CN101320419A - 超高频rfid标签读写器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的超高频RFID标签读写器，主要由控制模块、发射模块、接收模块、基带处理模块构成。发射模块受控制模块控制，为读写器提供载波信号，并将载波信号进行处理后输出至电子标签，同时，接收电子标签返回的反射信号，输入到接收模块；接收模块将电子标签返回的反射信号进行零中频直接下变频解调，实现双路正交解码，输出两路基带信号；基带处理模块对两路基带信号进行信号处理后，得到控制模块可处理的有效信号；控制模块同时接收和处理两路低频信号，将信号恢复为电子标签的原始信息。

Description

超高频RFID标签读写器

(一)技术领域：

本发明涉及射频识别技术领域，特别涉及一种超高频RFID标签读写器。

(二)背景技术：

RFID即射频识别技术，它是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其空间耦合和传输特性，实现对静止或移动物体的自动识别。射频识别系统一般由电子标签、读写器、天线以及主机等部分组成。电子标签中存储目标对象的数据信息。系统工作时，读写器通过射频接口辐射电磁波，当电子标签进入读写器的磁场后，接收读写器的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(即Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(即Active Tag，有源标签或主动标签)，读写器接收、读取信息并解码后，送至中央信息系统进行相关数据处理，实现对电子标签的非接触读取，达到自动识别目标对象、并获取相关数据的目的。同时读写器还可以在主机的控制下对电子标签进行写操作，改写存储在标签中的信息。根据所使用的电磁波频段，RFID技术分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)三类。其中，超高频技术具有识别距离远、识读速度快、可识别高速度运动目标、数据容量大等优势，更适合未来物流和供应链领域的应用。

现有的超高频RFID读写器如2007年3月出版的《广西工学院学报》第18卷第1期公开的一种UHF频段射频识别读写器，主要由天线、射频模块、主控模块三部分组成，射频模块包括信号隔离装置、发射单元和接收单元，主控模块包括微控制器即外部接口。首先，由于现有的读写器的工作是利用反向散射调制原理，在整个天线的覆盖区域内，环境结构千差万别，静止的和运动的物体随时都在变化，被阅读的电子标签反射到读写器的信号存在不同的相位移动，造成读写器接收到的信号减弱，导致读写器的识别距离缩短和识别角度变小，有效识别距离仅5～6米，性能大打折扣。其次，当两路脉冲信号非常接近时，会有漏掉一个或多个位的可能，容易造成整串数据的作废。因此现有的读写器大多采用单路信号处理，分时实现0°和90°信号的解调，这对于运动型的标签卡同样存在成功率不高的情况。即使市面上的一些读写器采用了双路信号处理，能够在一定程度上解决数据丢失的问题，但都需要在原有单片机的基础上，增加信号数字处理设备才能够实现，这样不仅使得读写器的结构变得复杂，也相应地增加了读写器的生产成本。

(三)发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种识别距离远、结构简单、成本较低的超高RFID标签读写器。

为了解决上述问题，本发明所设计的超高频RFID标签读写器，主要由控制模块、发射模块、接收模块、基带处理模块构成，发射模块受控制模块控制，为读写器提供载波信号，并将载波信号进行处理后输出至电子标签，同时，接收电子标签返回的反射信号，输入到接收模块；接收模块将电子标签返回的反射信号进行零中频直接下变频解调，实现双路正交解码，输出两路基带信号；基带处理模块对两路基带信号进行信号处理后，得到控制模块可处理的有效信号；控制模块同时接收和处理两路低频信号，将信号恢复为电子标签的原始信息。由于读写器与电子标签的通信是通过电磁耦合和信号反向散射来实现的，电子标签获得的能量有限，因此反向散射调制技术只能改变信号每帧内部数据为“0”或“1”，无法改变调制信号的帧长。本发明技术方案采用零中频直接下变频的原理进行信号解调，对载波信号和电子标签返回信号经过非相干的正交变换，同时将解调出的0°和90°两路基带信号同时送入控制模块的单片机中进行处理，在不增加器件的同时，有效防止了电子标签在周围环境变化和电子标签的运动过程中，所出现的标签角度变化而引起的因相位角改变而导致的数据丢失、信号减弱等问题，从而使得读写器的有效识别距离达十几米。

上述方案中发射模块包括射频本振电路、幅移键控调制电路、功率放大电路及射频接口；射频本振电路为读写器提供920～925MHz的载波信号；幅移键控调制部分主要部件为信号衰减器；衰减器对载波信号进行衰减，达到幅移键控调制的目的；功率放大用于对衰减后的载波信号进行功率放大；射频接口用于发射载波信号和接收电子标签返回的反射信号。

上述方案中接收模块包括混合器和两个混频器；混合器将载波信号和射频信号混合后，正交变换成0°和90°信号；两个混频器分别将0°和90°信号进行混频后，产生两路0°和90°的基带信号。混合器实现的是载波信号和射频信号的非相干解调。

上述方案中基带处理模块主要由滤波电路、放大电路、整形电路及电源组成；滤波电路对两路基带信号进行带通滤波；放大电路对基带信号进行放大；整形电路通过使用高速电压比较器及施密特触发器为控制单元提供最终数字信号。

上述方案中控制模块包括嵌入式ARM单片机、通用异步收发器或和/或TCP/IP单元；嵌入式ARM单片机主要完成编码、解码、通信和控制任务；通用异步收发器或TCP/IP单元用于实现ARM单片机与计算机通信。

本发明与现有技术相比，采用了模块化设计，其结构更合理，功能划分更清晰；采用零中频直接下变频进行信号解调，实现双路正交解码，有效地降低了误码率、提升了读写器的读写距离；无需增加额外的数字信号处理器件，仅采用单一ARM嵌入式单片机即可实现双路信号处理，在保证性能的同时，简化了读写器的结构，降低了生产成本。

(四)附图说明：

图1为本发明超高频RFID标签读写器的一种优选实施例的原理图；

图2为图1所示实施例的接收模块的原理图。

(五)具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

图1为本发明超高频RFID标签读写器的一种优选实施例的原理图，包括控制模块、发射模块、接收模块、基带处理模块。发射模块受控制模块控制，为读写器提供载波信号，并将载波信号进行调制和功率放大后，通过发射模块的射频接口输出发射信号至电子标签，同时，射频接口接收电子标签返回的反射信号，输入到接收模块。接收模块将电子标签返回的反射信号进行零中频直接下变频解调，实现双路正交解码，输出两路基带信号。基带处理模块对两路基带信号进行滤波、放大、整形，得到控制模块可处理的低频信号。控制模块同时接收和处理两路低频信号，根据相关协议将信号恢复为电子标签的原始信息。

以下对本发明的各模块的具体组成实施例及功能进一步详细说明。

1、控制模块

控制模块主要由嵌入式ARM单片机、通用异步收发器和TCP/IP单元构成。

通用异步收发器和TCP/IP单元的一端分别与ARM单片机的通讯端口相连，另一端与计算机相连，分别实现双工通讯。通用异步收发器及TCP/IP单元主要负责读写器与计算机的通信。

嵌入式ARM单片机是读写器的核心部分，本实施例选用菲利浦的LPC2132 ARM7单片机，工作在32位模式，128位宽的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大速率下稳定运行，其主要完成幅移键控编码、两相空间解码、通信、控制等任务。

控制模块的基带信号解码流程为：

a、单片机进行捕捉中断和查询比较，同时将0°和90°的两路信号输入使用；

b、单片机记录下输入的两路脉冲序列的长度；

c、单片机对两路信号进行动态数字滤波和时间序列转换，进一步滤除尖峰干扰；

d、最后，将两路信号进行两相空间解码和校验后，即完成解码过程。

2、发射模块

发射模块主要由射频本振、幅移键控调制电路、功率放大电路、环形隔离器及射频接口组成。射频本振和幅移键控调制电路分别与单片机实现双工通讯。功率放大电路受单片机的控制，并与幅移键控调制电路通信；功率放大电路还分别与环形隔离器和接收模块相连。环形隔离器与射频接口和接收模块相连。

射频本振是由频率合成器、环路滤波器与压控振荡器组成的锁相环，为读写器提供920～925MHz的载波信号。本实施例选用的频率合成器包括低噪声鉴频鉴相器、精度电荷泵、可编程分频器、可编程的A计数器和B计数器以及双模前置分频器。锁相环是一种反馈控制电路，特点为利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率。

幅移键控调制电路的主要部件为信号衰减器。衰减器的作用是对载波信号进行衰减，达到幅移键控调制的目的。本实施例选用的衰减器可实现1dB～31dB的衰减量。本实施例使用的调制方式为开关键控，即100％的幅移键控调制。当发送基带数据“0”时，对载波信号衰减31dB；当发送基带数据“1”时，对载波信号无衰减。衰减器的另一个作用是与功率放大电路一起对发射信号的功率进行控制。

功率放大电路主要是对调制后的射频信号进行功率放大，调节信号增益，本实施例选用的功率放大器具有最大35dBm的功率输出，具有良好的控制特性。本实施例中射频功率的输出范围为20～31.5dBm。

射频接口，即天线接口，通过SMA阴座与电子标签进行无线连接。

3、接收模块

接收模块主要由混合器和两个混频器组成。混合器的输入端与接收模块的功率放大模块和环形隔离器相连。混合器的输出端分别与两个混频器相连，如图2。

混合器将接收到的反射信号正交变换成0°信号和90°信号；两个混频器分别将0°信号和90°信号与本振信号进行混频后，产生两路0°和90°的基带信号。

本实施例的射频接收单元采用零中频直接下变频的原理进行信号解调，实现双路正交解码，输出的信号就是基带信号。经过正交变换的两路射频信号分别经过混频器混频后，将产生两路基带信号。

4、基带处理模块

基带处理模块主要由滤波电路、放大电路、整形电路及电源组成。滤波电路与接收模块相连，放大电路的输入端与滤波电路相连，输出端与整形电路相连，整形电路与ARM单片机相连。

滤波电路是一个100K～250K的带通滤波器，分别将0°和90°的两路信号进行带通滤波，滤除杂波信号，剩下单片机可以处理的有效信号。

放大单元对滤波电路传来的微弱的返回信号进行放大，本实施例采用203M和160M带宽的运放实现，增益高，性能稳定。

整形单元通过使用高速电压比较器及施密特触发器为单片机提供最终的数字信号。

本实施例的读写器的工作过程如下：

1、标签进入读写器发出的无线射频信号区后，接收读写器发出的射频信号；

2、标签凭借线圈上的感应电流获得能量启动标签控制电路和射频电路并根据相关协议发送出数据；

3、读写器接收标签发射的信号并进行解码；

a、接收模块采用零中频直接下变频的原理对接收的信号进行解调，实现双路正交解码，输出两路基带信号；

b、基带处理模块对两路基带信号经过滤波、放大、整形后，得到单片机可以处理的有效信号；

c、控制模块将低频信号恢复为标签的原始信息，然后送至后台计算机；

4、计算机进行有关数据处理，最后应用系统得到所需要的信息，从而实现自动识别或写入的目的。

本实施例读写器的基本参数如下：

工作频段：920～925MHz；

读写距离：读最大12米，写最大6米；

发射功率：＜32dBm；

识别能力：具有防碰撞协议，具备多标签识别能力；

支持协议：ISO-18000-6B；

工作温度：-20篊～+60篊；

电源：DC 9V，4A；

电源功耗：小于15W；

通讯接口：RS232或LAN接口(10M)；

可编程I/O：2个输入接口、2个输出接口，可实现外部信号采集和外部设备控制；

系统参数设置：支持系统参数在线设置，同时可保留当前系统参数；

工作模式：跳频；

天线接口：SMA型阴头。

Claims (6)

1.超高频RFID标签读写器，其特征在于：主要由控制模块、发射模块、接收模块、基带处理模块构成，发射模块受控制模块控制，为读写器提供载波信号，并将载波信号进行处理后输出至电子标签，同时，接收电子标签返回的反射信号，输入到接收模块；接收模块将电子标签返回的反射信号进行零中频直接下变频解调，实现双路正交解码，输出两路基带信号；基带处理模块对两路基带信号进行信号处理后，得到控制模块可处理的有效信号；控制模块同时接收和处理两路低频信号，将信号恢复为电子标签的原始信息。

2.根据权利要求1所述的超高频RFID标签读写器，其特征在于：所述发射模块包括射频本振电路、幅移键控调制电路、功率放大电路及射频接口；射频本振电路为读写器提供920～925MHz的载波信号；幅移键控调制部分主要部件为信号衰减器；衰减器对载波信号进行衰减，达到幅移键控调制的目的；功率放大用于对衰减后的载波信号进行功率放大；射频接口用于发射载波信号和接收电子标签返回的反射信号。

3.根据权利要求1或2所述的超高频RFID标签读写器，其特征在于：所述接收模块包括混合器和两个混频器；混合器将载波信号和射频信号混合后，正交变换成0°信号和90°信号；两个混频器分别将0°信号和90°信号进行混频后，产生两路0°和90°的基带信号。

4.根据权利要求3所述的超高频RFID标签读写器，其特征在于：所述混合器实现的是载波信号和射频信号的非相干解调。

5.根据权利要求1或2所述的超高频RFID标签读写器，其特征在于：所述基带处理模块主要由滤波电路、放大电路、整形电路及电源组成；滤波电路对两路基带信号进行带通滤波；放大电路对基带信号进行放大；整形电路通过使用高速电压比较器及施密特触发器为控制单元提供最终数字信号。

6.根据权利要求1或2所述的超高频RFID标签读写器，其特征在于：所述控制模块包括嵌入式ARM单片机、通用异步收发器或TCP/IP单元；嵌入式ARM单片机主要完成编码、解码、通信和控制任务；通用异步收发器或TCP/IP单元用于实现ARM单片机与计算机通信。

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