一种微波频段有源RFID系统设计

1.引言

RFID(RadioFrequeneyIdentification)射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。射频识别系统主要由阅读器和电子标签两部分组成，数据存储在电子标签中，当电子标签进入阅读器有效作用距离内，双方即可按照一定的协议进行通信。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。 短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等[6]。另外，由于该技术很难被仿冒、侵入，使电子标签具备了极高的安全防护能力。RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。各国及相关国际组织都在积极推进RFID 技术标准的制定。目前，还未形成完善的关于RFID的国际和国内标准。当前主要的RFID 相关规范有欧美的EPC 规范、日本的UID(UbiquitousID)规范和ISO 18000系列标准。

RFID电子标签种类很多，分类方式多样。按照供电方式可分为有源和无源的电子标签;按照载波频率可分为低频(134.2kHz)、高频(13.56MHz)、超高频(433MHz和915MHz)，以及微波电子标签(2.45GHz以上)[6];RFID电子标签的单项技术已经趋于成熟，但不管在物流业还是制造业的实际应用中还存在大量的技术难题。如：经济性、信号干扰、识别率的提高、信息安全和隐私保护、标准化等问题。

基本 RFID 系统由 RFID 标签(Tag)、RFID 阅读器(Reader)及应用支撑软件等几部分组成。CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。同时也适用2.4 GHz频率的设备。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类[5]。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。特别适合应用于RFID系统的设计。本文以TI公司的CC2430为核心，设计有源RFID标签。使用3。3-4。5V。可使用纽扣电池供电，该芯片功耗低。所需外围电路少，高频元件全部集成于芯片内其工作性能稳定不受外界影响。非常适合于对低功耗，高性能要求的应用环境。

2．标签的硬件设计

2．1 硬件电路结构

典型的有源RFID标签由天线，射频模块，控制模块，存储器，唤醒电路，电池模块等组成如图1所示。其中射频模块完成调制和解调标签和读写器之间的控制信号和应答信号。控制器执行读写器的指令。存储器存储标签的相关信息和单片机的控制程序。控制器对存储器进行读写操作。射频模块包括发射部分和接收部分。发射部分主要有调制器，功放，带通滤波器，混频器和本振等组成。接收部分由低噪放，带通滤波器，解调器，检波整形等组成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的无线通信系统部分只需添加少数的外围电路即可使之构成无线通信模块，这样降低了系统成本和简化了标签的设计。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封装，共有48个脚。全部引脚可分为I／O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。特别适合应用于RFID系统的设计。本标签设计匹配电路使输出匹配50欧的微带贴片天线。PCB设计中全采用表贴元件，这样简化了系统的复杂度和标签的尺寸大小。整个PCB控制在10CM*5CM内，满足了标签小型化的设计。标签的电路图如图2所示。

2．2 标签的低功耗设计

对于有源标签，由于其使用电池供电，所以标签的工作寿命有限这就要求标签要节能并且其功耗要低。从而节省电池的能量达到延长标签的工作寿命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25 mA。在标签的设计过程中加入一定的控制程序可使得标签仅在读写器的工作范围内才进入工作状态响应读写器的查询请求。从而最大程度的节省了能量。

2．3 读写器的设计

读写器要与计算机应用网络连接。我们采用串行通信方式。其最大传输距离30米．通信速率一般低于20kbps[7]。由于大多数MCU计算机上的串行口都是RS-232C标准的９芯接口．而MCU的引脚一般输入／输出使用TTL电平，距离短传输质量差．所以我们要转换这两种不同的电平才能正确的实现读写器与计算机的通信连接．读写器的电路图如图3所示。

3．标签的软件设计

3．1 寄存器的设置

芯片射频部分的重要参数，如：接收地址，收发频率，无线传输速率，收发模式等均要在其相应的寄存器配置字里面设置。正确的设置这些参数可以提高标签的工作效率和可靠性。

3．2 标签工作流程

标签在平时处于断电状态，当标签进入读写器的工作区域内。唤醒信号的能量使功率比较器输出高电平激活触发器使之控制电源芯片为主电路供电。这样标签控制器按照防碰撞算法程序在适当时机从存储器读出标签的信息，然后将其通过射频模块调制，放大通过天线发射出去。当读写器正确识别标签后将发送该标签的关闭信号。标签收到后进行判断，如果为本标签的关闭信号，则标签不再向读写器发送信息。当标签离开了读写器的工作范围时。触发器控制电源开关芯片使标签主工作电路断电。从而达到节能的目的。标签的工作流程图如图4所示。

3．3 计算机端软件设计

计算机端设计的软件界面如图所示，它由串口设置区，通信状态区，接收和发送区，ID 信息显示区组成。当标签收到读写器的请求后，发送自身的信息给读写器，通过天线接收读写器对信息进行处理相应，然后通过串口发送给计算机。计算机在数据库中查询相应的信息进行处理后。将其对应的信息显示在软件界面上如图5 所示。