基于AS3992芯片的遠(yuǎn)距離RFID讀寫器設(shè)計(jì)

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流和生態(tài)監(jiān)視等國(guó)民經(jīng)濟(jì)方方面面的大量應(yīng)用，UHF頻段的RFID技術(shù)更是發(fā)展迅速，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)可以自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象、獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，適用于各類惡劣環(huán)境。RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器和天線三部分構(gòu)成，其中RFID讀寫器最為關(guān)鍵。

　　1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　基于AS3992芯片的遠(yuǎn)距離RFID讀寫器系統(tǒng)主要包括射頻部分和基帶部分，如圖1所示。射頻部分圍繞RFID集成芯片AS3992展開設(shè)計(jì)，環(huán)路濾波器配合內(nèi)置VCO產(chǎn)生精確頻率;發(fā)射鏈路主要由巴倫、功率放大器、耦合器、高頻開關(guān)和多路天線接口組成，在關(guān)鍵通路上使用LC網(wǎng)絡(luò)和π型網(wǎng)絡(luò)調(diào)整阻抗匹配;射頻接收鏈路由天線、高頻開關(guān)、耦合器、低噪放和巴倫組成。基帶部分配置了可升級(jí)的MCU主控制器及通用外圍接口。

　　圖1 RFID讀寫器系統(tǒng)框圖

　　2硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 AS3992及其外圍電路

　　AS3992是奧地利微電子推出的一款高性能UHF頻段的讀寫器芯片，它集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模擬前端，并且內(nèi)置了ISO18000-6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)。外部控制器僅需通過8位并口或者SPI口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)AS3992的所有通信和控制。

　　UHF載波信號(hào)的通信頻率為840 MHz~960 MHz，AS3992集成了VCO、預(yù)分頻器、主除法器、參考除法器、鑒相器和電荷泵，外圍電路只要提供一個(gè)環(huán)路濾波器即可組成一個(gè)完整的鎖相環(huán)(PLL)電路，如圖2所示。PLL的輸出頻率由參考除法器的設(shè)定值和主除法器的乘積決定。電荷泵(CP)的主要作用是將數(shù)字邏輯脈沖轉(zhuǎn)換為模擬電流。CP信號(hào)經(jīng)過低通濾波器反饋到VCO引腳用來調(diào)整振蕩器頻率精度。為了獲得穩(wěn)定的VCO調(diào)諧電壓，外部的環(huán)路濾波電路特別重要，它起到了維持環(huán)路穩(wěn)定性、控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲、防止VCO調(diào)諧電壓控制線上電壓突變、抑制參考邊帶雜散干擾等重要作用。

　　圖2 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2射頻發(fā)射電路

　　AS3992芯片射頻信號(hào)以差分對(duì)的形式輸出，使用LC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以將巴倫的輸入端阻抗精確匹配到100Ω，通過2：1的巴倫即可輸出單端UHF信號(hào)。若僅使用AS3992內(nèi)部功放，則其輸出功率最大僅為20 dBm，只能滿足近距離讀寫。若要達(dá)到更遠(yuǎn)的讀寫距離，必須通過外部功率放大器進(jìn)行無失真放大;同樣為了整條射頻線路的阻抗匹配，在巴倫和功放間放置π型濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗微調(diào)。

　　功率放大器可以將已經(jīng)被調(diào)制過的高頻載波信號(hào)進(jìn)行功率放大，經(jīng)過天線輻射到周圍以滿足接收機(jī)需要的激勵(lì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且對(duì)相鄰信道不產(chǎn)生影響。功率芯片SKY65111采用三級(jí)電壓控制，1 dB壓縮點(diǎn)增益在29.5 dBm.使用AS3992自帶的DAC，結(jié)合電壓跟隨器可以方便精確地調(diào)節(jié)功放的輸出功率;此外當(dāng)外部功放固定時(shí)，通過AS3992自身發(fā)射功率的調(diào)節(jié)亦可適應(yīng)不同距離的應(yīng)用。

　　微波信號(hào)輸入/輸出的隔離需要通過耦合器，經(jīng)過耦合器出來的信號(hào)進(jìn)入一分四高頻切換開關(guān)SKY14151，把一路信號(hào)根據(jù)應(yīng)用需要可以切換到任一選中的天線接口。讀寫器設(shè)計(jì)的4個(gè)天線接口，不僅擴(kuò)展了其應(yīng)用距離，而且由于一個(gè)讀寫器可以有多個(gè)分節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收信息，當(dāng)4個(gè)天線都對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)方向時(shí)，還能夠減少單天線的盲區(qū)降低誤碼率。

　　為了增加RFID讀寫器的最遠(yuǎn)距離，還需要對(duì)其發(fā)射功率進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)射功率太大不僅會(huì)引起失真，還容易泄露到接收端形成干擾，所以一旦功率檢測(cè)器件監(jiān)控到大于設(shè)定功率時(shí)，通過主控制器數(shù)字PID和DAC把微調(diào)量加載到功率芯片SKY65111的二三級(jí)電壓控制端，使得發(fā)射功率可控。