CN110728338B

CN110728338B - 一种rfid读写器系统以及功率校准方法

Info

Publication number: CN110728338B
Application number: CN201910919863.1A
Authority: CN
Inventors: 闫双超; 陈孝龙
Original assignee: Beijing Zhibo Shengyuan Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Zhibo Shengyuan Technology Co ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: CN110728338A

Abstract

本发明公开一种RFID读写器系统以及功率校准方法，包括耦合器、功率检测器和功率细调寄存器，所述耦合器一端口与RFID读写器射频收发机的发射端连接，所述耦合器的另一端口与所述功率检测器的一端口连接，所述功率检测器的另一端口与主控制器连接，功率细调寄存器设置在所述数字基带的输出端口。本发明将提高了RFID读写器输出功率和输出功率调节步长的精度控制，减少读写器系统功耗的同时满足RFID读写器与RFID标签之间不用距离的良好通信。

Description

一种RFID读写器系统以及功率校准方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种RFID读写器系统以及功率校准方法。

背景技术

无线通信技术的发展，对无线通信芯片的要求越来越高，既要求通信质量，也要求通信距离。无线通信系统的通信距离由多方面因素决定，在射频芯片方面主要受限于接受机灵敏度和发射机输出功率两大因素。无线通信系统一方面要求发射机输出功率满足通信协议要求，另一方面要求发射机输出功率可以精确调节以满足通信场景要求。如附图4所示，射频通信芯片通常由三个主要的子系统组成，即接收机、发射机和频率综合器。

超高频(Ultra High Frequency：UHF)射频识别(Radio FrequencyIdentification：RFID)通信系统由RFID读写器和RFID标签两大部分组成。RFID读写器是有源系统，可以直接外接电源供电，标签是无源系统，无法直接外接电源供电。RFID读写器通过天线向空间发射电磁波，RFID标签通过线圈接收空间电磁波并转化成电能给自己供电，如图5所示。

如图6所示，实际应用场景中，标签和RFID读写器两者之间的距离不确定。当两者之间距离较远时，由于电磁波空间长距离衰减大，要求RFID读写器能够发射大功率电磁波，以便能够激活标签，保证两者正常通信。当两者之间距离较近时，由于电磁波空间短距离衰减小，要求RFID读写器能够发射小功率电磁波，能够顺利激活标签，同时减少读写器系统功耗。这就要求RFID读写器输出功率可以调节，以满足不同距离通信应用场景，业界普遍要求功率可调范围为：15dBm--30dBm，调节步长：1dBm，调节精度：+-0.5dBm。

对于RFID读写器系统，业界要求其最大输出功率达到：30dBm。这就要求读写器能够输出1W功率，因此很难全部片内集成功率放大器，以满足系统输出功率要求。常用的实现方案为：读写器芯片内部集成小功率放大器，读写器芯片外部单独放置一个功率放大器芯片，两者串联工作，实现系统输出功率要求，目前业界主流实现方案如图7所示。

传统RFID读写器功率调节工作原理如下：

RFID发射通道主要由基频DAC、混频器(Mixer)，片内功率放大器，片外功率放大器四大部分组成。混频器增益可以寄存器调节(例如寄存器：Mixer_Gain<N:0>)，片内功率放大器增益可以寄存器调节(例如寄存器：PA_Gain<N:0>)，因此通过调节这两个寄存器值，可以实现RFID读写器输出功率调节。

对于RFID读写器通信系统，精确调节输出功率是个难点，影响系统输出功率精度的主要因素如下：

1、芯片的制造工艺因素，不同芯片，同样的寄存器配置，混频器增益和功率放大器增益存在偏差，导致不同芯片的输出功率会有一定偏差。

2、PCB制版的工艺因素，不同的PCB板，不同走线阻抗，会对输出功率产生影响。

3、片外元器件因素，不同RFID读写器，元器件存在偏差，会对输出功率产生影响。

4、工作环境温度因素，不同的工作环境温度，同样的配置，芯片输出功率会发生很大变化，温度越高，输出功率越小，温度越低，输出功率越大。

目前传统功率调节方案存在如下几个缺陷：

1、由于上述几个因素的影响，导致RFID读写器输出功率大小没法精确控制。

2、由于上述几个因素的影响，导致RFID读写器输出功率调节步长无法精确控制。

3、RFID读写器工作环境温度要满足-40℃到85℃工业要求，随着工作温度的变化，系统输出功率会发生很大变化，目前的功率调节方案无法解决温度对功率的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种RFID读写器系统以及功率校准方法。在所述系统及方法中，

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种RFID读写器系统，包括双工器、低噪声放大器、混频器、基频ADC、基频DAC、频率综合器、片内功率放大器、片外功率放大器、数字基带、上混频器增益寄存器和片内功率放大器增益寄存器，还包括耦合器、功率检测器和功率细调寄存器，所述耦合器一端口与RFID读写器射频收发机的发射端连接，所述耦合器的另一端口与所述功率检测器的一端口连接，所述功率检测器的另一端口与主控制器连接，所述功率细调寄存器设置在所述数字基带的输出端口，其中：

所述耦合器，用于将所述片外功率放大器输出功率耦合给所述功率检测器；

所述功率检测器，用于接受所述耦合器耦合的功率，并检测RFID读写器输出功率，以输出电压的形式送给主控制器；

所述功率细调寄存器，用于当所述RFID读写器射频收发机发射单载波信号时，所述数字基带发送给所述基频DAC的数字码增益精确可调。

优选地，所述耦合器为定向耦合器。

一种应用上述任意一项RFID读写器系统的功率校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1,获取功率检测器的输出电压，通过功率与电压的拟合公式，计算出RFID读写器实际输出功率值；

步骤2，将步骤1中所得的所述RFID实际输出功率值与预设目标值相减，相减所得绝对值小于系统规定的误差容限，则停止校准，若相减所得绝对值大于系统规定的误差容限，则转值步骤3；

步骤3，将RFID实际输出功率值与预设目标值进行对比，若所述实际输出功率值小于所述预设目标值，则转至步骤4，若所述实际输出功率值大于所述预设目标值，则转至步骤5；

步骤4，增加所述功率细调寄存器的值，并转至步骤1；

步骤5，减少所述功率细调寄存器的值，并转至步骤1。

优选地，所述拟合公式为通过测量RFID读写器输出功率和所述功率检测器的输出电压，获得两者对应表，根据所述对应表拟合出对应的公式。

优选地，所述拟合公式是提前存储在所述主控制器内，供所述上位机软件调用计算使用。

优选地，所述目标值是通过上位机软件预先设定的配置。

基于上述技术方案，本发明的有益效果是：

1)、本发明的功率校准技术方案解决了由于芯片的制造工艺因素、PCB制版的工艺因素、片外元器件因素和工作环境温度因素所导致的系统输出功率大小无法精确控制的问题。

2)、本发明的功率校准技术方案解决了由于芯片的制造工艺因素、PCB制版的工艺因素、片外元器件因素和工作环境温度因素所导致的输出功率调节步长无法精确控制的问题。

3)、本发明的功率校准技术方案解决了环境温度对RFID读写器输出功率的影响，实时校准，RFID读写器工作环境温度在-40℃到85℃范围内变化时，读写器输出功率变化很小。

附图说明

图1：本发明一种RFID读写器系统的原理框图；

图2：本发明一种RFID读写器系统的流程图；

图3：本发明一种RFID读写器系统的实施例一的原理框图；

图4：原射频通信芯片系统的原理框图；

图5：原超高频射频识别通信系统的原理框图；

图6：原超高频射频识别通信系统使用状态图；

图7：原RFID读写器系统的原理框图。

具体实施方式

本发明提供的功率校准技术方案如图1所示，在传统方案的基础上增加了如下功能：

1)增加了功率耦合器(Coupler)和功率检测器，用于检测RFID读写器输出功率，并以输出电压的形式送给主控制器，主控制器检测输出电压大小，准确计算读写器输出功率。

2)在传统功率粗调的基础上，在数字基带端增加了功率细调寄存器：DBB_Gain<N:0>，当RFID读写器发射单载波信号时，数字基带送给基频DAC的数字码增益精确可调。

如图1、2所示，本发明提供的功率校准技术工作原理分为功率粗校准和实时功率精校准两大部分：

功率粗校准：

1、业界要求RFID读写器输出功率调节范围：15dBm--30dBm，调节步长：1dBm，调节精度：+-0.5dBm；

2、功率细调寄存器：DBB_Gain<N:0>配置成中间值，通过配置片内功率放大器增益寄存器：PA_Gain<N:0>和上混频器增益寄存器：Mixer_Gain<N:0>，找到一组最佳配置组合使RFID读写输出功率最接近15dBm；

3、重复上述步骤，依次找到不同的配置组合，使RFID读写器输出功率分别最接近16dBm/17dBm/…/30dBm。

4、RFID读写器输出功率为15dBm/16dBm/…/30dBm时，把分别对应的片内功率放大器增益寄存器：PA_Gain<N:0>和上混频器增益寄存器：Mixer_Gain<N:0>，存储在主控制器里面。主控制器根据需要，配置RFID读写器不同输出功率，上位机软件直接调用不同功率对应的寄存器组合进行配置，完成RFID读写器输出功率粗调。

实时功率精校准：

1、主控制器根据需求，配置片内功率放大器增益寄存器：PA_Gain<N:0>和上混频器增益寄存器：Mixer_Gain<N:0>，此时RFID读写器输出功率和目标值有一定的偏差，该偏差随温度变化而变化，造成RFID读写器输出功率偏差；

2、功率细调寄存器：DBB_Gain<N:0>越大，系统输出功率越大。其调节步长可以很小：<0.05dBm，调节范围：+-3dBm，完全可以补偿各种因素导致的功率偏差。

3、功率耦合器把RFID读写器外部功率放大器输出功率耦合给功率检测器芯片，避免功率检测器和外部功率放大器直接相连，影响外部功率放大器工作和效率。功率检测器检测RFID读写器输出功率，并以输出电压的形式反映RFID读写器输出功率大小，RFID输出功率越大，功率检测器输出电压越高。

4、通过测量RFID读写器输出功率和功率检测器的输出电压，可以得到两者对应表，根据该对应表可以拟合出两者的对应公式，将该公式存储在主控制器里面，供上位机软件调用计算使用；

5、功率检测器的输出电压送给主控制器，主控制通过内部ADC采样计算出该电压具体值，软件根据功率和电压的拟合公式，计算出RFID读写器实际输出功率值；

6、上位机软件对比RFID实际输出功率值和目标值：如果计算得出的RFID实际输出功率值小于目标值，则增加功率细调寄存器DBB_Gain<N:0>的值，如果计算的RFID输出功率值大于目标值，则减少功率细调寄存器DBB_Gain<N:0>的值，直至两者差异小于系统规定的误差容限，校准暂停；

7、当工作环境温度变化时，RFID读写器输出功率会发生变化，一旦输出功率偏离目标值超过误差容限时，校准功能被触发，重复上述校准过程，实现RFID读写器输出功率实时校准，减少温度对功率的影响。

实施例一

本发明提供的功率校准技术方案具体实施例如图3所示，片内功率放大器增益寄存器为3bits：PA_Gain<2:0>，上混频器增益寄存器为3bits：Mixer_Gain<2:0>，用于功率细调的数字基带增益寄存器为8bits：DBB_Gain<7:0>。

功率粗校准：

1、本次实施例中的RFID读写器输出功率变化范围：15dBm--30dBm，调节步长：1dBm。

2、设置功率细调寄存器：DBB_Gain<7:0>＝1000,0000。

3、当PA_Gain<2:0>＝000，Mixer_Gain<2:0>＝000，读写器输出功率最接近15dBm，记录其准确输出功率值：P0，同时测量功率检测器的输出电压：V0；

当PA_Gain<2:0>＝000，Mixer_Gain<2:0>＝001，读写器输出功率最接近16dBm；记录其准确输出功率值：P1，同时测量功率检测器的输出电压：V1；

依次类推；

当PA_Gain<2:0>＝111，Mixer_Gain<2:0>＝111，读写器输出功率最接近30dBm；

记录其准确输出功率值：P15，同时测量功率检测器的输出电压：V15；

4、把输出功率15dBm--30dBm变化时，将分别对应的片内功率放大器增益寄存器：PA_Gain<2:0>和上混频器增益寄存器：Mixer_Gain<2:0>存储在主控制器里面；

5、根据记录的16组数据：<V0，P0>，<V1，P1>，…，<V15，P15>，拟合出RFID读写器输出功率：P和功率检测器输出电压：V的具体公式，本次实施例的公式为：P＝33.11*(V-0.605)+10.1，把该公式存储在主控制器里面，上位机软件根据功率检测器的输出电压，就可以计算出RFID读写器实际输出功率值；

实时功率精校准：

1、主控制器根据需要，配置RFID读写器不同的输出功率，例如配置30dBm输出功率，上位机软件配置寄存器：PA_Gain<2:0>＝111，Mixer_Gain<2:0>＝111，完成RFID读写器输出功率粗调。此时RFID读写器实际输出功率和目标输出功率(30dBm)有一定的偏差，该偏差随温度的变化而变化。

2、主控制通过内部ADC定时采样功率检测器的输出电压，并计算出该电压具体值，软件根据输出功率和输出电压的拟合公式，根据电压计算出读写器输出功率大小；

3、本实施例中，当软件配置RFID读写器30dBm输出功率时，功率检测器输出电压为1.2V，根据公式：P＝33.11*(V-0.605)+10.1，计算出实际输出功率为：29.5dBm；

4、实际输出功率(29.5dBm)比目标输出功率(30dBm)小0.5dBm；软件增加功率细调寄存器DBB_Gain<7:0>的值，增加步长越小，精度越高，校准时间越长。本实施例中，每次调整步长为1，DBB_Gain<7:0>由1000,0000变为1000,0001。

5、软件调整寄存器DBB_Gain<7:0>完毕后，重复2、3、4步骤，继续计算出实际输出功率大小，然后根据读写器实际输出功率和目标功率的差值，继续调整寄存器DBB_Gain<7:0>，直至两者误差小于误差容限(+-0.2dBm)，校准暂停；

当工作环境温度变化时，RFID读写器输出功率会发生变化，一旦输出功率偏离目标值超过误差容限，校准功能被触发，重复上述校准过程，实现RFID读写器输出功率实时校准，减少温度对RFID读写器输出功率的影响，直至两者差异小于系统规定的误差容限(+-0.2dBm)，校准暂停；

以上所述仅为本发明所公开的一种RFID读写器系统的优选实施方式，并非用于限定本说明书实施例的保护范围。凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的保护范围之内。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书实施例中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims

1.一种RFID读写器系统，包括双工器、低噪声放大器、混频器、基频ADC、基频DAC、频率综合器、片内功率放大器、片外功率放大器、数字基带、上混频器增益寄存器和片内功率放大器增益寄存器，其特征在于，还包括耦合器、功率检测器和功率细调寄存器，所述耦合器一端口与RFID读写器射频收发机的发射端连接，所述耦合器的另一端口与所述功率检测器的一端口连接，所述功率检测器的另一端口与主控制器连接，所述功率细调寄存器设置在所述数字基带的输出端口，其中：

所述功率细调寄存器，用于当所述RFID读写器射频收发机发射单载波信号时，所述数字基带发送给所述基频DAC的数字码增益精确可调，

所述RFID读写器系统的功率校准方法，包括如下步骤：

步骤1，获取功率检测器的输出电压，通过功率与电压的拟合公式，计算出RFID读写器实际输出功率值；

步骤4，增加所述功率细调寄存器的值，并转至步骤1；

步骤5，减少所述功率细调寄存器的值，并转至步骤1。

2.根据权利要求1所述的一种RFID读写器系统，其特征在于，所述耦合器为定向耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种RFID读写器系统的功率校准系统，其特征在于，所述拟合公式为通过测量RFID读写器输出功率和所述功率检测器的输出电压，获得两者对应表，根据所述对应表拟合出对应的公式。

4.根据权利要求1所述的一种RFID读写器系统的功率校准系统，其特征在于，所述拟合公式是提前存储在所述主控制器内，供上位机软件调用计算使用。

5.根据权利要求1所述的一种RFID读写器系统的功率校准方法，其特征在于，所述目标值是通过上位机软件预先设定的配置。