CN106127091A - 一种基于dsp的智能uhfrfid阅读器 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频识别(RFID)技术领域，涉及一种基于DSP的智能UHF RFID阅读器。其特征在于：该阅读器以DSP芯片作为基带的核心处理器，由射频模块、读写模块、阵列天线等模块构成射频前端，采用智能波束切换算法、功率可控算法，支持ISO/IEC18000‑6C协议，工作频率范围是902～928MHz，最大识别距离是20米。该阅读器主要特征是体积小、成本低、识别距离远、识别速度快、覆盖区域大，智能的识别各扇区标签，可以对物体进行物理定位，而且系统工作稳定。

Description

一种基于DSP的智能UHF RFID阅读器

技术领域

本发明属于射频识别(RFID)技术领域，涉及一种基于DSP的智能UFH RFID阅读器。

背景技术

近年来，随着信息技术的发展，物联网已经发展成为一门新兴产业，作为物联网的基础之一，射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)已成为人们越来越关注的技术。射频识别技术目前已被广泛应用于工业自动化、商品流通、物流管理等领域。RFID系统主要由三部分组成：应答器(射频卡和电子标签)、阅读器(读写器和基站)和上位机主系统(中间件与网络应用)。阅读器作为RFID系统的重要组成部分，是实现无线数据通信的关键因素，因此成为当今的研究热点之一。但是在RFID系统中，阅读器因受发射功率的限制，造成最大识别区域仅在10米左右，识别区域受到很大限制；固定的天线辐射方向图和识别区域内多个标签反射信号的相互干扰，造成阅读器的识别率很难达到100％；常见的宽波束、低增益的辐射方向图会造成识别目标定位误差大。

阅读器的发射功率和阅读器的最大识别距离关系如式(1)：

$R=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{P_{TX}{G}_{TX}{G}_{Tag}p\mathrm{\τ}}{P_{th}}}---\left(1\right)$

式中，P_TX为阅读器的发射功率，G_TX为阅读器天线的增益，P_TXG_TX是等效全向辐射功率(EIRP)，G_Tag为标签增益，p为阅读器天线和标签天线的极化匹配因子，τ为标签天线和标签芯片的功率传输因子，P_th为激活标签芯片的最小接收功率。由于规定的阅读器天线辐射EIRP最大值是受限的，例如美国联邦通信委员会(FCC)规定EIRP的最大值是4W，如果使用能够产生多个高增益波束的相控阵天线，EIRP可以在某一个短时间内在某个方向超过4W，在计算平均功率时，它具有与低方向性、固定波束天线相同的平均功率，因为波束在多个方向上采用不同功率扫描，从而减小了平均功率。

根据公式(1)知在其他参数不变的情况下，增加识别距离就要增加发射功率或者增加阅读器天线增益，单天线形成一个低增益的固定波束，波束切换型阵列天线形成一个高增益的窄波束，然后按“时间分割”原理产生多个固定方向的窄波束，波束可以在多个方向上扫描，总的识别区域得以扩展。图1为波束切换型阵列天线扫描示意图，控制阵元激励相位形成五个波束，按照各个识别区域的标签数目等情况自适应控制波束的扫描顺序、驻留时间和扫描间隔时间(在同一扫描区域不同功率所对应的各自扫描时间)，实现空间区域的扫描，波束狭窄，但波束总覆盖面积大于单个低增益宽波束的覆盖面积。此外，波束切换型阵列天线的高定向性、较小的波束跃度和较高的角度分辨率可以提高RFID定位的精度，空分多址技术(SDMA)可以减少或避免碰撞，有效的减少多径干扰，提高标签识别率。

综上，本发明设计了一种基于DSP的智能UFH RFID阅读器，相 比于现有的阅读器其主要优点是采用智能波束切换算法和功率可控算法、体积小、成本低、识别速度快、最大识别距离远、覆盖区域大、碰撞率低、对物体定位精度高等。

发明内容

本发明根据上述问题提供了一种基于DSP的智能UFH RFID阅读器。该阅读器系统主要由基带控制部分和射频前端构成。基带控制部分采用DSP处理器，DSP主要完成指令的接收和发送、数字信号的处理、实现智能波束切换算法和功率可控算法、实现读写器和上位机的串口通信功能。射频前端部分是阅读器的信号处理部分，主要完成调制和解调、功率放大、杂波滤除、功率分配和合成，确保了信号的正确收发。

阅读器的具体设计方案是：

(一)提出智能波束切换算法和功率可控算法

根据各个扇区的标签数目、通信时间等情况自适应控制波束的扫描顺序、驻留时间和扫描间隔时间(在同一扫描区域不同功率所对应扫描时间)。

(二)射频发射电路

射频发射电路主要实现射频信号的产生、滤波、放大以及通过功率分配器和数字移相器经天线发送到标签上。基带DSP处理器基于ISO/IEC18000-6C协议实现智能波束切换算法和功率可控算法，其发出指令给射频模块，射频模块编码并将该信号调制成915MHz的超高频信号，然后发送给平衡/不平衡变压器，平衡/不平衡变压器将由射 频模块采用双端差分输出的平衡发射信号，变成带通滤波器所需的单端输入信号，再经过可编程功率放大器RDA2032Z和功率放大器spa-2118对信号进行放大，确保发送的信号辐射范围达到20米的设计目标，信号通过定向耦合器传输给功率分配器和数字移相器，四路信号经数字移相器处理，最后生成915MHz的超高频信号经天线发送出去。

(三)射频接收电路

扫描区域内的标签经天线、数字移相器、功率合成器、定向耦合器、带通滤波器、低噪声放大器发送信号给射频模块，经DSP处理得到标签信息。标签返回的信号经天线传送回射频接收电路，返回信号首先经数字移相器和功率合成器(功率分配器)传输给定向耦合器，再通过带通滤波器滤除杂波，有用信号再经低噪声放大器放大，通过平衡/不平衡变压器传送到射频模块，射频模块再把接收到的信号调制、解调，把解码后的信息传送给DSP，最终在PC上显示出标签的信息。

附图说明：

图1是本发明波束扫描示意图；

图2是基于DSP的智能UHF RFID阅读器框图；

具体实施方式：

本发明的主旨是提出一种基于DSP的智能UFH RFID阅读器，该阅读器是采用智能波束切换算法和功率可控算法，以DSP芯片作为基带处理器，由射频模块、变压器模块、功率放大器、带通滤波器、定向耦合器、低噪声放大器、功率分配器和数字移相器等模块构成。

下面结合附图1、附图2对本发明实施方式作进一步地详细描述。

基带DSP处理器基于ISO/IEC18000-6C协议实现智能波束切换算法和功率可控算法，其发出指令给射频模块，射频模块编码并将该信号调制成915MHz的超高频信号，然后发送给平衡/不平衡变压器，将由射频模块采用双端差分输出的平衡发射信号，变成带通滤波器所需的单端输入信号，再经过由DSP控制的可编程增益功率放大器对信号进行不同级别的放大，确保发送的信号辐射范围达到设计目标，通过定向耦合器传输给功率分配器和数字移相器，数字移相器通过DSP实现的智能波束切换算法，使天线阵形成不同指向的波束，最后915MHz的超高频信号经天线发送出去；标签返回的信号经天线传送回射频接收电路，返回信号首先经数字移相器和功率合成器(功率分配器)传输给定向耦合器，再通过带通滤波器滤除杂波，有用信号再经低噪声放大器放大，把一路放大后的不平衡信号经过平衡/不平衡变压器输出两路平衡信号传送到射频模块，射频模块再把接收到的信号调制、解调，把解码后的信息传送给DSP，最终在PC上显示出标签的信息。

具体实现时，本发明实施例对实现相似功能所选用芯片种类不做限制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于DSP的智能UHF RFID阅读器，包括基带控制部分和射频前端部分，基带控制部分采用DSP芯片作为基带的核心处理器，射频前端部分由射频模块、读写模块、阵列天线等模块构成。

2.一种基于DSP的智能UHF RFID阅读器，采用智能波束切换算法和功率可控算法，这两种算法是根据各个扇区的标签数目、通信时间等情况自适应控制波束的扫描顺序、驻留时间和扫描间隔时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的智能UHF RFID阅读器，其特征在于：该阅读器工作频率范围是902～928MHz。

4.根据权利要求2所述的一种基于DSP的智能UHF RFID阅读器，其特征在于：该阅读器采用高增益、窄波束，通过智能阵列天线形成窄波束实现智能波束切换算法。

5.根据权利要求2所述的一种基于DSP的智能UHF RFID阅读器，其特征在于：该阅读器采用两级放大模式，通过可编程增益功率放大器实现功率可控算法。