CN102176231A - Uhf rfid天线分工器 - Google Patents

Abstract

一种UHF RFID天线分工器，其特征在于：包括读写器射频输入端口、天线射频端口、射频开关阵单元、MCU、时钟单元、存储单元、接口单元、天线指示单元和电源接口；电源接口为本天线分工器提供电源；所述读写器射频输入端口连接在射频开关阵单元的射频输入端，射频开关阵单元的各个射频输出端分别连接多个天线；时钟单元为MCU提供时钟信号；MCU连接存储单元；天线指示单元用来指示射频开关阵单元中的天线端口工作状态；接口单元包括串口和GPIO接口，二者通过内部电路跳接来转换。本发明可以减少读写器使用数量，降低RFID系统布建成本，增加读写器的读写范围，有利于UHF RFID和物联网技术应用的进一步推广。

Description

UHF RFID天线分工器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种用于UHF RFID的多天线分工器。

背景技术

UHF RFID技术广泛应用于仓储物流、供应链、安全防伪等诸多领域，目前UHFRFID读写器大多价格昂贵，具有1-4个收发一体的天线。

发明内容

本发明的目的在于：为了适应UHF RFID的推广应用，提供一种多天线分工器，增加读写器的读写范围，降低RFID系统布建成本。

本发明的目的是这样实现的：

一种UHF RFID天线分工器，包括读写器射频输入端口、天线射频端口、射频开关阵单元、MCU、时钟单元、存储单元、接口单元、天线指示单元和电源接口；

电源接口为本天线分工器提供电源；

所述读写器射频输入端口连接在射频开关阵单元的射频输入端，射频开关阵单元的各个射频输出端分别连接多个天线；

时钟单元为MCU提供时钟信号；MCU连接存储单元；天线指示单元用来指示射频开关阵单元中的天线端口工作状态；

接口单元包括串口和GPIO接口，二者通过内部电路跳接来转换：

a、MCU的输入/输出端连接串口，MCU输出控制信号给射频开关阵单元，控制相应射频通路的开关；

b、GPIO接口通过逻辑处理电路连接射频开关阵单元，控制相应的射频通路开关；逻辑处理电路对来自GPIO接口的控制信号进行反相处理；

对于串口方式下，本天线分工器分为实时控制和周期循环两种工作模式：

所述MCU接受上位机的指令，对本天线分工器的进行实时控制和周期循环两种模式的切换；

在实时控制模式下，MCU根据上位机的需要即时切换天线，由用户通过上位机命令集来控制射频开关阵单元中射频通路的开关，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息；

在周期循环模式下，用户通过上位机来配置选定天线和天线驻留时间参数；MCU根据配置参数自动周期循环运行；仅在修改参数时由上位机的支持；

对于GPIO接口方式下，用户通过GPIO接口输入控制信号，由逻辑处理电路对该控制信号进行反相处理，由输入控制信号和反相信号共同控制射频开关阵单元射频通路的开关，从而对本天线分工器进行实时控制，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息；

对于射频开关阵单元，由大功率高线性度的射频开关组成，这些射频开关采用镜像对称结构排布，连接每一射频通路的微带线尺寸相同，使得每一射频通路具有相近的射频性能；

所述MCU的工作流程包括：

先初始化，读入配置信息，默认以周期循环模式运行；

等待上位机命令，如果上位机命令是实时控制方式，则继续运行；

否则，如果已配置成周期循环模式，则当前为周期循环模式，进行配置相关天线驻留时间等参数并存储；

如果没有配置成周期循环模式，则要设置成周期循环模式或实时模式。

实时控制模式下，MCU根据上位机的命令集来控制射频开关阵单元射频通路的开关，从而对本天线分工器进行实时控制，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息；

周期循环模式下，MCU使用高优先级中断和数据缓存方法，减少响应时间；采用固定变量表保存参数，以提高访问速度；MCU相应的循环控制组件通过内部定时器，每1ms运行一次，判断每个天线的状态，并根据预设的天线驻留时间计时控制射频开关阵单元，实现天线的定时切换，使得读写器天线端口分别连通不同的天线工作；

GPIO接口方式下，用户通过GPIO接口输入控制信号，由逻辑处理电路对该控制信号进行反相处理，共同控制射频开关阵单元射频通路的开关，从而对本天线分工器进行实时控制，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息。

所述天线指示单元为LED器件，LED器件通过驱动电路与所述MCU连接。

本技术方案通过串口通信，利用天线分工器工具软件选择设定不同天线和对应的天线驻留时间，实现天线周期性分时工作；或者系统转换到实时控制模式，根据上位机的命令即时切换天线，用户可以灵活的实时控制系统运行状态并能辨识每一天线对应读取到的标签数据信息。通过内部电路跳接可以将串口改换为GPIO口(内置逻辑信号转换电路)，利用计算机或超高频UHF RFID读写器的GPIO信号(例如3路GPIO信号可控制2³＝8个天线)控制多天线的使用，从而辨识出每一天线对应读取到的标签数据。

天线指示单元可以实时显示每个天线的工作状态。

本发明的优点在于：

1、工作频段在860-960MHz范围，覆盖中国、美国、欧盟、日本等世界绝大部分国家和地区的超高频RFID频段。

2、天线分工器射频性能优良，端口插损和电压驻波比较小，最大输入功率可达4W；结构简单，性能可靠。

3、控制与通信方式多样，既可通过串口配置选择天线和天线驻留时间并保存，实现天线周期性分时工作，或者系统转换到实时控制模式，根据上位机的命令即时切换天线，用户可以灵活的实时控制系统运行状态并能辨识每一天线对应读取到的标签数据信息；也可通过GPIO信号控制多天线的使用，从而辨识出每一天线对应接收到的标签数据。天线指示单元可实时表征每个天线的工作状态。

4、既可增加读写器的读写范围，获得RFID系统更好的读取效果；又能降低RFID系统布建成本，有利于UHF RFID的推广应用。

附图说明

图1UHF RFID天线分工器原理框图；

图2UHF RFID天线分工器射频开关阵单元镜像对称结构排布(8端口天线分工器为例；图中S1～S7是可控开关)；

图3MCU主体程序流程图；

图4MCU循坏控制组件程序流程图；

图5UHF RFID天线分工器工具软件界面示意(8端口天线分工器为例)。

具体实施方式

一种UHF RFID天线分工器，其射频输入端口与读写器天线端口相连，多个读写器天线分别接在天线分工器的天线端口。通过串口通信，既可利用天线分工器工具软件可选择设定不同天线和对应的天线驻留时间，实现天线周期性分时工作；也可转换到实时控制模式，根据上位机的命令即时切换天线，用户可以灵活的实时控制系统运行状态并能辨识关联每一天线对应读取到的标签数据信息。还可通过内部电路跳接将串口改为GPIO口，通过计算机或超高频RFID读写器的GPIO信号(N路GPIO信号可控制2^N个天线，N≤5)控制多天线的使用，从而辨识出每一天线对应读取到的标签数据。天线指示单元可以实时显示每个天线的工作状态。本发明可以减少读写器使用数量，降低RFID系统布建成本，增加读写器的读写范围，有利于UHF RFID和物联网技术应用的进一步推广。结合本例，说明如下：

1、UHF RFID天线分工器，包括读写器射频输入端口、天线射频端口、射频开关阵单元、MCU控制单元、时钟单元、存储单元、串口/GPIO接口单元、天线指示单元、电源接口等(附图1所示)，

a)对于射频开关阵单元，由大功率高线性度的射频开关(本例的射频开关采用Skyworks公司的AS193-73)组成，采用镜像对称结构排布(附图2所示)，连接每一射频通路的微带线尺寸相同，使得每一射频通路都有相同射频性能，具有低插损、低回波损耗、高隔离度、高的1dB压缩点和三阶交调特性等优点，最大程度减小对读写器发射功率和接收灵敏度的影响。

b)对于MCU控制单元，采用高性能微处理器，由时钟单元提供参考时钟信号。MCU程序分为主体程序、循环控制组件、通信组件三部分，采用异步工作方式，功能相对独立。MCU程序运行分为实时控制和周期循环两种模式。在实时控制模式下，程序可以根据上位机的命令即时切换天线，用户可以灵活的控制系统运行状态，并能辨识出每一天线对应关联读取到的标签数据信息，方便二次应用开发。在周期循环模式下，通过串口，利用天线分工器工具软件配置串口端口、选定天线和天线驻留时间(5ms-65531ms)等参数，程序根据配置参数运行，仅在修改参数时需要上位机的支持，使用户获得更小的系统开销。

主体程序部分(附图3所示)主要功能是分析上位机指令，并响应相关指令。系统加电启动后初始化外设，然后默认载入保存参数以循环模式运行，直到从上位机获得其他指令命令(模式修改、实时控制和周期循环配置)。系统收到上位机指令后会根据当前运行模式响应不同的指令，模式修改指令任何情况下都会得到即时响应，立即切换模式。在实时控制模式下系统会随着上位机的指令即时切换信号的导向。在周期循环模式下，系统会在收到上位机的周期配置指令后，从数据包中提取出参数并存储至存储单元中更新参数表，定时控制组件会立即使用被更新的参数。应用两项技术实现实时性要求：1、采用固定变量表保存参数，以提高访问速度；2、主程序算法使用高优先级中断和数据缓存技术，减少响应时间。

循环控制组件(附图4所示)通过内部定时器，每1ms运行一次，判断每个天线的状态并根据预设的天线驻留时间计时控制射频开关阵单元，实现天线的定时切换，使得读写器天线端口分别连通不同的天线工作。

通信组件采用RS-232串口，19200-8-N-1，无协议透传，使用向量表和数据缓存技术解析命令数据包。

c)对于串口/GPIO接口单元，

通过RS-232串口，利用天线分工器工具软件选择设定任意天线和对应的天线驻留时间(5ms一65531ms)，实现天线周期性分时工作；或者系统转换到实时控制模式，根据上位机的命令即时切换天线，用户可以灵活的实时控制系统运行状态并能辨识关联每一天线对应读取到的标签数据信息。

通过内部电路跳接可以将串口转换到GPIO口(含逻辑信号转换电路)，利用计算机或超高频RFID读写器的GPIO信号(例如3路GPIO信号可控制2³＝8个天线)控制多天线的使用，并能辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息，简单方便。

d)对于天线指示单元，可以实时显示每个天线的工作状态。

天线分工器工具软件(附图5所示)，用户界面简单易操作，通过打开串口端口，选择不同的天线和天线驻留时间等参数，并将参数配置保存在存储单元，实现天线周期性分时工作。

Claims (4)

1.一种UHF RFID天线分工器，其特征在于：包括读写器射频输入端口、天线射频端口、射频开关阵单元、MCU、时钟单元、存储单元、接口单元、天线指示单元和电源接口；

电源接口为本天线分工器提供电源；

所述读写器射频输入端口连接射频开关阵单元的射频输入端，射频开关阵单元的各个射频输出端分别连接多个天线；

时钟单元为MCU提供时钟信号；MCU连接存储单元；天线指示单元用来指示射频开关阵单元中的天线端口工作状态；

接口单元包括串口和GPIO接口，二者通过内部电路跳接来转换：

a、MCU的输入/输出端连接串口，MCU输出控制信号给射频开关阵单元，控制相应射频通路的开关；

b、GPIO接口通过逻辑处理电路连接射频开关阵单元，控制相应的射频通路开关；逻辑处理电路对来自GPIO接口的控制信号进行反相处理；

对于串口方式下，本天线分工器分为实时控制和周期循环两种工作模式：

所述MCU接受上位机的指令，对本天线分工器的进行实时控制和周期循环两种模式的切换；

在实时控制模式下，MCU根据上位机的需要即时切换天线，由用户通过上位机命令集来控制射频开关阵单元中射频通路的开关，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息；

在周期循环模式下，用户通过上位机来配置选定天线和天线驻留时间参数；MCU根据配置参数自动周期循环运行；仅在修改参数时由上位机的支持；

对于GPIO接口方式下，用户通过GPIO接口输入控制信号，由逻辑处理电路对该控制信号进行反相处理，由输入控制信号和反相信号共同控制射频开关阵单元射频通路的开关，从而对本天线分工器进行实时控制，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息。

2.根据权利要求1所述的UHF RFID天线分工器，其特征是对于射频开关阵单元，由大功率高线性度的射频开关组成，这些射频开关采用镜像对称结构排布，连接每一射频通路的微带线尺寸相同，使得每一射频通路具有相近的射频性能。

3.根据权利要求1所述的UHF RFID天线分工器，其特征是所述MCU的工作流程包括：

先初始化，读入配置信息，默认以周期循环模式运行；

等待上位机命令，如果上位机命令是实时控制方式，则继续运行；

否则，如果已配置成周期循环模式，则当前为周期循环模式，进行配置相关天线驻留时间等参数并存储；

如果没有配置成周期循环模式，则要设置成周期循环模式或实时模式。

4.根据权利要求1所述的UHF RFID天线分工器，其特征是：

实时控制模式下，MCU根据上位机的命令集来控制射频开关阵单元射频通路的开关，从而对本天线分工器进行实时控制，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息；

周期循环模式下，MCU使用高优先级中断和数据缓存方法，减少响应时间；采用固定变量表保存参数，以提高访问速度；MCU相应的循环控制组件通过内部定时器，每1ms运行一次，判断每个天线的状态，并根据预设的天线驻留时间计时控制射频开关阵单元，实现天线的定时切换，使得读写器天线端口分别连通不同的天线工作；

GPIO接口方式下，用户通过GPIO接口输入控制信号，由逻辑处理电路对该控制信号进行反相处理，共同控制射频开关阵单元射频通路的开关，从而对本天线分工器进行实时控制，并辨识出每一天线对应读取到的标签数据信息。

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