射频技术;读写器;AS3992芯片

摘要RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即无线射频识别，电子标签(E-Tag)是它的另一名称。这种系统主要是利用射频信号自动识别目标对象并获得应用的。射频识别技术是基于射频信号的空间耦合原理的自动识别技术，它通过空间耦合利用射频信号进行信息的传递，并且对所传递的信息进行处理，以达到自动识别的目的。射频识别系统主要是由电子标签、读写器、以及上位机系统三部分组成，其中读写器是整个系统的核心部件。本文设计一个基于微控制单片机设计数字基带电路部分，基于AS3992芯片设计射频前端的超高频信号处理和收发部分。关键词：射频技术；读写器；AS3992芯片AbstractRFIDRadioFrequencyistheabbreviationoftheIdentification,orradiofrequencyidentification,electroniclabel(E-Tag)isanothernameforit.Thissystemismainlytoautomatictargetrecognitionandapplicationofradiofrequencysignal.Radiofrequencyidentificationtechnologyisanautomaticidentificationtechnologyofspatialcouplingprinciplebasedontheradiofrequencysignal,passitthroughspacecouplingusingradiofrequencysignalandthetransmissionofinformation, informationprocessing,inordertoachievethepurposeofautomaticrecognition.Radiofrequencyidentificationsystemismainlycomposedofanelectronictag,reader,andthecomputersystemiscomposedofthreeparts, inwhichthereaderisacorecomponentofthesystem.Inthispaper,thedesignofamicrocontroldigitalbasebandcircuitdesignbasedonAS3992chipmicrocomputerpart,RFfront-enddesignofultrahighfrequencysignalprocessingandtransceiverbasedon.Keywords:RFID;reader;AS3992chip第一章绪论图书馆存在的主要目的就是存放人们所收集的书籍等一些资料以供他人借阅浏览的地方。图书馆越大，所收集书籍、资料越多，在其管理方面较为困难，需要花费较多的时间、人力在整理因借书还书而导致的大量整理图书资料的工作上。所以如何有效管理巨量图书，让读者可以快速找到所需图书已成为一大问题。在图书馆管理的登记法的历史发展过程中，最一开始的管理方式是手工登记人们的借书还书，其次是利用条码，永磁条、充消磁技术，之后是利用RFID智能化技术，如图1。图1图书馆管理登记法的历史过程条码登记开始于1993年，由国家新闻出版总署推广并实施，使得图书管理员从繁琐的手工登记中解脱而出。而RFID出现在图书馆的应用时间并不长，但却是最受人们欢迎的登记管理法，例如在登记速度上，RFID有着明显的优势，如表1。表1登记法的速度比较登入方式读取时间读取笔画量1笔10笔100笔1000笔人工登记10秒100秒1000秒2小时47分条码扫描2秒20秒200秒33分RFID识别0.1秒1秒10秒1分40秒不仅是在登记的速度上，在其功能比较上，条码扫描相较于RFID识别也明显处于劣势，如表2所示。表2条码与RFID在功能上的对比功能条码RFID读取数量 一次一个 同时读取多个远距读取 读取时需光线 不需光线就可读取和更新资料容量 存储资料容量小存储资料容量大读写能力 条码资料不可更新 电子资料可以反复被覆写读取方便性 读取时需可看见与清楚智慧型标签可以很薄而且隐藏在包装内依然可读取资料正确性 条码需人工读取，含有人为疏失的可能性RFID标签可传送资料作为货品与保全坚固性条码污渍或损坏将无法读取，即无耐久性RFID标签在恶劣、残酷与肮脏的环境下仍可读取高速读取 移动中读取有所限制 可以进行高速读取在这里也有一份过去的图书馆与应用了RFID技术的图书馆的对比，如表3所示。表3过去的图书馆与RFID技术的图书馆的对比过去的图书馆 RFID图书馆图书流通量 小 大读者流通量 小 大

图书借还方式馆员满意度3卄图书借还方式馆员满意度3卄nV读者满意度服务时间区域规划效率低（人工，逐本操作）低（人工借还、工作量大等）低（隐私性差、需排队等）固定时间 24小时服务分阅览室，局促大开架，开阔效率高（自动化，多本同时）高（自助借还、工作量小等）咼（完全自助，借还方便等）由以上三个表格内容可以看出，RFID图书馆具有以下几点优势:（1） 实现了自动化服务（2） 保护了读者的隐私（3） 延长了图书馆的开放时间（4） 提高了图书馆的工作效率（5） 增长了图书馆的人流量随着时代的不断发展，RFID技术也在随之不断发展，并且其应用在全球市场上的比列也随之增重，如图1。图12004-2013年全球RFID市场上的规模与增长率一、RFID概述RFID是RadioFrequencyIdentification的英文缩写，中文意为射频识别，是一种不需要接触就可以进行识别的技术，主要是利用电磁波空间耦合实现静止、移动的待识别物品的自动识别［1］。（一） RFID的历史发展RFID技术即是一项古老的技术，又是一项新颖的技术。为什么这么说呢，这是因为RFID技术的历史可追溯至上个世纪30年代的第二次世界大战时期的敌我识别双飞飞机［2］,但它的发展与应用却没有那么悠久。早期阶段：1948年，理论基础的奠定一一哈里•斯托克曼发表的论文“利用反射功率的通信。探索阶段：各种关于RFID技术的论文发表以及专利的申请。发展阶段：RFID应用系统的开发一一美国的RCA公司机动车电子牌照。商业应用阶段：20世纪80年代开始，RFID技术在工厂自动化、动物追踪公路自动收费等方面有了广泛的应用。（二） RFID技术在国内外的应用RFID技术在国外的应用现状对于RFID技术的利用走在世界前列的依然是美国这一国家，甚至是美国的政府也是积极推动着RFID技术的发展。RFID技术在国外广泛的应用于工业自动化、商业自动化、交通运输管理等众多领域。列如，RFID芯片市场基本上被其西门子、飞利浦、TI、ST等半导体厂商所垄断。RFID的中间件、系统集成研究的有利地位确是被Sun、IMB、HP、SAP、微软、Sybase、等国际间的巨头所抢占。RFID的标签、天线、读写器等一些产品及设备则被Alien、Impinj、Intermec、Matries、Symbol、Transcore等公司所提供。RFID技术在国内的应用现状相较于发达国家而言，我国的RFID技术还不是很成熟，应用起步较晚而且发展不平衡。一方面是因为在我国RFID技术的UHF频段，不论是其读写器的芯片还是其应用上来说，我国与国外的相比较还是处于起步阶段，而关于125KHz和13.65MHz的电子标签确是发展迅速且得到了广泛的应用；另一方面是因为RFID的厂商主要是集中于京沪粤等发达地区。目前，在我国的防伪、交通信息化管理、工业自动化、物流与供应链管理等几个方面是RFID技术应用较为为典型的领域。列如在工业自动化领域上，RFID技术主要被用于存货管理的自动化一一当任何一处的存货水平降低到额定值以下时，系统就会自动发出补货指令；在防伪领域上，被陆续使用的二代身份证采用的就是RFID技术中高频频段13.65MHz；在交通信息化管理的领域上，被作为地铁、出租、公交的电子车票的IC卡，同样也是采用了RFID技术中的高频技术。同时，在我国RFID技术的使用已经频繁出现在我们的日常生活中了，如图2。图2我国RFID在日常生活中的使用比例二、RFID的整体结构框架图电子标签（Tag）、读写器（Reader）、以及上位机系统3部分可以构成其典型的RFID系统，如图3。图3典型的RFID系统组成（一）电子标签电子标签又被称之为射频标签、应答器、数据载体，同时也是RFID的俗称。电子标签实质上也是一个集成电路，一般由天线、调制器、解调器、电压调节器、逻辑控制单元、存储单元（EEPROM与ROM）所构成，如图4。图4电子标签组成框图天线：接收和发送信号调制器:滤除不必要的信号解调器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给读写器电压调节器：把射频信号转换为直流电源逻辑控制单元：译码读写器送来的信号，并按其要求回送数据给读写器。存储单元（EEPROM与ROM）:存储数据1•按照不同的分类方式分类（1） 根据标签的供电形式分类：有源、无源和半有源有源标签其实是指在电子标签内存在电池为电子标签提供电源，无源标签就是其内部不存在电池。两者相比较而言，有源系统比无源系统是别的距离较远，识别的稳定性较好，读取速度上较快，但无源系统的寿命较长，成本较低，携带较方便，对工作环境要求不高。（2） 根据标签的数据调制方式分类：主动式、被动式和半主动式主动式标签又可称为有源标签，被动式标签又可称为无源标签。（3） 根据标签的可读性分类：只读式、读写式只读式标签是指在其一开始就设定一组串行号作为某物品数据库的密码，且次串行号不可更改；读写式标签是指系统使用者可以把某物品的特定数据写进标签。（4） 根据工作频率分类：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波（Microwave）低频频段，工作频率范围为30KHz〜300KHz，低频标签一般为无源式电子标签，其典型的工作频率一般为125KHz，133KHz，但其中也有例外，如TI使用的就是134.2KHz。低频标签一般用于短距离、地城本的应用中，如校园卡、动物监管、货物的跟踪等。高频频段，工作频率范围为3MHz〜30MHz，若根据频率划分而言，这一段频率应称之为中高频段。高频标签同低频频段一样同为无源式电子标签，其典型的工作频率一般为13.65MHz。高频标签一般应用在电子身份证、电子车票等。超高频频段，工作频率范围为860MHz〜960MHz，其典型的工作频率一般为433.92MHz。超高频系统一般用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费、图书馆的管理与应用等一些场合。表4RFID各工作频率对比低频（LF）高频（HF）超咼频（UHF）微波(Microwave)频率 100〜500KHz10〜15MHz433〜950MHz1GHz以上常见频段125KHz135KHz13.65MHz433MHz868〜950MHz2.45GHz5.8GHz系统形态被动式被动/主动式被动/主动式被动/主动式全球接受频率是是部分部分通讯距离50cm以内1.5M以内 3〜10m3〜10m传输功率72dBpA/m42dBpA/m 10mW〜4W 4W成熟度成熟成熟新技术开发中读取方式电磁感应电磁感应 微波共振 微波共振价格低中高高

环境影响 X 金属数据传输率低高内存64〜环境影响 X 金属数据传输率低高内存64〜1K256〜512K潮湿潮湿较高最高64〜512K 16〜64KISO标准IS018000-2TWOType被动式ISO18OOO-3TWOMode被动式ISO18OOO-6TWOType被动/主动式 ISO18OOO-2TWOMode被动/主动式应用 门禁系统、动物识别、存货控制、芯片防盗锁 智慧卡、图书馆管理、商品管理 铁路车厢监控、仓存管理道路收费系统读写器读写器就是射频标签的读写设备，同时被称之为阅读器，其主要工作就是通过天线和电子标签之间的无线通信，实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。读写器的耦合方式分类发生在读写器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种，一种是电感耦合，一种是电磁反向散射耦合。电感耦合，依据的是电磁感应定律。电感耦合也就是变压器模型，是通过空间高频交变磁场实现耦合的。电感耦合方式一般被用于中、低频工作的近距离射频识别系统中，识别作用的距离小于1m，典型作用距离为10〜20cra(1cra指30cm)。。电磁反向散射耦合，依据的是电磁波的空间传播规律。电磁反向散射耦合也就是雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息。电磁反向散射耦合方式一般被用于高频、微波工作的远距离射频识别系统中，识别作用的距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。读写器的功能读写器可以说是RFID系统中的核心部件，这是因为读写器的工作频率决定了系统的应用频段，读写器的发射功率直接影响RFID系统的通信距离，读写器的体积大小直接影响了RFID系统的使用范围。读写器通俗点说就是射频标签的读写设备。读写器的功能如下：实现与电子标签的通讯给标签供能实现与计算机网络的通讯实现多标签识别实现移动目标识别实现移动目标识别第2章RFID读写器的硬件设计一、读写器的结构框图从总结构上来说，读写器基本可以分为三大模块：天线、射频模块和基带模块，如图3所示。图3读写器总体组成框图主要技术指标根据所使用器件的具体特性以及通信协议，本文读写器的主要技术指标如下：工作频率：915MHz工作电压：4.1V〜5.5V工作稳定：-40°C〜_80°C通讯协议：ISO/IEC18OOO-6C协议通讯距离：5m或者大于2m通讯接口：UART或者是USB2.0天线接口：阻抗为50Q的MMCX接口二、射频模块射频模块是读写器的射频信号处理模块，其主要任务如下：将带发射出去的编码信号经过调制使其成为射频信号，将数据和命令传送给电子标签产生一定的射频信号来激活电子标签，使其能正常运作接收电子标签返还的射频信号并对信号解调跳频处理读写器的重要组成部分是射频模块一一决定了读写器性能的关键部分，因此射频模块是读写器设计与实现的重点。常用的读写器射频模块有三种设计方案：(1)基于分立RF元件实现；(2)基于通用RF芯片实现；(3)基于专用RFID芯片实现。(一)读写器射频模块的选择分立RF元件目前射频电路比较常用的设计方案一一分立RF元件，设计思路是读写器的射频模块分成两部分，一部分是射频发送单元，另一部分是射频接收单元，对它们分别进行设计后集成到一块射频板上。其优点是：对元器件选择要求低，利于购买或是替换元器件。方便对系统的各个模块单独测试。图4分立RF元件原理图通用RF芯片通用RE芯片较适用于线监测、无线报警、无线数据传输、遥控等领域，其优点是：有许多成功案例在案芯片类型较多，选购方便ADF9010芯片就是通用RF芯片的一种。图5ADF9010芯片专用RFID芯片专用RFID芯片的优点：功率损耗低，成本低，实现了读写器的小型化降低了开发的难度因此在本文中主要就是采用专用RFID芯片来设计读写器的射频模块功能。在这里选用的专用RFID芯片为AS3992芯片。AS3992芯片是目前奥地利微电子公司生产的AS399x系列芯片中的一种，封装是64脚的QFN封装。AS3992芯片集成了接收电路、发送电路、SPI串行口、A/D转换器等，还包括了完整的模拟前端电路，同时其内部高度可配置的模拟前端，能工作于DSB-ASK、SSB-ASK和PR-ASK调制模式。芯片支持AM和PM调制，可以确保在I/Q两路中自动选择时不会存在通信盲点。AS3992芯片的介绍AS3992芯片内部功能组成图AS3992芯片内部功能组成框图，如图图6所示。图6AS3992芯片内部组成框图AS3992芯片特性AS392芯片的主要特性完全支持ISO/IEC18000-6C协议，在直接模式时可以支持ISO/IEC18000-6B协议；适应多个国家的RFID频率；集成了时钟输出和电压输出，可以选择其功能简化系统的设计；可以提升外部功放的效率；4.1V-5.5V的电压范围可以直接使用USB进行供电；可以对数字基带进行配置，能实现编解码与CRC校验等功能；片内20bBm的功率放大器可以直接用在短距离的RFD读写上；片内DAC可以用来控制外部的功放效率；片内ADC可以用来接收外部的功率检波器的输出信号；支持快速跳频。AS3992芯片引脚AS3992芯片采用了标准的64引脚QFN封装，引脚分配如图图7所示。49〜51引脚，通用I/O口，通过MCU设置初始值7,9,10引脚用于射频信号的输入20,21,27,28,32,33引脚用于射频信号的输出图7AS3992芯片引脚分配AS3992芯片外围电路的设计由上一节可知，AS3992芯片内部已经集成了射频前端模块，但其自身提供的发射功率、频谱特性等性能参数不高，所以仍需要进行外围电路的设计。晶振时钟电路AS3992的工作需要外部提供稳定时钟。由于射频芯片工作产生热量较多，为避免时钟频率随温度漂移，本设计采用20MHz的温补振荡器，电路如图图8所示。图8晶振电路原理图发射电路放大、巴伦、滤波器等电路组成发射电路，本设计的发射通道输出采用差分信号形式，因为差分信号有更强的抗干扰能力，EMI可以得到有效抑制，电路原理图如图9所示。图9发射电路原理图3•接收电路为消除接收过程中因距离变化长产生的接收盲点，信号接收端采用IQ正交零中频接收结构。图10零中频结构框图图11接收电路原理图4•隔离电路本文设计的发射和接收电路共用一根天线，因发射和接收电路在同频率工作下，信号会互相干扰需要设计隔离电路将电路隔离 。定向耦合器和环形器是最常用的隔离器件，本文采用前者隔离器，电路如图12所示。图12定向耦合器原理图三、基带模块由于AS3992芯片内只是集成了IS0/IEC18000-6C协议，对于IS0/IEC18000-6A和IS0/IEC18000-6B协议只是兼容但并不完全支持，因而在读写器电路中需要基带电路来实现。基带模块，其主要任务如下：（1） 控制电子标签与读写器之间的身份验证、交换数据的过程（2） 与上位机系统进行通讯，执行所得的命令（3） 执行单标签的识别与防冲撞算法（4） 对信号进行编码和解码的处理（5） 对传输的数据进行加密解密（一）CPU外围电路电源电路图13电源电路复位电路图14复位电路3•外设接口电路图15USB与串口电路第3章RFID读写器的软件设计一、读写器软件模块读写器主程序主要功能是接受计算机的命令并解析命令，分离其中的参数后发送系统参数配置模块和协议处理模块进行处理，在命令执行完毕后，读写器系统主程序向计算机管理系统返回命令执行结果和标签数据。图16软件模块二、读写器主流程图图17主流程图工作过程简述：上电复位后对读写器系统进行清零一一初始化得到上位机指令后判断并运行相应程序根据上位机选择的协议，运行相应的协议处理程序调用协议处理程序成功，则命令3进行处理，反之重新调用协议处理程序三、协议流程图图18IS0/IEC18000-6C协议流程四、 AS3992控制流程图图20AS3992芯片控制流程五、 标签存盘图21标签存盘流程六、防碰撞算法软件流程图图22TypeC协议的防碰撞算法软件流程图第四章仿真仿真是系统实现之前的验证工具，通过仿真可以验证结论、缩短开发时间和降低整体成本，一般来说，环境变量影响和潜在的系统限制因素都可以在系统实现之前的仿真中进行评估［2-3］。系统级仿真是通信系统中验证关键技术和揭示关键参数的重要手段，在系统仿真时，应该尽可能多的在模型中加入相关参数，参数越多，得到的仿真结果越精确，但仿真花费的时间也越长［4-5］。一、仿真软件(一)MultlslmMultlslm是最近比较流行的仿真软件之一，它在计算机上虚拟出一个元器件、设备齐备的硬件工作台，用它进行教学，可以加深学生对电路结构、原理的认识与理解，训练学生熟练地使用仪器和掌握正确的测量方法。由于Multlslm软件是基于Windows操作环境，要用的元器件、仪器等所见即所得，只要用鼠标点击，随时可以取来，完成参数设置、组成电路、启动运行、分析测试。(二)QuartusII在QuartusII平台上，使用图形编辑输入法设计电路的操作流程包括原理图编辑、编译、仿真和编程下载等基本过程。与MAX+plusII相比，QuartusII提供了更强大、更直观便捷和操作灵活的原理图输入设计功能，同时还具备了更丰富的适用于各种需要的元件库，其中包括基本逻辑元件库(与非门、反相器、D触发器等)、宏功能单元(包括几乎所有的74系列的器件)，以及类似于IP核的参数可设置的宏功能块LPM库。QuartusII同样提供了原理图输入多层次的设计功能，使用户能更设计更大规模的电路系统。与传统的数字电路实验相比，QuartusII提供的原理图输入设计功能具有不可比拟的优势和先进性，具体如下：设计者不必具备许多诸如编程技术、硬件描述语言等知识就能迅速入门，完成较大规模的电路系统设计。能对系统中的任一层次或元件的功能进行精确的时序仿真，易于发现对系统可能产生的不良影响，以及竞争冒险现象。能进行层次的数学系统设计，传统的数字电路实验只能完成单一层次的设计。通过时序仿真，能迅速定位电路系统的错误所在而随时纠正。能对设计方案进行随时更改，并存储设计过程中所有的电路和测试文件入档。通过编译和下载，能在FPGA和CPLD上对设计项目随时进行硬件测试验证。如在使用FPGA和配置编程方式时，不会有器件损坏和损耗的问题。符合现代电子设计技术规范。SimulinkSimulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink其特点如下：编辑器是呈交互形的图形式可以通过ModelExplorer进行导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性从而生成代码可以通过设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理仿真精细、贴近实际结构和流程清晰在这里就是运用Simulink进行仿真。二、读写器的仿真模型图23收、发模块的仿真模型图(一)发射电路仿真系统结构图采用ISO/IEC18OOO-6C协议的读写器的发射电路主要是由PIE编码模块,DSB-ASK、SSB-ASK或者是PR-ASK调制莫离和功率放大模块三部分组成。1.DSB-ASK图24 IS0/IEC18000-6C协议DSB-ASK发射电路仿真结构图2.SSB-ASK图25 IS0/IEC18000-6C协议SSB-ASK发射电路仿真结构图PR-ASK图26IS0/IEC18000-6C协议PR-ASK发射电路仿真结构图PIE编码图27PIE编码模块的仿真系统结构和波形图基带数据的模拟由脉冲发生器产生。经过PIE编码模块进行编码，再进行调制和功率放大后形成发射信号。发射信号经解调器和低通滤波器后形成解调信号，再由电压比较器对解调信号进行整形，得到接收编码信号。PIE编码模块由逻辑门实现，仿真系统结构和波形图如图27所示。