标签天线的加工工艺也在不断的更新换代， 目前的以电导率良好的铜或铝作为导体材料的蚀刻冲压工艺将逐渐转变为以导电 油墨为天线导体的印刷天线技术。印刷天线技术在国外已经成功应用，但性能还 有待提高，国内相关技术还处于起步阶段。r f i d 标签封装以低温倒装键合( f l i p c h i p ) 工艺为主，也出现了流体自装配、振动装配等新的标签封装工艺。国内低 成本、高可靠性的标签制造装备和封装工艺正在研发中。 目前国内厂商已经掌握技术相对简单的低频和高频r f i d 标签芯片的核心技 术，并且成功地实现了产业化；超高频r f i d 无源标签芯片的研发已经基本结束， 少量样品已经投入试用；微波频段r f i d 标签还暂时采用的是低功耗的通用射频收 发芯片来搭建，以大容量纽扣电池供电( 即有源标签) ，可连续工作2 年以上。 从市面上出售的各种读写器来看，基本上采用的都是国外的读写器芯片。在 各频段高集成度、高性能读写器芯片的研发方面，国内还处于起步阶段。目前国 内外各频段r f i d 读写器产品种类繁多，多频段工作、多协议兼容读写器已经开始 应用。国内的r f i d 读写器系列产品中，小功率类型已经达到国外同类水平，大功 率读写器性能还有待提高。 在应用系统集成和数据管理平台等方面，还是以国外一些大型企业为主导。 目前国内有多家企业、研究机构、大学等从事相关软件和系统的开发，并取得了 初步成果。但是在大型系统集成和数据库管理方面，与国外相比，差距还比较明 显。 2 第一章绪论 目前国内已经将r f i d 技术应用于物流、航空、邮政、交通、票务、军事、金 融、医疗卫生、安全、畜牧和防伪等多个领域，并在进一步推广中9 1 。 1 2 2 标准发展现状 目前，r f i d 标准还存在以地域为主的多种标准共存的局面。国际上的r f i d 标准主要有三大系列，即i s o 系列、e p c 系列以及日本的u i d 系列【2 0 1 。从标准化 的权威性来说，e p cg l o b a l ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d eg l o b a l ) 是2 0 0 3 年1 1 月成立的 一个新的组织，而i s o 是国际标准化公认的权威机构。e p c g l o b a l 的主要职责是制 定应用于物流和仓储等物品管理等方面的r f i d 标准，其成果e p cc 1 g 2 类似于2 004 年8 月1 5 日正式发布的i s o1 8 0 0 0 6 a b 。为了能在全球范围内推广该标准， 2 0 0 5 年1 月e p c g l o b a l 向i s o 组织提出申请，将e p cc 1 g 2 标准提升为i s o 标准。 2 0 0 6 年6 月1 5 日，c 1 g 2 正式进入i s o i e c1 8 0 0 0 6 ，即后来的i s o1 8 0 0 0 6 c e 2 1 , 2 2 】。 而日本的u i d 标准与除了编码之外，与e p c 之间没有原则性区别，因此虽然其强 调的r f i d “泛社会化应用”理念有许多可取之处，但是仍然没有受到日本政府的 重视。从目前发展趋势来看，u i d 标准虽然有所发展，但相较于e p c 的发展趋势， 其影响力有限1 2 引。 针对各频段r f i d 技术的应用，i s o 组织发布了一个标准系列，即：i s o i e c 1 8 0 0 0 ：2 0 0 4 信息技术用于项目管理的射频识别技术。该标准系列涵盖了 从1 2 5 k h z 到2 4 5 g h z 的r f i d 通信频率，作用距离由几厘米到上百米。具体内容 分为以下6 部分1 2 4 j ： i s o i e c1 8 0 0 0 1 ：2 0 0 4 参考结构和标准化参数定义 i s o i e c1 8 0 0 0 2 ：2 0 0 4 频率小于1 3 5 k h z 的空中接口通信参数 i s o f l e c1 8 0 0 0 3 ：2 0 0 4 1 3 5 6 m h z 频率下的空中接口通信参数 i s o i e c18 0 0 0 4 ：2 0 0 4 2 4 5 g h z 频率下的空中接口通信参数 i s o i e c18 0 0 0 6 ：2 0 0 4 ( ( 8 6 0 9 6 0 m h z 频率下的空中接口通信参数 i s o i e c18 0 0 0 7 ：2 0 0 4 4 3 3 m h z 频率下的有源空中接口通信参数 需要说明的是：该系列中缺少的i s o i e c1 8 0 0 0 5 - 2 0 0 4 5 8 g h z 频率下的 空中接口通信参数已被否决，不成为国际标准。 本文的研究对象i s o1 8 0 0 0 6 c 为i s o i e c1 8 0 0 0 6 系列三种标准之一，三种 类型所选择的调制方式、编码方式、算法、标签查询能力等均存在一定的差异， 具体如表1 1 所示 2 5 , 2 6 j ： 3 电子科技大学硕士学位论文 表1 1i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准的三种类型的比较 t y p e at y p e b t y p e c 工作8 6 0 9 6 0 m h z8 6 0 一9 6 0 m h z8 6 0 , - 9 6 0 m h z 读写频段 器到 速率3 3 k b i t s ，由无线电政策限制】o k b j 以或4 0 k b i t s ，由2 6 7 1 2 8 k b i t s 标签 无线电政策限制 调制a s ka s k d s b a s k 、s s b a s k 或p r a s k 方式 编码p i em a n c h e s t e r p i e 方式 副载未用未用4 0 - - 6 4 0 k h z 波频 窒 标签速率4 0 k b i t s4 0 k b i t s f m 0 - 4 0 - - 6 4 0 k b i t s 子载频调制： 到读 5 3 2 0 k b i t s 写器 调制 a s k a s k 由标签选择a s k 和( 或) p s k 方式 编码f 】0f m o f m 0 或m i l l e r 调制子载频，由读 方式 写器选择 唯一 6 4 b i t 6 4 b i t 可变，最小为1 6 b i t ，最大为4 9 6 b i t 识别 符长 度 算法a l o h a a d a p t i v eb i n a r yt r e e 时隙随机防磁撞 在2 5 0 个标签的读写器内，自适多达2 2 5 6 个标签基本呈在读写器阅读场内，多达2 ”个 防碰 线形应时隙为2 5 0 个标签分配多达 线形，由数据内容的大 标签呈线形，大于此数的具有唯 撞 2 5 6 个时隙，基本呈线形小决定 一e p c 的标签呈n l o g n 标签 算法允许在读写器识别区内，阅算法允许在读写器识具有唯一u i d 的标签数量不受 查询 读不少于2 5 0 个标签别区内，阅读不少于限制 能力 2 5 0 个标签 通过对已经面市的三种标准所分别对应的产品性能的比较可知：t y p ea 和 t y p eb 仍存在着一些不足，如防冲突机制的识别效率还有待提高；防冲突机制不 4 第一章绪论 能适应同时识别很大数量应答器的应用；数据、指令和识别过程比较复杂，不适 应一些需要高速识别的应用；对一些社会问题如个人隐私保护等考虑不周等等； 而t y p ec 是后来者，在标准制定的过程中解决了一些t y p ea 和t y p eb 中存在的 问题，其产品实际性能大大优于前两种。根据目前的市场动态来看，i s o i e c 1 8 0 0 0 6 a 的产品已经基本淘汰，i s o i e c1 8 0 0 0 6 b 的产品已经少见，而以i s o i e c 1 8 0 0 0 7 6 c 为主，同时兼容6 b 的系列产品占据主导地位，当然也还有少量同时兼容 6 a 、6 b 和6 c 三种标准的产品。按照当前形势发展，将来超高频r f i d 产品必将 统一到单独的i s o i e c18 0 0 0 6 c 标准。 相较于国外在r f i d 方面的标准发展来看，我国在这方面起步较晚，还存在很 大的差距。虽然标准制定的相关工作已经进行了一段时间，但是由于种种原因， 使得我国的r f i d 标准体系研究工作几起几落。2 0 0 6 年6 月9 日，国家十五个部 委联合发布了中国射频识另u ( r f i d ) 技术政策白皮书，正式确定了我国r f i d 技 术的地位。r f i d 产业已成为“十一五 规划中的重大专项，政府每年都投入大量 资金对相关产业进行扶植，引导并推动r f i d 产业的快速健康发展。 1 2 3 存在的问题 虽然r f i d 的技术和应用已经逐渐深入并持续发展，但是现阶段还存在一些阻 碍着r e i d 产业进一步发展的问题，具体包括p o ，2 7 】： ( 1 ) 标准问题。目前r e i d 还没有形成统一标准，而且这种多标准并存的局面 还会存在一段时间，在这种情况下冒然实施，会带给相关企业带来不必要的风险。 ( 2 ) 成本问题。目前，r e i d 技术的实施成本还比较高，投资收益比例的吸引 力还不够，因此其应用还局限于高价值和高利润行业。 ( 3 ) 安全性问题。当前的r e i d 系统的数据安全和客户隐私问题还没有得到良 好的解决，芯片在读或写数据时容易泄漏信息，这也使得用户对r f i d 技术的应用 持观望态度。 ( 4 ) 商业模式问题。对于r e i d 产业所代表的商业模式，市场的接纳程度还有 限，并没有达到融合发展的地步。 1 3r fid 的发展趋势 众多的市场分析机构的统计数据显示，近几年来r e i d 产业保持了持续旺盛的 5 电子科技大学硕士学位论文 发展势头，并预测在未来的几年中，r f i d 产业仍将高速发展壮大。电子标签、读 写器、系统集成软件、公共服务体系、标准化等方面都将取得新的进展。随着技 术的不断进步，r f i d 产品性能将得到极大的提升，应用场景也趋于多样化，衍生 的增值服务也将越来越广泛。其发展趋势包括以下几个方面1 3 2 8 】： ( 1 ) 标签：低功耗、高性能、高可靠性、低成本。 ( 2 ) r fi d 读写器：硬件方面多功能、多接口、多制式、模块化、小型化、便 携化，软件方面向嵌入式方向发展，且采用多点布局网络化结构，实现读写器之 间以及读写器与上位机之间的数据共享。 ( 3 ) 多技术融合：r f i d 技术将与其它三种物联网技术以及多种通信方式相融 合，借助网络平台，构筑一个无所不在的智能化的信息共享环境。 1 4 物联网简介 随着国家的大力推广和支持，物联网的概念已经逐渐普及。其核心思想是通 过各种传感器设备获取物品信息，并将该信息发布网络上，进而实现对物品的智 能化识别、定位、追踪、监控和管理，构建一个实现全球物品信息实时共享的环 境【2 9 】。 2 0 0 5 年国际电信联盟在突尼斯举行的“信息社会全球峰会”上，发表了名为 “物联网”的年终报告【3 0 】。从此，物联网的概念开始广泛传播，相关技术也得到 了迅速发展。该报告指出，物联网技术的发展有四大关键性应用技术：r f i d 技术、 无线传感技术、智能技术以及纳米技术，其中r f i d 技术处于四大关键技术之首。 目前，最具代表性的物联网是欧美支持的e p c 架构【3 1 , 3 2 。日本提出的u i d 体 系也具有一定的代表l 生t 3 3 , 3 4 】。 1 5 本论文的选题和研究内容 本论文选题来自于生产自动化管理领域，要求约5 米以上的识别范围，并能 在物品运动的情况下进行批量识读。鉴于此要求，下面对几种远距离自动识别系 统进行分析，选取合适的技术方案。首先考虑的是识别距离，现有的各种r f i d 技 术中，能进行远距离识别的有超高频、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 三种。以现有的集成电 路技术，生产这几种频段的r f i d 无源标签芯片是没有问题的。在考虑标签的供电 6 第一章绪论 方式和成本因素的情况下，u h f 频段的识别距离可在1 0 米以上，单标签成本十分 便宜，只有几毛钱；而2 4 5 g h z 和5 8 g h z 频段的无源电子标签识别距离很近，且 技术比较复杂，成本高，不满足应用指标。现阶段在这两个频段的标签都是有源 标签，用于上百米的远距离识别。因此，本论文采用u h fr f i d 系统方案。 本项目的目标是设计实现一种高集成度、多功能、高性能的u h fr f i d 读写 器。根据项目研发任务的划分，本文要完成的是一款符合i s o18 0 0 0 6 c e p c g l o b a l g e n 2 标准的读写器硬件电路的设计与实现。主要研究内容如下： 1 对u h fr f i d 读写器的系统原理进行了分析； 2 根据项目要求，对读写器核心电路模块进行了功能划分和具体性能指标的 确定，并提出了硬件电路方案； 3 对读写器核心电路模块进行具体的硬件电路原理图和版图设计； 4 完成读写器核心电路模块硬件电路p c b 板的焊接、调试，以及性能的优化； 5 将完成的读写器核心电路模块与读写器其他模块进行组合，并对读写器整 机系统性能进行实测： 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章u h fr f id 系统基本原理 2 1u h fr fid 系统基本构成 u i - i fr f i d 系统通常由电子标签、读写器和后台应用系统3 部分组成，如图 2 1 所示： 2 2u h fr fid 读写器 图2 1u h fr f i d 系统结构图 读写器的称谓是一个比较广泛的概念，一般指这样一种设备：能完成对r _ f i d 标签进行数据读取和写入，并完成后续数据处理以及对系统工作状态的控制功能。 一般u h fr f i d 读写器内部电路功能划分都比较相似，如图2 2 所示： 图2 2 读写器内部电路功能结构图 针对不同的应用场景，屏幕、键盘和存储系统作为读写器的可选配置。 在读写器与后台应用系统连接良好的情况下，读取和写入等命令既可以由后 台应用系统下达，也可以由读写器送出。当读取命令下达后，该命令经过基带电 8 第二章u h fr f i d 基本原理 路解析，对射频前端电路的工作频率，发射功率，工作时间，编码方式和数据速 率等参数进行设置。射频信号通过天线发射出去，形成一个有效辐射区。u h fr f i d 系统一般采用无源标签，因此读写器的射频信号对于标签来说，既提供了标签芯 片的电源，又包含了数据和控制信息。标签信息返回到读写器后，经过放大、变 频、滤波等操作后，进行a d c 转换并进行错误校验，然后判断标签数据的有效性， 再经过基带电路对数据进行解析，送达控制系统，进而返回后台应用系统。写入 过程和读取过程类似，只是读写器发射和接收的有效数据都是新的标签编号，操 作人员也可根据这个返回的标签编号判断向标签写入信息是否成功。 当读写器没有连接后台应用系统的时候，读取和写入的操作指令都是由读写 器控制系统下达的，返回的数据暂时存储于读写器内部存储器中，待与后台应用 系统连接之后，完成数据上传。在有屏幕和键盘的读写器上，用户可以直接进行 读写器工作状态设置以及数据的提取。 固定式读写器根据其作用距离和作用范围，以及其自身发射功率，来进行天 线选择。一般选择平面天线，要考虑的参数主要是频带，增益、波瓣宽度、极化 方式、功率容量和特征阻抗，对外观尺寸的限制不是太严格。 2 3u h fr fid 标签 现在市面上使用的超高频电子标签基本上都是无源的，即依靠读写器的射频 载波来提供电能。其通用电路结构如图2 3 所示： 图2 3u h fr f i d 无源标签电路结构 标签芯片中有一块存储区，保存着标签的编号等信息，在实际应用中，标签 附着在待识别物体表面。当标签处于读写器天线有效作用范围内，且接收的电磁 波功率超过标签芯片最小工作门限值时，标签开始工作。标签芯片将接收的射频 9 电子科技大学硕士学位论文 信号分为两部分：一部分经过整流，形成一定电平的直流信号，为标签系统供电： 另一部分经过芯片内部电路的解析，执行读写器指令并交换数据，然后再通过标 签天线反射回去。在标签与读写器通信的整个过程中，标签接收的电磁波功率一 定要持续高于其工作的最小门限值，否则标签将因为供电不足而停止工作。需要 注意的是，随着标签与读写器天线之间距离的变化，标签接收的电磁波强度也在 变化，一定要防止标签接收的电磁波强度过大而损坏标签芯片。 u h fr f i d 无源标签结构简单，成本低廉，并能够免去日常维护的麻烦，非常 适合大规模生产与应用。 2 4u h fr fid 后台应用系统 图2 1 所示的u h fr f i d 后台应用系统是一个很宽泛的概念，包括了除读写 器和标签以外的所有通信和应用软件。在物联网的概念内，该后台应用系统可分 为e p c 中间件、对象名称解析服务( o n s ) 和e p c 信息服务( e p c i s ) 3 5 】。 e p c 中间件是一个位于读写器与应用软件之间独立的软件，其主要任务是完 成读写器与上层应用程序之间的数据校验和交互管理，以及控制命令的解析等。 o n s 是一个基于网络平台的自动服务系统，e p c 中间件通过它获取存储产品 相关信息的服务器信息。由于o n s 是基于因特网域名解析服务d n s 来进行设计 与架构的，因此在现有的非常完善的因特网平台上，e p c 网络可以迅速扩展到了 世界各地。 e p c i s 包含了一个数据和服务的接口，它具有模块化、可扩展性的特点。与 e p c 相关的各种信息可以在e p c i s 中得到处理，并在企业内部或者企业之间实现 共享。 1 0 第三章系统方案设计 第三章电路设计方案及开发流程 本项目所要实现的u h fr f i d 嵌入式读写器系统共包含三大部分：读写器核 心功能硬件电路、内部适配器、a r m 9 嵌入式控制系统。按照项目小组的分工， 本论文的任务是完成上述三大部分中的“读写器核心功能硬件电路”部分电路。 为了强调概念的清晰性，本论文中将“读写器核心功能硬件电路 称为“读写器 ， 将“a r m 9 嵌入式控制”系统称为“嵌入式控制系统”，而将本项目要设计的全体 电路即“读写器整机”称为“嵌入式读写器系统”。其结构如图3 1 所示： 2 2 0 v 5 0 i - - - 两种供电方 式任选一种 嵌入式读写器系统厂一1 仄洄j 两一一 岛i 絮i i 厂 1i 上毒蠖 删9 粤阿 兀芋 图3 1 切 f 盯i d 嵌入式读写器系统功能结构图 因此，本论文要完成的任务是如图3 1 所示的u h fr j i d 读写器电路的设计 与实现。 本章内容，首先提出项目所要实现的系统功能要求和性能指标，然后进行射 频前端收发芯片选型，再次进行本论文电路功能规划以及开发流程的简介。 3 1 核心功能和性能指标 根据项目的要求，本论文所要实现的读写器的主要功能和性能指标如下： 1 系统功能： 系统工作频段为8 6 0 9 6 0 m h z ，采用跳频工作方式。可根据各个国家和 地区为u h fr f i d 应用所划分的频段进行软件调整。兼容i s o1 8 0 0 0 6 c 砒盯 + 一m匿_ r 亩 电子科技大学硕士学位论文 e p c g l o b a lg e n 2 空中接口协议； 支持防碰撞算法： 具有密集读写器工作模式( d r m ) 功能； 多天线分时循环工作，并且任意天线的工作状态可独立配置； 输出功率软件可调； 2 性能指标： 标签识别距离大于5 m 8 d b i 天线； 在给定的防碰撞算法作用下，能在1 0 秒内完成1 0 0 张标签正确无漏读。 输出功率范围：+ 1 4 - - - + 3 0 d b m ，步进为l d b 。 3 通信接口： o u s b2 0 ： 射频端收发分离四对5 0 f f l 特征阻抗同轴线接口； u a r t 调试和通信接口各一组。 3 2 读写器芯片介绍及选型 3 2 1 读写器芯片选型 当前已经商用的专用u h fr f i d 射频前端收发芯片主要有三款：i m p i n j 公司 的r 1 0 0 0 ( 原属于i m e l 公司) ，奥地利微电子公司的a s 3 9 9 x 系列和w j 公司 w j c 2 0 0 。因为w j 公司的w j c 2 0 0 不对外零售，无法购买和获取资料，首先排除； 在本项目进行系统方案设计的时候，奥地利微电子公司的产品有两款：a s 3 9 9 0 和 a s 3 9 9 1 。但是由于其自身性能不能满足本项目要求，因此也排除；综上本论文只 能选择i m p i n j 公司的r 10 0 0 t 3 6 - 3 9 。 3 2 2r 10 0 0 简介 r 1 0 0 0 是一款高集成度、高性能、低功耗的u h fr f i d 读写器芯片，采用o 1 8 p m s i g eb i c m o s 工艺制作。支持i s o1 8 0 0 0 6 c e p c g l o b a ! g e n 2 空中接口协议。该 芯片工作在8 6 0 9 6 0 m h z 的u h fi s m 频段，可以覆盖不同国家和地区为u h fr f i d 系统所划分的频段。其收发系统采用零中频结构，支持多种编码方式和数据速率。 丰富的片内集成寄存器资源，使得用户可以根据自己的需要，通过软件控制界面， 1 2 第三章系统方案设计 灵活地调整系统的工作状态。r 1 0 0 0 的接收灵敏度非常高，可达一9 5 d b m d r m 模 式、一1 1 0 d b m l b t 模式。 r 1 0 0 0 的片内结构如图3 2 和图3 3 所示： 图3 2 r 1 0 0 0 内部射频前端结构图 图3 - 3r 1 0 0 0 内部数字部分结构圈 电子科技大学硕士学位论文 r 1 0 0 0 的高度集成带来了功能的全面化、多样化，其片上系统集成的功能可达 一个用分立元件搭建的u h fr f i d 系统的9 0 以上【3 9 1 ，极大地简化了系统电路和 设计流程，缩短了设计时间，并提高了系统的可靠性。 3 3 系统功能模块划分 本论文所要实现的u h fr f i d 读写器系统硬件电路主要由三部分组成：( 1 ) 射频前端模块；( 2 ) 数字电路模块；( 3 ) 电源管理模块。如图3 4 所示： 图3 4u h fr f i d 系统硬件电路功能模块划分 射频前端模块的核心芯片是射频收发芯片r 1 0 0 0 ，主要完成射频信号的收发、 调制解调、滤波、温度检测、增益控制和与数字电路的通信等功能；数字电路模 块的核心芯片是a t 9 1s a m 7 s 2 5 6 ，主要完成射频前端模块与控制系统之间的数据 解析、交互，系统工作状态的控制，实现通信协议功能，并提供对外的数字通信 接口；电源管理模块将外部输入的d c1 2 v 转换为系统其他功能模块的各种工作电 平，并提供上电控制和相应的带负载能力。 3 4 开发流程规划 在进行具体设计工作之前，需要对整个项目开发的工作流程作一个规划，具 体如下： 第一阶段：硬件电路设计阶段 根据本论文的功能和性能参数要求，细化各电路支路的电气参数，并进行器 件选型，完成系统硬件电路的原理图和p c b 版图设计，然后从p c b 板文件生成加 1 4 第三章系统方案设计 工文档，交付工厂加工。同时根据p c b 板的设计参数，配合腔体设计人员进行腔 体设计。 第二阶段：p c b 板的焊接调试阶段 待p c b 板加工完成后，按照各模块上电工作的先后顺序，对各模块电路进行 焊接调试。然后将调试通过的各p c b 板安装到腔体中，进行两项测试：测试腔 体尺寸、固定孔位置、散热衬底和对外接口是否满足设计要求；在前一步的基 础上，对电路系统上电，检查三大电路模