摘 要： 介紹了一種基于AS3992芯片的遠距離RFID讀寫器設計。通過AS3992內部集成的模擬前端和協議處理系統，配合基帶的MCU控制，實現了在通信頻率840 MHz~960 MHz內發射功率可調、天線接口可切換等實用功能。為了達到更遠的傳輸距離,使用了多種阻抗匹配網絡對微帶線阻抗進行微調，且對輸出功率加以檢測，有效防止了盲目增大發射功率導致接收干擾而影響識別距離的問題。設計了4個天線接口，擴展了讀寫器的應用距離，同時減少了單天線的盲區，降低了誤碼率。
關鍵詞： UHF RFID; AS3992; 載波; 功率放大器
隨著物聯網在智能電網、智能交通、智能物流和生態監視等國民經濟方方面面的大量應用，UHF頻段的RFID技術更是發展迅速,它是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號可以自動識別目標對象、獲取相關數據，識別工作無須人工干預,適用于各類惡劣環境[1]。RFID系統由標簽、讀寫器和天線三部分構成，其中RFID讀寫器最為關鍵。
1 系統方案設計
基于AS3992芯片的遠距離RFID讀寫器系統主要包括射頻部分和基帶部分，如圖1所示。射頻部分圍繞RFID集成芯片AS3992展開設計，環路濾波器配合內置VCO產生精確頻率；發射鏈路主要由巴倫、功率放大器、耦合器、高頻開關和多路天線接口組成，在關鍵通路上使用LC網絡和π型網絡調整阻抗匹配；射頻接收鏈路由天線、高頻開關、耦合器、低噪放和巴倫組成。基帶部分配置了可升級的MCU主控制器及通用外圍接口。
2 硬件電路設計
2.1 AS3992及其外圍電路
AS3992是奧地利微電子推出的一款高性能UHF頻段的讀寫器芯片，它集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環、模數/數模轉換器等模擬前端，并且內置了ISO18000-6C的完整協議處理系統。外部控制器僅需通過8位并口或者SPI口即可實現對AS3992的所有通信和控制[2-3]。
UHF載波信號的通信頻率為840 MHz~960 MHz，AS3992集成了VCO、預分頻器、主除法器、參考除法器、鑒相器和電荷泵，外圍電路只要提供一個環路濾波器即可組成一個完整的鎖相環(PLL)電路，如圖2所示。PLL的輸出頻率由參考除法器的設定值和主除法器的乘積決定。電荷泵(CP)的主要作用是將數字邏輯脈沖轉換為模擬電流。CP信號經過低通濾波器反饋到VCO引腳用來調整振蕩器頻率精度。為了獲得穩定的VCO調諧電壓，外部的環路濾波電路特別重要，它起到了維持環路穩定性、控制環路帶內外噪聲、防止VCO調諧電壓控制線上電壓突變、抑制參考邊帶雜散干擾等重要作用。
2.2 射頻發射電路
AS3992芯片射頻信號以差分對的形式輸出，使用LC阻抗匹配網絡可以將巴倫的輸入端阻抗精確匹配到100Ω，通過2:1的巴倫即可輸出單端UHF信號。若僅使用AS3992內部功放，則其輸出功率最大僅為20 dBm，只能滿足近距離讀寫。若要達到更遠的讀寫距離，必須通過外部功率放大器進行無失真放大；同樣為了整條射頻線路的阻抗匹配，在巴倫和功放間放置π型濾波網絡進行阻抗微調。
功率放大器可以將已經被調制過的高頻載波信號進行功率放大，經過天線輻射到周圍以滿足接收機需要的激勵電磁場強度，并且對相鄰信道不產生影響。功率芯片SKY65111采用三級電壓控制，1 dB壓縮點增益在29.5 dBm。使用AS3992自帶的DAC，結合電壓跟隨器可以方便精確地調節功放的輸出功率；此外當外部功放固定時，通過AS3992自身發射功率的調節亦可適應不同距離的應用。
微波信號輸入/輸出的隔離需要通過耦合器，經過耦合器出來的信號進入一分四高頻切換開關SKY14151，把一路信號根據應用需要可以切換到任一選中的天線接口。讀寫器設計的4個天線接口，不僅擴展了其應用距離，而且由于一個讀寫器可以有多個分節點發送和接收信息，當4個天線都對準同一個方向時，還能夠減少單天線的盲區降低誤碼率。
為了增加RFID讀寫器的最遠距離，還需要對其發射功率進行檢測。發射功率太大不僅會引起失真，還容易泄露到接收端形成干擾，所以一旦功率檢測器件監控到大于設定功率時，通過主控制器數字PID和DAC把微調量加載到功率芯片SKY65111的二三級電壓控制端，使得發射功率可控。
2.3 射頻接收電路
基于AS3992芯片的射頻接收電路相對簡單，因為它把混頻器和濾波器集成在了AS3992芯片內部，外圍電路只需要增加一片1:2的巴倫，就可以把單端信號轉換成差分對信號，送入AS3992芯片的射頻接收管腳。為了減少雜波干擾提高射頻接收信號的純度，在耦合器和巴倫之間加上一片低噪放，使得巴倫的輸入信號被限制在840 MHz~960 MHz之間。
3 軟件程序設計
AS3992的固件程序寫在MCU主控制器中。把RFID系統通過外圍接口與計算機連接起來，上電后首先對AS3992芯片初始化；成功之后可以進行頻段、天線接口和輸出功率的設定(頻段選擇取決于各國標準，天線接口可以根據需要切換，輸出功率的大小通常決定了讀寫距離的遠近)；主控制觸發查詢標簽動作，若發現天線輻射有效范圍內有標簽存在,則選中標簽準備通信,否則反復查詢；主控制器和標簽通信握手成功后，把標簽信息送回上位機,完成一次讀卡操作。系統程序流程圖如圖3所示。
4 系統測試
使用頻譜儀對所設計的RFID系統進行性能測試, 天線接口的發射頻譜如圖4所示,最大發射功率為27 dBm。當把發射功率設定在15 dBm時，從如圖5的發射頻譜上可以看到，信道功率為14.31 dBm，占用帶寬(99%能量)為119 kHz。
本文設計了一個基于UHF頻段的遠距離RFID模塊化系統。隨著數據傳輸和分辨率的要求提高，MCU主控制器可以不斷升級，以適應事務控制的擴充和處理速度的提高。本設計對輸出功率的檢測可以防止盲目增大發射功率導致接收干擾而影響識別距離的問題。目前，本系統已成功運用于寶鋼熱軋環形軌道運輸車的定位。
參考文獻
[1] 游戰清,李蘇劍.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2004.
[2] Austria Microsystems.AS3992 UHF RFID single chip reader EPC Class1 Gen2 compatible[Z]. 2011.
[3] 譚海燕，崔如春，肖志良,等. 基于AS3990/3991的超高頻RFID讀寫器的設計[J]. 電子技術應用，2010,36(3)：23-25.