读写模块（精选4篇）
读写模块 篇1
1 概述
近年来, 随着高性能单片机技术的快速发展, 电子产品中的单片机在微机控制领域占据很大份额, MCS-51系列单片机经过了一定时期的发展, 在指令、性能、控制能力、运算速度等方面都有很显著的提高。目前, 关于MCS-51兼容的产品就有数百种, 单片机的应用日益广泛, 具有广阔的发展前景, 尤其是显示部分的关注度, 更是很多商家和科学工作者的焦点, 本文就MCS-51系列单片机的显示器件展开讨论研究, 在诸多的显示器件中, 液晶显示器件 (LCD) 依据它独到的优势, 比如工作需要的电压不高, 所用功耗也偏低, 无辐射, 无污染。又由于液晶显示器 (LCD) 的体积小、质量轻、功耗低、寿命长、平面直角和画面显示不变形、无电磁辐射等优点, 已经成为各种便携式电子信息产品的理想显示器。在便携式显示器中, LCD是最佳选择。结合MCS—51单片机, 并以单色16×2字符型液晶显示控制器为例, 浅析了LCD模块的读写方法。
2 LCD模块命令
MCS—51单片机, 单色16×2字符型液晶显示控制器LCD模块共有11条命令, 其格式与功能如表1所示。
3 LCD模块的读写方法
从表1可以看出LCD模块的操作种类, 其中LCD模块的读写共有4种操作, 分别由RS和R/W位决定, 如表2所示。
RS是数据/命令控制。当RS=0时, 读写控制电路中的控制寄存器, 即写命令、读状态;当RS=1时, 读写的为LCD模块中数据存储器中的数据。
R/W为读/写控制。当R/W=0时为写状态, 数据或命令写入LCD模块中;当R/W=1时为读状态, 从LCD模块中读出状态或数据。
3.1 LCD模块的写操作
LCD模块的写入操作时序如图1所示。
根据此时序图可写出LCD写入操作的子程序如下:
3.2 LCD模块的读操作
LCD模块的读出操作时序如图2所示。
根据此时序图可写出LCD读操作的子程序如下:
4 结语
本文以MCS—51单片机, 单色16×2字符型液晶显示控制器为例, 首先介绍了LCD模块共有11条命令, 通过表的形式介绍了这些命令的格式与功能。然后详细介绍了LCD模块的读操作与写操作。此命令控制系统可以方便的进行扩展。充分满足了上位机的需求。
参考文献
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[5]王宪伟.LCD模块老化试验台的研制[J].液晶与显示, 2005 (4) .
读写模块 篇2
射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是指通过检测目标物体对射频电磁场的扰动而获得其相关特征信息的一种探测技术[1]。经过多年的发展,13.56 MHz以下的技术已经相对成熟,而处于840~960 MHz的超高频(Ultra High Frequency,UHF)RFID技术以读取距离较远、标签成本较低、读取速率快等诸多优势而被广泛关注。
1 超高频RFID系统
一个典型的超高频RFID系统通常由读写器、天线和标签3部分构成,如图1所示。其工作原理如下:读写器首先通过天线向标签发射出电磁波,标签从电磁波中提取工作所需要的能量,电磁波遇到标签等目标后并发生后向散射一部分电磁波到阅读器,阅读器接收解调后向散射电磁波信号以获得标签的数据信息[2]。它首先是一个双向通信过程:一条链路为读写器到标签的信号,另外一条链路为标签到读写器的信号,只有两条链路都获得通信成功,RFID才算完成了一次有效通信,因而RFID系统实际识别距离由最短的一条链路通信路径距离决定。根据无线通信中的Friis传输公式[3]:
式中:Pt是发射机的发射功率;Pr是接收机的接收信号强度;er和et分别是接收、发射天线的辐射效率;λ是工作电磁波波长;R是两个设备之间的距离;Dr和Dt分别是接收、发射天线的方向性(或者说定向增益)。通过计算,可以得出下面公式:
由此可见,在天线增益Gt和Gr,工作频率fMHz固定时,通信距离Rkm取决于发射机功率和接收机灵敏度,这就是链路预算增加每增加6 dB能够改善一倍通信距离的理论根据[4]。
2 传统读写模块面临的问题分析
作为RFID整体解决方案硬件组成中的核心部件,超高频读写模块射频前端最典型的特征是收发同频、同时,是一种不折不扣的自干扰射频收发系统。除了硬件自身的发射功率与接收灵敏度指标外,由于天线端的驻波的客观存在,引起的发射功率的反射波也直接影响着读写距离的远近。这是因为发射机功率遇到天线失配时的反射能量作为一种有害的干扰直接馈入到了接收机端,引起了接收机灵敏度的退化,进而降低了读写设备识别标签的实际距离,以Impinj的Indy芯片系列为例,其工作原理如图2所示。
从图2中右下角的芯片厂家给出的测试数据表格可以看出,发射载波泄漏到接收机前端的能量大小对应的接收机的实际灵敏度差异是比较大的。很明显的一个规律:泄漏的能量越大,由于阻塞特性导致的接收灵敏度恶化就越严重。所谓阻塞,是指当一个很强的信号进入接收机时会使接收机前置放大器或混频器过载至完全饱和而导致前端阻塞,这种干扰通常会阻止信号的接收。或者一个邻近的信号进入接收机导致增益降低,这时接收机就好象不够灵敏了,丢失了较弱的信号,而降低了较强信号的信噪比,从而使接收机的灵敏度降低[5]。而实际情况是,通常天线的工作带宽是有限的,当受到外界环境的影响,天线的驻波比会变差,此时发射机的实际工作频段变得与天线阻抗不再匹配,PA的输出功率会由于天线的反射而经由环形器(或者耦合器)馈入到读写器的接收端,恶化读写器的接收灵敏度,导致读写器的识别距离变短。如果在多标签盘点场合,也会由于读写器与标签之间的链路余量降低,表现为读写器的多标签处理能力减弱引起漏读。
3 改进型读写模块工作原理
针对前面所讲的传统读写模块的局限性,本文在仔细研究超高频RFID读写模块射频前端架构的基础上,提出了一种新颖的、能够有效减弱天线失配的技术方案。工作原理框图如图3所示。读写模块由CPU、射频收发芯片、PA(功率放大器)、耦合器、检波器、天线调谐匹配网络、电源管理电路、连接器、射频接头以及散热片等主要部分构成。
与传统方案相比,该方案在天线与PA之间增加了一个可调阻抗匹配网络。核心思想是通过实时检测天线的驻波来相应调整阻抗网络以保证耦合器对应的输出阻抗尽可能接近50Ω,从而保证由于天线失配导致的反射能量足够小,以至于对接收机灵敏度的影响可以接近忽略。因而读写模块可以始终工作在最佳接收灵敏度状态,保证了对标签可靠识别。图4是通过电路建模仿真出的实际效果图,从Smith圆图上可以看出,黑色的实心线表示的是在800~1 000 MHz频段范围内初始天线驻波对应的阻抗值,以915 MHz为例,可以看出此时的复阻抗为36.858+j10.762,经过计算可以得出,此时天线的驻波比对应的回波损耗大约为-14 dB。
由圆点覆盖的近似扇形区域为自适应可调匹配网络的有效覆盖阻抗范围,也就是说只要在此范围内的均可通过调整元件值将天线的驻波调整到近似于1(对应的是50Ω阻抗),此时的天线回波非常小近似于可忽略。
由前面图1可以分析出:如果此时的天线驻波状态很好的情况下,接收机的灵敏度主要受耦合器的隔离度影响。以R 2000芯片为例,通过增加自适应可调匹配网络,可以使得接收灵敏度在传统读写模块性能基础上增加3 dB,经理论计算可以改善40%的读写距离。
4 结语
测试条件:天线45 mm×45 mm×7 mm陶瓷片天线,增益2 dBic;标签Impinj J41标签;模块输出功率30 dBm。
通过实验对比测试,可以发现采用自适应可调匹配网络的读写器模块不但在读写距离上,而且在多标签盘点数量上都较传统读写模块性能有较为明显提升,见表1。与前面的理论分析相符合。
摘要：传统的超高频RFID读写模块一般都会对天线驻波比较敏感,当天线回波过大时将导致发射机输出功率泄漏到接收机中能量较多而引起阻塞现象,进而使读写器性能恶化。在此描述了一种新型超高频读写模块的电路设计,通过在天线与耦合器之间嵌入一种闭环可调谐匹配网络,有效解决了天线驻波失配情况下导致接收机性能蜕化的现象。实验结果证明采用这种新型模块的读写器无论从读写距离还是多标签处理性能上都获得了较大提升,达到了预期的效果。
关键词：超高频,射频识别,阻塞,灵敏度,驻波比
参考文献
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[3][美]MISRA D K.射频与微波通信电路:分析与设计[M].张肇仪,译.北京:电子工业出版社,2012.
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[5]陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社,2009.
读写模块 篇3
1 控制处理模块的硬件设计
UHF RFID系统读写器的控制处理模块主要完成对射频收发模块的控制, 实现对高频信号的配置、编码、解码、校验、防碰撞、协议控制, 承担读写器与外部设备或主机之间的应用接口等功能。目前, 一是在同一片高集成度、高性能单片机、ARM、DSP或FPGA中实现控制处理模块的控制单元与基带处理单元, 完成相关功能, 其次是将控制单元与基带处理单元分离, 采用单片机+单片机、单片机+DSP、单片机+FPGA、DSP+FPGA、ARM+FPGA等多控制器结构的实现方法, 前者实现控制单元的协议解析、防碰撞等, 后者实现基带处理单元的编码、解码、滤波、校验等, 这些基于高端微处理器的读写器占据了市场的主要份额[1,2]。
1.1 控制单元与基带处理单元结合在一起实现控制处理模块
此时, 微处理器的选择至关重要, 要求有相对高的速度、比较高的稳定性和丰富的I/O设备端口, 而且还要有相对低的功耗[3]。
1.1.1 采用单片机
目前单片机常用的有MCS-51系列、PIC系列等器件, 以8位、16位为主, 一般没有操作系统, 采用单片机实现控制处理模块, 电路设计比较简单、成本较低, 有很强的接口性能[1]。文献[4]控制处理模块就是由C8051F340单片机及其最小系统组成, 负责通过USB接口接收上位机发送的指令, 解析指令并对射频收发芯片AS3992进行控制, 将AS3992的反馈信息传输给上位机。文献[5]利用单片机C8051F120实现控制处理模块, 完成信号的编解码、数据处理、与上位机通信并响应其命令等功能。存在的问题是单片机能实现的功能比较简单, 逻辑接口数据量较少, 功能的扩展能力不强, 数据处理速度相对较低, 实时性不够, 因此适合控制需求相对简单的场合, 与现在产品网络化、智能化存在一定的差别[5]。
1.1.2 采用ARM处理器
ARM系列处理器可靠性、安全性高, 功耗低, 速度快、处理能力强, 接口资源丰富, 扩展能力强、兼容性好, 同时可加载Linux、Win CE等复杂操作系统, 具有较强的事务管理功能, 属于高性能的处理器。通常选择ARM7/ARM9/ARM11处理器实现控制处理模块, 基带信号的配置、编解码、数据校验、协议控制、多标签的访问以及防冲突过程等通过软件编程实现, 交由ARM处理器进行控制, 具有较好的实时性, 无需外接存储器, 在满足要求的同时, 可降低成本, 缺点是成本相对于单片机较高[5]。文献[6]选用三星公司基于ARM11的S3C6410微处理器通过移植Linux操作系统、软件编程来实现控制处理模块, 完成设备驱动, PIE编码、FM0解码、CRC校验等数据处理功能。文献[7], [8], [9]采用三星ARM9微处理器S3C2440A, 构建最小硬件系统, 移植嵌入式Linux系统, 实现控制处理模块。
1.1.3 采用DSP
比较高端的读写器控制处理模块常使用DSP芯片, 增加读写器的灵敏度, 扩展读写距离。DSP芯片信号处理、运算能力强大, 编译和执行效率非常高, 特别适合数字信号的运算、处理, 但控制能力一般, 综合应用能力不及单片机。文献[10]采用DSP芯片TMS320F2812PGFA构成整个系统的控制核心及数据处理, 负责信号的编码、解码、液晶显示和串口通信等的控制。文献[11]采用DSP芯片ADSP-BF531l实现控制处理模块, 控制电路的工作状态, 配置外设寄存器, 接收基带信号并对其进行处理, 完成对基带信号的解码和校验, 产生控制标签状态的命令, 对其进行编码, 并发送给射频模块进行调制和放大, 执行防冲突处理程序, 控制读写器与计算机的通信, 将成功识别的标签ID传送给计算机。
1.1.4 采用FPGA
采用FPGA实现控制处理模块相比单片机、ARM和DSP优势明显。FPGA时钟频率高, 内部延时小, 全部控制逻辑由硬件完成, 有很高的运算处理能力, 速度快、效率高, 能很好地满足超高频读写器数据传输和处理速度快的要求。而且, FPGA能够进行编程、除错、再编程的重复操作, 缩短开发生产周期[1]。文献[12]控制处理模块选用FPGA器件XC6SLX16来实现, 采用自上向下的设计方法用Verilog HDL语言设计出包括PIE编码模块, FM0解码模块、CRC校验模块, 并串转换模块, 防碰撞模块、滤波器、协议控制模块和通信接口模块在内的整个数字基带系统。文献[1]利用FPGA片内SOPC设计NiosⅡ嵌入式软核处理器作为读写器控制处理模块的控制单元, 完成时序控制, 状态转换等, 包括发送链路的PIE编码模块、CRC-5校验模块、信道滤波器模块和接收链路的FM0解码模块、CRC-16校验模块、防碰撞模块等。
1.2 控制单元与基带处理单元分离实现控制处理模块
采用控制单元与基带处理单元分离的结构更能体现模块化设计思想, 更有利于进行并行设计, 实现分工协作, 缩短开发周期。基带处理单元完成基带信号的编码、解码、校验以及滤波等, 控制单元采用单片机、DSP、ARM等微处理器, 结合相应的软件实现与后端应用系统之间的通信, 控制与电子标签的通信过程, 实现冲突仲裁以及多标签识别, 数据的加密和解密, 进行读写器与电子标签之间的身份验证, 对外部设备 (如键盘、显示器等) 的控制等[2]。
1.2.1 控制器+ARM
文献[13]采用三星ARM9芯片S3C2440作为控制单元的微处理器, 其外围电路包括屏幕、键盘、存储系统以及对外通信接口等, 嵌入Linux操作系统。通过与上位机的通信接口完成与应用系统软件的通信, 执行各种指令, 控制基带电路及射频前端的工作状态;执行防碰撞算法, 实现多标签无漏识别。采用ATMEL公司ARM7芯片AT91SAM7S256作为基带处理单元的MCU, 完成控制单元命令的解析, 控制射频前端电路的工作状态;对发送的基带信号进行编码和对接收的数字信号进行解码。
1.2.2 控制器+DSP
选择单片机或ARM作控制器加上DSP芯片实现控制处理模块。文献[14]提出了一种以单片机为控制器, 利用DSP处理防碰撞算法的UHF RFID读写器设计方案。DSP用来实现防碰撞算法, 速度快、减少了控制器的负担。这种方案的优点是结构比较简单可靠, 缺点是系统设计成本较高。
1.2.3 控制器+FPGA
采用单片机、ARM或DSP作控制器加FPGA进行设计实现控制处理模块。FPGA实现硬件数据的编解码和CRC校验, 信号处理速度快、实时性好, 可以分担控制器的任务, 降低对控制器性能的要求, 简化软件设计。缺点是需要给FPGA外接存储器, 系统设计成本较高。文献[15], [16]的控制处理模块就是采用单片机+FPGA结构并协同工作的设计方案, 编码、解码、CRC以及时钟分频等基带处理由FP-GA来实现, 利用Verilog HDL语言进行编写, 速度快, 电路形式简单, 移植方便。单片机实现对FPGA的控制以及与FP-GA进行数据信息的交换, 与PC机的通信, 接收PC机命令或者从本系统键盘输入的命令, 并将命令下传到FPGA, 由FPGA完成对射频卡的操作, 接收从FPGA传回的操作结果并在LCD上加以显示, 控制射频收发模块中TR1000芯片的工作方式。文献[17]采用ARM9+FPGA结构设计实现基带信号处理。ARM9处理器S3C2440A做主控芯片, 担负在Win CE6.0系统下对读写标签操作的控制;FPGA采用Altera公司的EPZCST144芯片, 控制和CCll0l射频模块的通信, 实现基带信号处理及协议解析, 包括基带信号PIE编码模块, 回波信号FMO解码模块, 标签操作功能模块, 基于标签预测模型和抽样定理的多标签识别防碰撞算法模块, 全数字锁相环模块和通信接口功能模块。文献[18]控制处理模块采用了低功耗DSP与FPGA相结合的构架, 在DSP芯片中实现协议命令处理、防碰撞算法、系统控制, 根据通信协议的要求接收发送指令, 并且完成与上位机的通信。在FPGA芯片中完成协议的编解码、校验、协议语法的添加、去除以及与射频模块的数据交换。文献[1], [19], [20]采用软核处理器+FPGA相结合的构架, 基于嵌入式软核的设计方式。运用SOPC技术, 在Altera系列FPGA芯片中嵌入NiosⅡ软核处理器, 根据UHF协议特点, 基于ISO/IEC18000-6C标准, 自定义外设, 完成包括PIE编码、FM0解码、CRC校验、防碰撞、协议控制和UART等模块的基带处理电路的设计及基带信号数据处理功能。
2 结束语
目前国内外市场上读写器控制处理模块硬件的主流设计方案都是以嵌入式微处理器为核心。但市场对射频识别技术的应用需求在不断变化, 对读写器功能的要求在不断提升。要求读写器具备丰富的扩展接口, 可以独立工作, 具有通过网络或者串口、USB等传输信息的能力, 要求控制处理模块的处理器能够在数据处理、兼容性方面有强大的功能。NiosⅡ软核处理器虽然与常见的微处理器很类似, 在一片芯片上包含了处理器、存储器, 以及I/O电路等功能模块, 但它最大的特点是它是一个软核、可配置的系统。设计者可以根据需求构建32位的NiosⅡ处理器, 并能对其外围设备进行灵活配置, 灵活设计系统的外设与接口, 能及时验证系统的功能, 能很好地满足数据处理、兼容性等上述方面的要求[21]。因此, 基于NiosⅡ软核处理器的控制处理模块的设计成为了当前UHF RFID系统读写器研究的一个热点。它充分借鉴了市面上其它成熟的技术方案, 总结和吸收了其它方案的优缺点, 与传统设计相比简化了UHF RFID系统读写器设计, 提高了读写器控制协调能力、抗干扰强度、降低功耗, 降低了成本, 符合电子系统设计的发展潮流和趋势。
摘要：控制处理模块是UHF RFID读写器电路的一个重要组成部分, 该模块电路的设计及实现是当前UHF RFID系统一个研究的热点。基于此, 对UHF RFID系统读写器的控制处理模块电路的组成结构、实现方式, 特别是微处理器的选用进行了比较分析和综述, 指出了基于SOPC设计理念、NiosⅡ嵌入式软核处理器的控制处理模块设计符合电子系统设计的发展潮流和趋势, 具有市面上其它设计方案不可比拟的优势。
读写模块 篇4
近年来, 国家加大了对教育事业的投入力度, 学校的固定资产在数量、结构、质量都有了很大的提高。然而, 许多学校固定资产管理存在专职管理人员少, 管理人员队伍不稳定, 软件实用性太差, 数据采集方式落后等问题。如何实时清理, 而且做到帐卡相符, 帐实相符, 帐帐相符, 是各单位资产管理者一直追求的目标, 也是很多单位的难题。要实现这一目标, 学校的资产管理需要建立一个完整规范的软硬件系统, 实现对学校固定资产的高效、实时、准确管理。为此, 本文设计一个基于UHF固定资产管理系统, 并重点研究了系统中读卡器的射频前端模块硬件电路中的关键技术, 最后通过测试结果, 验证系统的有效性和实用性。
1 硬件系统总体结构设计
基于Zig Bee和RFID技术的资产管理系统是利用R F I D技术, 将固定资产的电子信息写入到电子标签中, 再将电子标签粘贴到固定资产相应的位置, 然后在每一栋楼的楼道设置一定数量的读写器, 用于读出电子标签中的资产信息, 或者是将新的资产信息写入电子标签内[1]。如图1UHF RFID嵌入式读写器系统所示。
UHF RFID嵌入式读写器系统主要包含射频前端模块电路和数字控制系统。本论文主要针对的是“射频前端模块电路”设计与实现, 数字控制系统主要由ARM7芯片完成。读写器的读取和写入等命令由ARM7嵌入式控制系统下达[2]。当读取或写入命令下达后, 该命令经过基带电路解析, 对射频前端电路的工作频率, 发射功率, 工作时间, 编码方式和数据速率等参数进行设置。射频信号通过天线发射出去, 形成一个有效辐射区。因此, 读写器的射频信号对于无源标签来说, 既提供了标签芯片的电源, 又包含了数据和控制信息[3~5]。标签信息返回到读写器后, 经过放大、变频、滤波等操作后, 进行ADC转换并进行错误校验, 然后判断标签数据的有效性, 再经过基带电路对数据进行解析, 送达控制系统, 进而返回ARM7嵌入式控制系统, 通过Zig Bee无线网络, 将标签信息和环境温度传输到设备管理中心。
2 射频前端模块电路设计
射频前端模块以射频收发芯片R1000为核心, 主要完成射频信号的收发、调制/解调、滤波、温度检测、增益控制和数字通信等功能[6], 如图2射频前端模块电路所示。作者采用双天线配置方案, 为了提高接受的灵敏度, 以及适用于0d Bm的接收阻塞, 系统使用高增益模式。R1000内部混频器采用零中频结构, 为了滤掉发射信号进入混频器而产生的自阻塞直流干扰, 提高相邻信道的抑制比, 用一个带通的DRM滤波器来替换作为高通滤波的单个电容, 可以达到很好的信道选择特性。R1000内部集成了振荡器和锁相环, 外部参考时钟源为24MHz的TCXO。片上VCO输出为载波频率的四倍频, 考虑到环路带宽, 设计不同的环路滤波器可以灵活地实现不同的频率分辨率, 本设计选择23KHz的环路带宽。
2.1 R1000外围发射通道
发射功率控制过程是实时的、动态的。R1000外围发射信号通道包括固定增益放大电路, 程控衰减电路, 耦合器, 滤波器, 单刀四掷天线选择开关, 天线连接检查和正反向功率检测等功能[7], 如图3所示。初始状态下, 程控衰减电路的衰减值未知。当R1000的输出信号经过程控衰减电路后, 被固定增益放大电路进行高线性度放大, 然后进入耦合器耦合, 正向耦合端输出的信号进入正向功率检测单元后得到一个对应的电平值。该电平在控制系统中进行处理后, 由数字控制系统发出指令, 控制程控衰减电路调整其衰减值, 如此反复, 直到达到设定的输出功率值为止。耦合器输出信号经过低通滤波器后, 送入到单刀四掷射频通道选择开关, 然后由被选择的天线通道发射出去。如果天线匹配不好, 部分或全部信号反射回来后, 在耦合器的反向耦合端输出的信号进入反向功率检测单元, 得到的电平值经过数字控制系统处理后, 芯片R1000将停止发射射频信号, 同时用户界面报错。
2.1.1 程控衰减电路
当数字控制系统得到正向功率检测结果后, 与用户设定的射频发射功率所对应的电平值相对比, 得出两者差量, 产生控制信号SCL和SDA[8]。其中, SCL控制数字电位器的输出电平增加或是减少, SDA表示电平增加或减少的量。数字电位器产生的电平经过缓冲后, 作用到程控衰减器上, 调整其衰减幅度。该调整过程是实时的、动态的, 如图4程控衰减电路内部结构所示。为了保证在程控衰减器失效的情况下, R1000的射频发射信号经过放大后, 其功率不超过功率放大器的P1d B值, 电路中设计了π型电阻衰减网络。其衰减量是固定值, 但可根据整个发射通道的性能对其衰减量进行调整。
2.1.2 固定增益放大电路
读写器和标签之间信号功率逐渐衰减。若信号频率为915MHz, 相距d=1m处, 自由空间的播损耗L=-31.7d B;考虑到天线输入端的衰减2.5d B, 固定增益放大电路的输出功率不小于+32.5d Bm[9], 芯片R1000的射频输出功率典型值是+10d Bm。因此, 固定增益放大电路对R1000输出射频信号的理论增益至少应为22.5d Bm。为了提高功率放大器的线性度, 本文采用“驱动放大器+功率放大器”的电路结构, 以及3d B功率分配与合成技术, 如图5固定增益放大电路所示。
2.1.3 耦合器和功率检测
-30d B耦合器的使用主要是为了对射频发射信号和反射信号功率进行检测, 并为R1000提供外部本振源, 如图6耦合器和功率检测电路所示。固定增益放大器输出的射频信号输入到-30d B耦合器的Pin1, 从耦合器的Pin4得到耦合信号。该耦合信号有两个用途:正向功率检测和R1000外部本振源。R1000外部本振输入功率范围是-20d Bm~0d Bm, 可以将π型衰减器的衰减量初步定于6d B。作者选择的功率检测芯片线性度最好的功率检测范围是-40d Bm~-10d Bm, 因此选取功率检测点-21d Bm。从耦合器Pin2到天线输入端, 存在发射信号的反射分量。该反射信号输入到耦合器Pin2, 从Pin3得到其耦合分量。该分量有两个用途:1) R1000片内反射信号功率检测, 用以和发射功率相对比, 判断耦合器到天线这一段电路的阻抗匹配程度。如果阻抗严重失配, R1000将停止发射信号;2) 该信号用于数字电路控制系统对反射信号的功率检测, 也和发射功率相对比, 如果阻抗严重失配, 应用软件的用户界面将报错。这两个处理反射信号的信号支路的各项参数计算与正向功率检测相同。
2.1.4 天线选择开关和连接检查
在系统正常工作过程中, 数字控制系统根据用户设定, 输出天线选择信号ANT0和ANT1, 经过2-4译码和缓冲器后, 作用到单刀四掷开关, 实现用户对天线工作状态的管理, 且任何一条通道的工作参数都可以独立设定。如果没有连接天线就运行系统, 发射信号在天线连接端口完全反射, 造成功率放大器严重损坏。为了避免这种情况的发生, 作者设置了一个天线连接检查电路单元, 如图7天线连接检查电路所示。如果天线没有连接, 则4.7KΩ电阻的右侧是开路, 因而天线检查结果是一个3.3V的高电平。当天线连接良好时, 在直流状态下, 由于天线内部的信号平面和地平面是直接相连的, 则4.7KΩ电阻的右侧是接地状态, 因而天线检查结果是一个约0.3V的低电平。R1000就是通过这个电平值来判断天线是否正常连接的。
2.2 R1000外围接收通道
收发只能同时选择一对固定的天线, 接收天线接收到标签的返回信号后, 输入到单刀四掷开关, 如图8 R1000外围接收通道结构图所示。为了防止相同频段的强干扰信号进入R1000的接收通道, 天线选择开关的输出信号分出一部分, 先经过一个固定衰减量的衰减器, 再由功率检测芯片进行功率检测, 检测结果输入控制系统与一个预设的值进行比较, 判断接收功率是否过大, 进而控制保护开关的通断状态。因此, 在天线选择开关和带通滤波器之间添加了保护电路单元。如果接收信号功率不超过保护开关的保护门限, 经过带通滤波器之后, 通过单端转差分直接进入R1000芯片内部接收通道, 进行片内的放大、解调等处理。
3 系统整体测试
首先进行固定增益放大电路整体性能测试, 为保证功率放大电路输出功率为+34d Bm的输入功率为+17d Bm, 考虑到驱动放大器输出与功率放大电路之间的低通滤波器的0.5d B衰减, 则驱动放大器的输出功率至少为+19.5d Bm, 对应其输入功率为-1d Bm。由于R1000的输出射频功率典型值为+10d Bm[10,11], 因此程控衰减器的最小衰减量为11d B。设置信号发生器的信号频率为915MHz, 功率从-10d Bm开始以1d B步进上推。具体测试结果如表1所示, 整个固定增益放大电路在输入功率为-6d Bm时, 其输出能达到+32.62d Bm, 满足设计要求。
固定增益放大模块模块已经焊接调试完成后, 从-30d B耦合器输出端引出一条一端带有SMA公头的同轴线, 用于测试系统输入到发射通道天线选择开关的信号功率。将数字电路模块的USB接口与电脑相连, 引出的同轴线接上一个30d B的衰减器 (功率容量为4W连续波) , 再连接到频谱仪上。打开应用软件RFID Tracer, 设置工作频段为902MHz~928MHz, 此时在频谱仪上可以得到信号频谱如图9所示。
4 结束语
基于射频收发芯片R 1 0 0 0, 设计实现了符合ISO18000-6C协议的UHF RFID读写器硬件电路。其中, 针对射频前端电路的关键技术做了重点介绍, 该电路工作于860MHz~960MHz频段, 覆盖了不同国家和地区为UHF RFID应用所划分的频谱资源。其射频前端采用零中频收发架构, 4组天线接口以时分方式工作, 采用倒推的方式, 对各部分电路进行调试、优化, 确定整个固定增益放大电路的输出功率和总体增益, 从而为程控衰减电路中的π型衰减网络确定衰减量。整个射频前端电路通过ARM7处理器来控制工作状态, 其射频发射功率可由软件调节, 功率变化范围从+14d Bm到+33d Bm, 步进量为1d B, 能满足不同应用环境的需求。在输出射频功率为+30d Bm时, 识别距离大于9米。在现阶段防碰撞算法作用下, 可保证同时读取标签数267张无漏读, 如图10标签卡碰撞测试所示。
摘要：针对固定资产管理存在专职管理人员少, 数据采集方式落后等问题, 设计了一种基于zigbee和RFID技术相结合的固定资产管理系统, 着重研究了系统中读写器射频前端模块硬件电路中的关键技术。选择的R1000为UHF RFID射频收发核心芯片, 采用“驱动放大器+功率放大器”的电路结构, 以及3d B功率分配与合成技术。从电路的性能测试和整个读写器系统的测试结果可以看出, 较传统方式读写器数据采集过程更加自动化、采集速度更快、识别率更高的优点。
关键词：固定资产管理,数据采集,RFID技术,ISO18000-6C
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