CN112949328A - 工业级超高频rfid读写装置及rfid射频识别系统 - Google Patents

工业级超高频rfid读写装置及rfid射频识别系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种工业级超高频RFID读写装置包括：接收通道模块、空气接口协议处理中心模块以及发射通道模块，所述接收通道模块用于接收来自前端的超高频的天线信号并将所述天线信号调整成差分信号，所述空气接口协议处理中心模块用于处理所述差分信号生成正交I、Q数字信号，所述发射通道模块用于调制所述正交I、Q数字信号并发送给后端处理系统；所述接收通道模块包括：依次连接的零中频接收机单元、可调滤波器单元、自动增益控制放大器单元以及数字外调式解码单元。本发明的RFID读写装置具备远距离数据传输以及数据采集功能，能够满足工业级超高频RFID射频识别系统的需求，能够进一步提高了工业生产的效率。

Description

工业级超高频RFID读写装置及RFID射频识别系统
技术领域
本发明属于无线射频技术领域，尤其涉及一种工业级超高频RFID读写装置及RFID射频识别系统。
背景技术
目前基于条形码的生产管理系统使各种质量分析和控制得以方便地实现，而条形码技术有其优点，也有其明显的缺点，如易被污染、易被折损、扫描距离近等，批量识读效率不高，无法满足快速高效的需求。利用RFID电子标签、条形码、传感器采集生产线现场的实时数据，把读到的数据通过网络(有线或无线)传给上位设备(控制器或计算机)，然而要管理松散的传感器就需要一种全新的、可以自动发现并组织网络的管理机制。采用的方法是部署RFID读写器，同时建立读写器网络连接，解决读写器网络的规划、优化和控制问题。物品上的RFID标签，配合连成网络的RFID读写器，每一次识别就意味着对物品的一次追踪。目前RFID技术在智能制造业中的应用特点有以下几点：
1、数据实时共享
在制造企业生产过程中，生产线及时准确地反馈信息是十分重要的。以往只能一边生产一边手工记录故障，生产完成后统计汇总这些来源于各道工序的信息，费时费力，且有时不能做到非常精确。在生产线各道工序安装RFID识读设备，并在产品或托盘上放置可反复读写的RFID电子标签。这样，当产品通过这些节点时，RFID读写设备即可读取到产品或托盘上标签内的信息，并将这些信息实时反馈到后台的管理系统中，管理者就可及时了解生产线工作状况了。
2、标准化的生产控制
RFID系统可提供不断更新的实时数据流，与制造执行系统互补，RFID提供的信息可用来保证正确使用机器设备、工具和零部件等，从而实现无纸化信息传递并减少停工待料时间。更进一步，当原材料、零部件和装配件通过生产线时，可以进行实时控制、修改甚至重组生产过程，以保证生产的可靠性和高质量。
3、质量跟踪和追溯
在实施RFID系统的生产线上，产品质量是由分布在若干处的一些测试岗位来检测的。在生产结束时或产品验收前必须能用该工件所有先前收集到的数据明确地表达其质量。利用RFID电子标签可以很方便地做到这一点，因为在整个生产过程中所取得的质量数据已经随产品走下生产线。
因此，针对工业产线的需求，目前急需一种具备远距离数据传输以及数据采集功能的工业级超高频RFID读写器。
发明内容
本发明提供一种工业级超高频RFID读写装置及RFID射频识别系统，能够应用于工业产线上，实现远距离数据传输和数据采集。
一方面，本发明实施例提供了一种工业级超高频RFID读写装置，包括：接收通道模块、空气接口协议处理中心模块以及发射通道模块，所述接收通道模块包括：依次连接的零中频接收机单元、可调滤波器单元、自动增益控制放大器单元以及数字外调式解码单元，所述零中频接收机单元用于接收来自前端的超高频的天线信号，所述天线信号经所述可调滤波器单元的滤波处理以及所述自动增益控制放大器单元的放大处理后进入所述数字外调式解码单元以得到解码后的差分信号，所述接收通道模块用于接收来自前端的超高频的天线信号并将所述天线信号调整成差分信号，所述空气接口协议处理中心模块用于处理所述差分信号生成正交I、Q数字信号，所述发射通道模块用于调制所述正交I、Q数字信号并发送给后端处理系统。
根据本发明的一实施方式，所述零中频接收机单元包括IQ正交解调器电路，所述IQ正交解调器电路包括差分器、功率放大器以及线性低噪声混频器，所述差分器用于将所述天线信号处理成所述差分信号，所述功率放大器用于调整本振信号的功率，所述线性低噪声混频器用于混频处理所述差分信号和所述本振信号得到中频信号。
根据本发明的另一实施方式，所述IQ正交解调器电路包括第一功率放大器、第二功率放大器、第一线性低噪声混频器和第二线性低噪声混频器，所述第一功率放大器用于调整I本振信号的功率，所述第二功率放大器用于调整Q 本振信号的功率，所述第一线性低噪声混频器用于混频处理所述差分信号和所述I本振信号得到Q通道中频信号，所述第二线性低噪声混频器用于混频处理所述差分信号和所述Q本振信号得到I通道中频信号。
根据本发明的另一实施方式，所述线性低噪声混频器为无源双平衡开关混频器。
根据本发明的另一实施方式，所述无源双平衡开关混频器的工作电压为 3V，所述无源双平衡开关混频器的工作电流小于10mA，所述无源双平衡开关混频器的转换增益大于或等于(-4)dB。
根据本发明的另一实施方式，所述数字外调式解码单元为相位补偿型解码器，所述相位补偿型解码器包括相连接的基带解调电路和解码电路，所述相位补偿型解码器用于将基带的模拟电压信号转换成二进制的数据信息。
根据本发明的另一实施方式，所述发射通道模块包括整形电路单元、调整选择器单元和发射功率调整器单元，所述正交I、Q数字信号通过所述整形电路单元进行波形整形后送到所述调制选择器单元按照预设调制方式进行调制并得到正交I、Q模拟信号，所述正交I、Q模拟信号经所述发射功率调整单元调整至选定的载波上发射出去。
根据本发明的另一实施方式，所述空气接口协议处理中心模块包括由B 型和C型共用的循环冗余校验电路单元、控制电路单元及B型和C型协议处理单元，所述空气接口协议处理中心模块通过数据总线与片外记忆体和微处理器进行数据信息交换，所述微处理器再通过UART接口和上位机进行数据交换。
根据本发明的另一实施方式，所述数据总线采用普通总线主导连接模块的方式。
本发明实施例还提供了一种RFID射频识别系统，包括上述所述的工业级超高频RFID读写装置。
本发明的有益效果：
本发明实施例的工业级超高频RFID读写装置包括三部分：接收通道模块，发射通道模块及空气接口协议处理中心模块(协议处理中心)。接收通道模块主要是由零中频接收机单元、可调滤波器单元、自动增益控制放大器单元以及数字外调式解码单元组成。其中零中频接收机单元11具有集成度高、成本低、工作频率高、外围电路少、功耗低、电平兼容性好的特点；数字外调式解码单元将滤波及数据检测的信号进行FMO编码，再通过米勒调制副载波序列 (MILLER)解码后将数据送往空气接口协议处理中心模块。本发明实施例的 RFID读写装置具备远距离数据传输以及数据采集功能，能够满足工业级超高频RFID射频识别系统的需求，能够进一步提高了工业生产的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的工业级超高频RFID读写装置的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的工业级超高频RFID读写装置的接收通道模块的一个实施例的结构示意图；
图3是本发明的IQ正交解调器电路的一个实施例的原理图；
图4是本发明的无源双平衡开关混频器的一个实施例的电路原理图；
图5是本发明的工业级超高频RFID读写装置的发射通道模块的一个实施例的结构示意图；
图6是本发明的工业级超高频RFID读写装置的空气接口协议处理中心模块的一个实施例的结构示意图；
图7是本发明的RFID射频识别系统的一个实施例的结构示意图；
图8是本发明的射频电路测试总体方案框架的一个实施例的结构示意图；
图9是本发明的射频电路测试系统的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种工业级超高频RFID读写装置1，包括：接收通道模块10、空气接口协议处理中心模块20以及发射通道模块30，其中，接收通道模块10包括：依次连接的零中频接收机单元11、可调滤波器单元12、自动增益控制放大器单元13以及数字外调式解码单元14，零中频接收机单元11用于接收来自前端的超高频的天线信号，天线信号经可调滤波器单元12的滤波处理以及自动增益控制放大器单元13的放大处理后进入数字外调式解码单元14以得到解码后的差分信号，空气接口协议处理中心模块20 用于处理差分信号生成正交I、Q数字信号，发射通道模块30用于调制正交I、 Q数字信号并发送给后端处理系统3。
需要说明的是，本发明实施例中超高频的天线信号的频率范围为：840 MHz～960MHz。
本发明实施例中工业级超高频RFID读写装置包括三部分：接收通道模块，发射通道模块及空气接口协议处理中心模块(协议处理中心)。接收通道模块主要是由零中频接收机单元11、可调滤波器单元12、自动增益控制放大器单元13以及数字外调式解码单元14组成。其中零中频接收机单元11具有集成度高、成本低、工作频率高、外围电路少、功耗低、电平兼容性好的特点；数字外调式解码单元14将滤波及数据检测的信号进行FMO编码，再通过米勒调制副载波序列(MILLER)解码后将数据送往空气接口协议处理中心模块。本发明实施例的RFID读写装置具备远距离数据传输以及数据采集功能，能够满足工业级超高频RFID射频识别系统的需求，能够进一步提高了工业生产的效率。
在一些实施例中，参见图3所示，本发明实施例的零中频接收机单元11 包括IQ正交解调器电路，IQ正交解调器电路包括差分器111、功率放大器112 以及线性低噪声混频器113，差分器111用于将天线信号处理成差分信号，功率放大器112用于调整本振信号的功率，线性低噪声混频器113用于混频处理差分信号和本振信号得到中频信号。需要说明的是，本发明实施例中对差分器111、功率放大器112以及线性低噪声混频器113的具体型号不做限定，只要能够满足本发明实施例的功能需求即可。IQ正交解调器电路是射频前端电路中进行频率变换的十分重要的模块，其中混频器单元采用线性低噪声混频器。
可选地，参见图3所示，本发明实施例IQ正交解调器电路包括第一功率放大器112a、第二功率放大器112b、第一线性低噪声混频器113a和第二线性低噪声混频器113b，第一功率放大器112a用于调整I本振信号的功率，第二功率放大器112b用于调整Q本振信号的功率，第一线性低噪声混频器113a 用于混频处理差分信号和I本振信号得到Q通道中频信号，第二线性低噪声混频器113b用于混频处理差分信号和Q本振信号得到I通道中频信号。
优选地，参见图4所示，本发明实施例的线性低噪声混频器为无源双平衡开关混频器。为实现较好的开关性能，本发明实施例中选择CMOS工艺来实现开关混频器，由于单端结构不可能完全消除非线性，且电源抑制比较差，因此采用差分形式。混频器采用电容负载，在图4中表示为CL，电容性负载本身不产生热噪声并有助于滤去高频噪声和失真。图4中本振信号VLO起到控制 MOS管的开和关的作用，直流电压VLO，DC与VBB，DC的选择应满足：VLO，DC-VBB，DC＝VT(VT是MOS管的阈值电压，DC为直流分量，VBB为基带Vif)。
优选地，本发明实施例的无源双平衡开关混频器的工作电压为3V，无源双平衡开关混频器的工作电流小于10mA，无源双平衡开关混频器的转换增益大于或等于(-4)dB，该无源双平衡开关混频器的CP1(输入1dB压缩点) ≥13dBm。
本发明实施例中本振信号是由快速锁定小数分频频率合成器PFD/CP得到：
一个锁相环有三大基本构件：VCO(压控振荡器)、分频器和PFD/CP(鉴频鉴相器)。PFD/CP在PLL中有着不可忽视的作用，它们之间的组合可以实现无限大的环路增益。
PLL是把输出相位和输入相位相比较的反馈系统，而输出相位和输入相位的比较由PD(鉴相器)完成。它产生一个输出电压
Figure RE-GDA0002435358460000061
此电压的平均分量正比于两输入信号的相位差Δφ。传输特性为：
Figure RE-GDA0002435358460000062
其中，Ad为鉴相灵敏度。功能表现在两个方面：相位相减以及将相位差变成电压。
在本方案中使用PFD(鉴频鉴相器)，既能检测相位差又可以检测频率差，又可以极大地提高锁相环的捕获范围和锁定速度。
在一些实施例中，参见图2所示，数字外调式解码单元14为相位补偿型解码器，相位补偿型解码器包括基带解调电路141和解码电路142。本发明实施例中发射通道模块采用了数字外调式解码结构，其中数字解调处理为相位补偿型处理方式，滤波及数据检测的信号送入解码电路，解码电路将进行FMO 编码，MILLER解码后将数据送往空气接口协议处理中心模块20。
在一些实施例中，参见图5所示，本发明实施例的发射通道模块30包括整形电路单元31、调整选择器单元32和发射功率调整器单元33，正交I、Q 数字信号通过整形电路单元31进行波形整形后送到调制选择器单元32按照预设调制方式进行调制并得到正交I、Q模拟信号，正交I、Q模拟信号经发射功率调整单元33调整至选定的载波上发射出去。
本发明实施例中发射通道模块30将从空气接口协议处理中心模块20获得所需发射数据，其为正交I、Q数字信号，再通过波形整形后送到调制选择器和发射功率调整。按照所选调制方式进行调制，如果是双边带调制(DSB)信号，则I或Q中的一路直接送出，经预信号调整后送到DAC数模转换器。若是单边带调制(SSB)信号，则会使一路信号通过希尔波特，将DSB信号变为SSB信号后再送出到DAC数模转换器，最后转换的I和Q模拟信号再被调制到选定的载波上，经放大的信号送出。
在一些实施例中，参见图6及7所示，本发明的空气接口协议处理中心模块20包括由B型和C型共用的循环冗余校验电路单元(CRC)21、控制电路单元22及B型和C型协议处理单元23，该空气接口协议处理中心模块20通过数据总线(BUS)与片外记忆体(EPROM)和微处理器(CPU)进行数据信息交换，微处理器(CPU)再通过UART接口和上位机进行数据交换。
本发明实施例的空气接口协议处理中心模块的由B型和C型共用的CRC 单元、控制电路单元及B型和C型协议处理单元构成，每个单元又是由FRAME 建立状态机，FRAME解析状态机和防冲突状态机组成，与片外记忆体和寄存器一起对空气接口协议进行处理，空气接口协议处理中心模块通过数据总线与记忆体、CPU和UART接口进行数据交换，并且还要支持处理B型和C型同时工作情况下的各协议的防冲突，顺序和重要性。
另外，本发明实施例中接收通道模块10和发射通道模块30的带宽，增益控制和频率控制均通过一条SPI总线接到协议处理中心。除了上面所述的三大部分外，数字电路还建立了一些辅助单元，例如：载波消除，空载检测，RSSI，自动增益控制等控制电路来协同达到对信号和模拟电路的控制。
本发明实施例的工业级超高频RFID读写装置的阅读器物理层(PHL)主要由数字信号解调器，数字信号调制器、数据解码器、数据编码器、协议处理器、存储器和数字总线组成，以便提供主要模块之间的互连。数据接收通道包括以下模块：标签返回前同步信号图形检测器、FM0数据解码器、MMS数据解码器、字节组成器。主要的协议处理模块包括：协议专用处理器、协议专用 CRC计算器、RF/模拟接口的控制逻辑电路。
在一些实施例中，本实施例的数据总线采用普通总线主导连接模块的方式。数据总线是用于总线主导外围设备与从动外围设备的普通互连线。与总线的连接可以通过普通总线主导连接模块来实现，当然也可以次啊用普通总线从动连接模块来实现。数据总线判别器接收到来自所有总线主导连接模块的总线请求信号；当总线主导连接模块将通过数据总线执行其循环时，数据总线判别器驱动相应的总线认可信号。
另外，参见图7所示，本发明实施例还提供了一种RFID射频识别系统，包括上述实施例所述的工业级超高频RFID读写装置1。
RFID射频识别系统是由RFID电子标签(天线)2、RFID读写装置1和后端处理系统3组成。由于RFID系统的非对称性，因此系统的性能很大程度上依赖读写装置的性能，在这些系统性能中，读写距离、动态范围以及抗干扰能力是系统主要指标。在这些指标中，RFID读写装置的接收和发射及对接收信号的各种反应都起到了关键作用。图7中RFID读写装置的RFID读写器芯片通过一个BALUN将天线单端信号变为差分信号，接收信号从接收天线通过一个滤波器接入RFID读写器芯片的输入端。如果需要对接收电路进行载波消除或输出电路进行空载保护，则需要加入一个定向耦合器，将耦合器输出端接入芯片的RF输入端，并且在需要进行载波消除时，将混频器产生的载波消除信号通过接入定向耦合器的耦合端与天线接收的RF输入信号相混。在数字接口端，系统可以通过UART接到控制CPU或通过并口接到CPU总线来实现 CPU对芯片的控制及读出数据的处理。经过处理的读出数据再由CPU的外围接口送往后端系统处理。
在实际应用中射频电路指标难度大，频率高，外围元件较多，连线也较多，涉及多层PCB设计技术。对于各项参数的测试板，板材准备拟采用FR4和 Hydrocarbon CeramicWoven Glass进行对比测试研究，采用2～4层PCB工艺设计。在电源供给方面、信号交流隔离方面、接地方面、微带线方面必须进行周密的设计，能够仿真的部分尽量进行仿真。网络分析仪的S参数测试是提取仿真模型的最佳手段，ADS、CADENCE等仿真软件是可行的选择。该类软件进行系统级功能仿真的基础是具有正确的器件模型参数，实际上，大部份器件的模型参数可以通过器件生产厂家得到，对于不能直接得到模型参数的器件，可以通过测试分析后自行建立。系统级仿真设计采用行为级仿真技术，通过 TOP-DOWN的方式进行总体设计和单元模块设计。
本发明实施例中关于射频电路测试技术及应用验证方案设计参加图8及图 9所示。
总体方案框架如图8所示，首先采用通讯类智能仪器、计算机、高频仿真软件工具等建立实用化的射频测试平台，选取参数适宜的射频单元样品电路进行相关参数测试研究，最终形成各参数的测试规范
B.通讯类智能仪器部份
RFID的测试离不开专业的测试仪器。针对本项目测试参数需要一系列的通讯类智能仪器。因为RFID具有复杂的通讯协议，为了能够测试Reader，还需要PC、Tag和Reader组建一个典型的测试环境，以便Reader能连续识别Tag 的指令，并完成必要的工作，如数据存储、数据读写等。
测试系统结构如图9所示，其智能台式仪器由PC机；Reader发射用的天线；网络分析仪8753ES和37347D；功率计E4419B；频谱分析仪E4440；矢量信号分析仪89601A；高速数字示波器80000、54845A、WP6054A、WS424；程控电源E6244等专业仪器构成。通过自行编制的软件包控制各个仪器进行各参数测试。
对于各项RF参数的测试板，板材准备拟采用FR4和Hydrocarbon Ceramic WovenGlass对比测试，采用2～4层PCB工艺、SMD工艺、回流焊接等先进技术，实现测试板电路组装。测试电路板采用SMA/SMB等射频连接器与测试仪器相连。测试板在设计过程中采用ADS等仿真软件，对各样品电路进行针对性设计，确保测试参数的可信性和一致性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，包括：接收通道模块、空气接口协议处理中心模块以及发射通道模块，所述接收通道模块包括：依次连接的零中频接收机单元、可调滤波器单元、自动增益控制放大器单元以及数字外调式解码单元，所述零中频接收机单元用于接收来自前端的超高频的天线信号，所述天线信号经所述可调滤波器单元的滤波处理以及所述自动增益控制放大器单元的放大处理后进入所述数字外调式解码单元以得到解码后的差分信号，所述接收通道模块用于接收来自前端的超高频的天线信号并将所述天线信号调整成差分信号，所述空气接口协议处理中心模块用于处理所述差分信号生成正交I、Q数字信号，所述发射通道模块用于调制所述正交I、Q数字信号并发送给后端处理系统。
2.根据权利要求1所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所
述零中频接收机单元包括IQ正交解调器电路，所述IQ正交解调器电路包括差分器、功率放大器以及线性低噪声混频器，所述差分器用于将所述天线信号处理成所述差分信号，所述功率放大器用于调整本振信号的功率，所述线性低噪声混频器用于混频处理所述差分信号和所述本振信号得到中频信号。
3.根据权利要求2所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所述IQ正交解调器电路包括第一功率放大器、第二功率放大器、第一线性低噪声混频器和第二线性低噪声混频器，所述第一功率放大器用于调整I本振信号的功率，所述第二功率放大器用于调整Q本振信号的功率，所述第一线性低噪声混频器用于混频处理所述差分信号和所述I本振信号得到Q通道中频信号，所述第二线性低噪声混频器用于混频处理所述差分信号和所述Q本振信号得到I通道中频信号。
4.根据权利要求2所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所述线性低噪声混频器为无源双平衡开关混频器。
5.根据权利要求4所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所述无源双平衡开关混频器的工作电压为3V，所述无源双平衡开关混频器的工作电流小于10mA，所述无源双平衡开关混频器的转换增益大于或等于（-4）dB。
6.根据权利要求1所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所述数字外调式解码单元为相位补偿型解码器，所述相位补偿型解码器包括相连接的基带解调电路和解码电路，所述相位补偿型解码器用于将基带的模拟电压信号转换成二进制的数据信息。
7.根据权利要求1-6任一项所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所述发射通道模块包括整形电路单元、调整选择器单元和发射功率调整器单元，所述正交I、Q数字信号通过所述整形电路单元进行波形整形后送到所述调制选择器单元按照预设调制方式进行调制并得到正交I、Q模拟信号，所述正交I、Q模拟信号经所述发射功率调整单元调整至选定的载波上发射出去。
8.根据权利要求1-6任一项所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所述空气接口协议处理中心模块包括依次连接的由B型和C型共用的循环冗余校验电路单元、控制电路单元及B型和C型协议处理单元，所述空气接口协议处理中心模块通过数据总线与片外记忆体和微处理器进行数据信息交换，所述微处理器再通过UART接口和上位机进行数据交换。
9.根据权利要求8所述的工业级超高频RFID读写装置，其特征在于，所述数据总线采用普通总线主导连接模块的方式。
10.一种RFID射频识别系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的工业级超高频RFID读写装置。
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