射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，由于超大集成電路技術(shù)的發(fā)展，90年代才進(jìn)入實(shí)用化階段。RFID系統(tǒng)采用了無線電與雷達(dá)技術(shù)，數(shù)據(jù)交換不是通過電流的觸點(diǎn)接通而是通過電場(chǎng)與磁場(chǎng)，即通過無線的方式通信^[1]。與其他的識(shí)別方式相比，射頻識(shí)別技術(shù)能對(duì)移動(dòng)的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，因而應(yīng)用更廣泛。
　　讀寫器的硬件設(shè)計(jì)是RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，當(dāng)前國內(nèi)關(guān)于RFID的研究都集中在頻率為125kHz、134kHz的低頻和13.56MHz的高頻系統(tǒng)。在更高頻段的微波波段，則少有人研究^[2～3]。本文基于無源反射調(diào)制技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套工作頻率為915MHz、工作距離長(zhǎng)達(dá)10m的RFID讀寫器。
1 射頻識(shí)別系統(tǒng)
　　一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)由讀寫器(Read/Write Device)、應(yīng)答器" title="應(yīng)答器">應(yīng)答器(Transponder)和數(shù)據(jù)管理、處理單元組成，如圖1所示。RFID系統(tǒng)分為有源和無源兩類，有源RFID系統(tǒng)的應(yīng)答器由電池提供能量，無源RFID系統(tǒng)的應(yīng)答器則沒有電池。無源RFID系統(tǒng)讀寫距離比有源RFID系統(tǒng)要近，但由于其應(yīng)答器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展較快。

　　在無源RFID系統(tǒng)中，應(yīng)答器工作的能量由讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)" title="射頻信號(hào)">射頻信號(hào)提供。應(yīng)答器由電子數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)設(shè)備(通常是單個(gè)的微小芯片)和天線組成。當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入讀寫器的能量場(chǎng)，應(yīng)答器的能量檢測(cè)電路將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，供其工作。同時(shí)，芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻信號(hào)中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯。控制邏輯負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)操作，包括從EPPROM讀數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)(如應(yīng)答器ID和其他用戶數(shù)據(jù)等)調(diào)制并發(fā)送出去^[2]。
2 反射調(diào)制技術(shù)原理
　　工作頻率為915MHz的RFID系統(tǒng)采用無源反射調(diào)制技術(shù)，應(yīng)答器以一定的調(diào)制方式將自身的數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻信號(hào)上，并反射回去^[1]。圖2是場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)制解調(diào)電路，電感L1和L2作為低通濾波器。在ASK解調(diào)過程中，MES場(chǎng)效應(yīng)管利用晶體管溝道的非線性阻抗對(duì)ASK信號(hào)進(jìn)行整流，電阻R1兩端的電壓變化即反映了ASK信號(hào)中的調(diào)制信息^[4]。

　　在調(diào)制狀態(tài)下，MES場(chǎng)效應(yīng)管可視為一個(gè)調(diào)制器。調(diào)制器的原理是以金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管輸出阻抗的轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的。柵極電壓Vgs0=Vd和Vgs0=0可以分別實(shí)現(xiàn)“開啟”和“關(guān)斷”的功能。這兩種情況下，漏極電壓設(shè)置為Vds=0。
　　圖3是場(chǎng)效應(yīng)管的調(diào)制原理圖。裝置在“關(guān)”和“開”兩種狀態(tài)下的阻抗分別為Z1和Z2。加上轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)Q來得到所需要的反射調(diào)制，在面Pi的反射系數(shù)為?祝1和?祝2；相應(yīng)地，在面Pi′的(輸入點(diǎn))就變?yōu)?祝1′和?祝2′。反射系數(shù)?祝1′和?祝2′滿足下面的等式：
　　

　　就可以分別實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制和DPSK調(diào)制。
3 讀寫器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　射頻識(shí)別系統(tǒng)中，讀寫器的主要功能就是發(fā)出詢問信號(hào)，選擇能量場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)答器，建立數(shù)據(jù)通信鏈路并對(duì)應(yīng)答器進(jìn)行讀寫操作^[1]。在本設(shè)計(jì)中，UHF頻段的讀寫器主要由天線、射頻模塊和主控模塊三部分組成，如圖1所示。射頻模塊發(fā)送部分產(chǎn)生射頻信號(hào)及射頻能量并給無源應(yīng)答器提供能量；接收部分對(duì)由天線接收的反射調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大及濾波；主控模塊控制與應(yīng)答器的通信過程；與主機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)來的命令。
　　本設(shè)計(jì)中的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用的工作方式，讀寫器輸出命令信號(hào)與接收應(yīng)答器反射調(diào)制信號(hào)是在不同的時(shí)間段進(jìn)行的。通信鏈路中讀寫器輻射信號(hào)調(diào)制方式是OOK，無源標(biāo)識(shí)卡信息返回時(shí)采用反射調(diào)制技術(shù)，也是一種ASK調(diào)制方式。
3.1 數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)
　　在射頻部分，本系統(tǒng)采用16MHz的晶體振蕩器和926MHz的壓控振蕩器以全數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)的形式產(chǎn)生915MHz射頻信號(hào)，如圖4所示。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)由模擬電路實(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán)與傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)的PLL相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)，不需A/D及D/A轉(zhuǎn)換^[5]。

　　VCO頻率f_VCO經(jīng)過18比特計(jì)數(shù)器進(jìn)行吞脈沖分頻，參考晶體振蕩器頻率f_OSC經(jīng)過15比特計(jì)數(shù)器分頻，二者經(jīng)過鑒相器進(jìn)行相位比較后輸出VCO控制電壓。f_OSC與f_VCO的關(guān)系如下：
　　
　　其中，參考頻率分頻系數(shù)R=3～32767，程序分頻范圍B=3～2047，吞脈沖計(jì)數(shù)范圍A=0～127，預(yù)置分頻比P=64。在本系統(tǒng)中，為了兼顧頻率間隔和頻率捕捉帶的要求^[6]，選取R=1600，A=108，B=1428。使用IFR頻譜儀Spectrum Analyzer 2398對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，輸出頻率為915.00MHz。
　　參考頻率和VCO頻率的分頻計(jì)數(shù)器均由主控模塊通過軟件進(jìn)行設(shè)置，圖5是主控模塊與頻率合成器通信的時(shí)序圖。主控模塊向頻率合成器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，按照先高位后低位的原則。

　　在末級(jí)功率放大部分，調(diào)節(jié)其增益控制電壓，即可相應(yīng)調(diào)整讀寫器的輻射功率；為了提高讀寫器輸出功率的穩(wěn)定程度，采用了AGC電路來穩(wěn)定功率放大器的輸出。
3.2 信號(hào)接收
　　接收部分功能框圖如圖6所示。天線接收的反射調(diào)制信號(hào)經(jīng)過定向耦合器到接收通路，檢波后的信號(hào)通過差動(dòng)放大、低通濾波器、運(yùn)算放大后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送至主控模塊進(jìn)行解碼。

　　讀寫器進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器與應(yīng)答器的距離不是固定不變的。如果讀寫器與應(yīng)答器距離近，讀寫器接收到的反射調(diào)制信號(hào)較強(qiáng)；如果讀寫器與應(yīng)答器距離遠(yuǎn)，讀寫器接收到的反射調(diào)制信號(hào)就較弱。為了在讀寫器的工作距離內(nèi)得到穩(wěn)定可靠的接收數(shù)據(jù)，需要對(duì)A/D轉(zhuǎn)換之前的運(yùn)算放大器進(jìn)行放大倍數(shù)控制，較弱的接收信號(hào)需要較大的放大倍數(shù)。
　　在本系統(tǒng)中，為了保持接收信號(hào)的穩(wěn)定，采用一種類似移動(dòng)通信系統(tǒng)中移動(dòng)終端功率控制方案：反射信號(hào)變強(qiáng)，降低接收通路的放大倍數(shù)；反之，反射信號(hào)變?nèi)酰岣咂浞糯蟊稊?shù)。本設(shè)計(jì)采用對(duì)數(shù)放大器對(duì)反射調(diào)制信號(hào)進(jìn)行電平檢測(cè)，然后輸入到主控模塊進(jìn)行算法分析，輸出控制信號(hào)改變末級(jí)運(yùn)算放大器的反饋電阻大小，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換前信號(hào)幅度的穩(wěn)定。當(dāng)然，這需要反復(fù)試驗(yàn)，確定一組放大倍數(shù)以及它們與反射信號(hào)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文不再詳述。
3.3 主控模塊
　　主控模塊的核心處理器為一款DSP，該芯片運(yùn)算速度達(dá)50MIPS，片內(nèi)有10K字節(jié)雙向訪問RAM，支持64K字的數(shù)據(jù)空間和64K字的程序空間^[7]，能夠滿足射頻識(shí)別系統(tǒng)的要求。主控模塊的硬件框圖如圖7所示，本系統(tǒng)采用CPLD完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯電路設(shè)計(jì)。