基于AS3992芯片的远距离RFID读写器设计

Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　

基于ＡＳ３９９２芯片的远距离ＲＦＩＤ读写器设计　

许煜，闻扬，戴锡春　（上海宝信软件股份有限公司机电成套事业本部，上海２０１２０３）　摘要：介绍了一种基于ＡＳ３９９２芯片的远距离ＲＦＩＤ读写器设计。通过ＡＳ３９９２内部集成的模拟　前端和协议处理系统，配合基带的ＭＣＵ控制，实现了在通信频率８４０　ＭＨｚ－９６０　ＭＨｚ内发射功率可调、　天线接口可切换等实用功能。为了达到更远的传输距离，使用了多种阻抗匹配网络对微带线阻抗进行　微调，且对输出功率加以检测，有效防止了盲目增大发射功率导致接收干扰而影响识别距离的问题。　设计了４个天线接口，扩展了读写器的应用距离，同时减少了单天线的盲区，降低了误码率。　关键词：ＵＨＦ　ＲＦＩＤ；ＡＳ３９９２；载波；功率放大器　中图分类号：ＴＰ３９１．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７４—７７２０（２０１２）Ｊ８—００３２－０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅ　ＲＦＩＤ　ｒｅａｄｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＳ３９９２　ｃｈｉｐ　Ｘｕ　Ｙｕ，Ｗｅｎ　Ｙａｎｇ，Ｄａｉ　Ｘｉｃｈｕｎ　（Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｏｒｙ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｇｒｏｕｐ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｂａｏｓｉｇｈｔ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｌｏｎｇ—ｒａｎｇｅ　ＲＦＩＤ　ｒｅａｄｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＳ３９９２　ｃｈｉｐ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎａｌｏｇ　ｆｒｏｎｔ—ｅｎｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＭＣＵ　ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ，ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ａｎｔｅｎｎａ　ｐｏｒｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　８４０　ＭＨｚ～９６Ｏ　ＭＨｚ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｌｏｎｇｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ．ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｆｉｎｅ—ｔｕｎｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｅｒｏｓｔｒｉｐ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｔｏ　ｂｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｂｌｉｎｄｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，　ｆｏｕｒ　ａｎｔｅｎｎａ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｅｘｔｅｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｄｅｒ　Ｓ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｂｌｉｎｄ　ｓｐｏｔｓ　ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ．　Ｋｅｙ　ＷＯｒｄｓ：ＵＨＦ　ＲＦＩＤ；ＡＳ３９９２；ｃａｔｔｉｅｒ　ｗａｖｅ；ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　随着物联网在智能电网、智　能交通、智能物流和生态监视广＿＿＿＿　等国民经济方方面面的大量应　Ｉ　曩波　用，ＵＨＦ频段的ＲＦＩＤ技术更是——厂　发展迅速，它是一种非接触式的广　■　自动识别技术，通过射频信号　ｌ放大器　可以自动识别目标对象、获取　一　相关数据，识别工作无须人工ｌ多路天线　一　于预，适用于各类恶劣环境…。　巴伦　环路滤波器　ＬＣ阻抗　匹配网络　集成ＲＦＩＤ　芯片　耦合器ｌ—　低噪放卜＿—叫巴伦　高频开关ｌ　Ｉ功率检测　ＲＦＩＤ系统由标签、读写器和天线三部分构成，其中　ＲＦＩＤ读写器最为关键。　１系统方案设计　基于ＡＳ３９９２芯片的远距离ＲＦＩＤ读写器系统主要　包括射频部分和基带部分，如图１所示。射频部分围绕　ＲＦＩＤ集成芯片ＡＳ３９９２展开设计，环路滤波器配合内置　ＶＣＯ产生精确频率；发射链路主要由巴伦、功率放大　器、耦合器、高频开关和多路天线接口组成，在关键通路　３２　ＭＣＵ　主控制器　

图１　ＲＦＩＤ读写器系统框图　外围　接ｒ＿ｉ　

上使用ＬＣ网络和叮Ｔ型网络调整阻抗匹配；射频接收链　路由天线、高频开关、耦合器、低噪放和巴伦组成。基带　部分配置了可升级的ＭＣＵ主控制器及通用外围接口。　２硬件电路设计　２．１　ＡＳ３９９２及其外围电路　ＡＳ３９９２是奥地利微电子推出的一款高性能ＵＨＦ频　段的读写器芯片，它集成了混频器、增益滤波器、压控振　荡器、锁相环、模数／数模转换器等模拟前端，并且内置　《微型机与应用》２０１２年第３１卷

第ｌ８期　万方数据。ｌ差　冁习　跫Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　了ＩＳＯ１８０００—６Ｃ的完整协议处理系统。外部控制器仅需　通过８位并口或者ＳＰＩ口即可实现对ＡＳ３９９２的所有通　信和控制［２－３１。　ＵＨＦ载波信号的通信频率为８４０　ＭＨｚ～９６０　ＭＨｚ，　ＡＳ３９９２集成了ＶＣＯ、预分频器、主除法器、参考除法器、　鉴相器和电荷泵，外围电路只要提供一个环路滤波器即　可组成一个完整的锁相环（ＰＬＬ）电路，如图２所示。ＰＬＬ　的输出频率由参考除法器的设定值和主除法器的乘积　决定。电荷泵（ＣＰ）的主要作用是将数字逻辑脉冲转换为　模拟电流。ＣＰ信号经过低通滤波器反馈到ＶＣＯ引脚用　来调整振荡器频率精度。为了获得稳定的ＶＣＯ调谐电　压，外部的环路滤波电路特别重要，它起到了维持环路　稳定性、控制环路带内外噪声、防止ＶＣＯ调谐电压控制　线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰等重要作用。　微调量加载到功率芯片ＳＫＹ６５１１１的二三级电压控制　端，使得发射功率可控。　２．３射频接收电路　基于ＡＳ３９９２芯片的射频接收电路相对简单，因为　它把混频器和滤波器集成在了ＡＳ３９９２芯片内部，外围　电路只需要增加一片１：２的巴伦，就可以把单端信号转　换成差分对信号，送入ＡＳ３９９２芯片的射频接收管脚。为　了减少杂波干扰提高射频接收信号的纯度，在耦合器和　巴伦之间加上一片低噪放，使得巴伦的输入信号被限制　在８４０ＭＨｚ～９６０ＭＨｚ之间。　３软件程序设计　ＡＳ３９９２的固件程序写在ＭＣＵ主控制器中。把ＲＦＩＤ　系统通过外围接口与计算机连接起来，上电后首先对　ＡＳ３９９２芯片初始化；成功之后可以进行频段、天线接口　

图２锁相环结构图　２．２射频发射电路　ＡＳ３９９２芯片射频信号以差分对的形式输出，使用　ＬＣ阻抗匹配网络可以将巴伦的输入端阻抗精确匹配到　１００　ｎ，通过２：１的巴伦即可输出单端ＵＨＦ信号。若仅使　用ＡＳ３９９２内部功放，则其输出功率最大仅为２０　ｄＢｍ，只　能满足近距离渎写。若要达到更远的读写距离，必须通　过外部功率放大器进行无失真放大；同样为了整条射频　线路的阻抗匹配，在巴伦和功放间放置叮Ｔ型滤波网络　进行阻抗微调。　功率放大器可以将已经被调制过的高频载波信号　进行功率放大，经过天线辐射到周围以满足接收机需要　的激励电磁场强度，并且对相邻信道不产生影响。功率　芯片ＳＫＹ６５ｌ１１采用三级电压控制，１　ｄＢ压缩点增益在　２９．５　ｄＢｍ。使用ＡＳ３９９２自带的ＤＡＣ，结合电压跟随器可　以方便精确地调节功放的输出功率；此外当外部功放固　定时，通过ＡＳ３９９２自身发射功率的调节亦可适应不同　距离的应用。　微波信号输入／输出的隔离需要通过耦合器，经过　耦合器出来的信号进入一分四高频切换开关ＳＫＹ１４１５１，把　路信号根据应用需要可以切换到任一选中的天线接　口。读写器设计的４个天线接口，不仅扩展了其应用距　离，而且由于一个读写器可以有多个分节点发送和接收　信息，当４个天线都对准同一个方向时，还能够减少单　天线的盲区降低误码率。　为了增加ＲＦＩＤ渎写器的最远距离，还需要对其发　射功率进行检测。发射功率太大不仅会引起失真，还容　易泄露到接收端形成干扰，所以一旦功率检测器件监控　到大于设定功率时，通过主控制器数字ＰＩＤ和ＤＡＣ把　《微型机与应用》２０１２年第３１卷第ｌ８期　和输出功率的设定ｆ频段选择取决于各国标　准，天线接口可以根据需要切换，输出功率　的大小通常决定了读写距离的远近）；主控　制触发查询标签动作，若发现天线辐射有　效范围内有标签存在，则选中标签准备通信，　否则反复查询；主控制器和标签通信握手成功后，把标签　信息送回上位机，完成一次读卡操作。系统程序流程图如　图３所示。　４系统测试　使用频谱仪对所设计的　ＲＦＩＤ系统进行性能测试，天　线接口的发射频谱如图４所　示，最大发射功率为２７　ｄＢｍ。　当把发射功率设定在１５　ｄＢｍ时，从如图５的发射频谱　上可以看到，信道功率为　１４．３１　ｄＢｍ，占用带宽（９９％能　量）为１１９　ｋＨｚ。　本文设计了一个基于　ＵＨＦ频段的远距离ＲＦＩＤ模　块化系统。随着数据传输和　分辨率的要求提高，ＭＣＵ主　控制器可以不断升级，以适　应事务控制的扩充和处理速　度的提高。本设计对输出功　率的检测可以防止盲目增大　发射功率导致接收干扰而影　响识别距离的问题。目前，　本系统已成功运用于宝钢热　轧环形轨道运输车的定位。　参考文献　［１】游战清，李苏剑．无线射频识　别技术（ＲＦＩＤ）理论与应用［Ｍ］．　初始化　频段设定　天线选择　功率设定　查询标签　

信息交互　芝竺　Ｉ：　信息回送主机　Ｎ　

Ｎ　

【竺墨Ｊ　图３　ＲＦＩＤ系统程序流程图　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ　

３３　万方数据幽　塑　．　呈　呈　！　

４最大功率发射频谱　北京：电ｆ工业　版社，２００４．　【２】Ａｕｓｔｒｉａ　Ｍｉｅｒ，【）ｓｙｓｔｅｍｓ．Ａ￥３９９２　ＵＨＦ　ＲＦＩＤ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｒｅａｄｅｒ　ＥＰＣ　Ｃｌａｓｓ１　Ｇｅｎ２　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ［Ｚ］．２０１　１．　【３】谭海燕，崔奠¨存，肖志良，等．犀丁ＡＳ３９９０／３９９１的超高　频ＲＦＩＤ渎　器的设计［ＪＩ．电于技术心用，２０１０，３６（３）：　２３—２５．　（收稿日期：２０ｌ２—０７—２５）　（上接第２９页）　ｓｔｅｐ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉ（１『ｌ　ａｎｄ　ｓｅｇｍｅｎｌｅｄ　ＤＡＣ【Ｊ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｉｒｅｎｉｔｓ　ａｌｌ（￣Ｓｙｓｔｅｍ，２００６，５３（９）：８４８—８５２．　【５　ｌ　Ｃ１ＮＩ　Ｄ，ＳＡＭＯＲＩ　Ｃ，ＬＡＣＡＩＴＡ　Ａ　Ｉ　．Ｄｍｔｂ｜ｅ—Ｉｎｄｅｘ　ａｖｅｒ—　ａｇｉｎｇ：ａ　ｎｏｖｅｌ　ｔｅｃｈｉｎｑｕｅ　ｆ　￣ｌｙｎａｍｉ（‘ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　ｓｉｇｍａ一（ｔｅｈａ　Ａ／Ｄ　ｃｏｎｖｅｒｌｅｔ’ｓ…．ＩＥＥＥ　Ｆｒａｎｓａｅｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｉｒ－　ｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｎｌｓ　ＩＩ：Ａｔｌａｌｏｇ　ａｎｄ　１）ｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．　１９９９。４６（４）：３５３—３５８．　１６］欧仲，吴晓波．岛精螋低功牦多　量化∑一△调制器的设　｝ｆ—ｌ　Ｊ１．卡ＪＬ电　，２００８，２５（１２）：２８—３０．　【７］韩俊，ｒ　东．基于　关电容技术的∑一△渊制器的设　ｆＩ‘ｌＪ１．微电ｒ学，２０ｌ１，４１【３１：３５４—３５８．　ｆ８１　ＮＧＵＹＥＮ　Ｖ　Ｆ，ＬＯＵＭＥＡＵ　Ｐ，ＮＡＶＩＮＥｌ／ｊ　ＶＨＤＬ—ＡＭＳ　ｂｅｈａｖｉｏｒａＩ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｐａｓｓ　ｄｅｌｔａ—ｓｉｇｍａ　ｒａｏｄｕｌａｔｏｒＩ　Ｃ　１．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｔ　ｔｉｌｅ　２００５　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｌｉｏｎａｌ　（上接第３１页）　微控制器模块化综合实训半白　同于常见的实验　箱，大致叮将其分为主板和功能模块两大部分，使用者　根据需求白行连接。陔平台不但功能强大、结构清晰、端　口开放，而且便于使用和携带、方便教学，适合各类想要　学习单片机的人群。ｌ１Ｊ以仃效地调动使用者的积极性，　激发其创造性思维能力。做控制器模块化综合实训平台　的设计与研究依托下江苏省大学生科技创新课题，目前　已经被应用于“南京：［程学院自动化学院卓越工程师　班”的单片机系统设计及应川的教学巾，学生、老师对其　反应良好。　参考文献　［１］邹成全．单片机原理　实验敦程［Ｍｌ＿西安：婀安电ｆ　３４　嚣　＂　【　ｅ　ＭＲ睁　两。－ｌ　￥７３￣７５　：　··＋　５设定值时的发射功率频谱　作者简介：　许煜，男．１９８４牛生，：　师，倾士研究，　，至　研究　向：嵌入式系统。　闻杨，男，１９７９午生，硕士研究生，丰要研究方向：计算　机应用技术。　戴锡春，男，１９７９年生，高级Ｉ　程师，主要肼究　向：钢　铁物流标记装置．　；！！ｉ　｜ｉｉ；；；ｉｊｉｉ；ｊ；ｉｊｉ Ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ．Ｓａｎ　Ｊｏｓｅ，ＣＡ，　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ：Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｅ｜ｒｉｃａｌ　ａｎ（１　Ｅｌｅ（＇ｔｒｏｎｉｅｓ　Ｅｌｌ　ｇｉｎｅｅｒｓ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｏｃｉｅｔｙ．２００５：ｌ０６—１　Ｉ１．　【９】ＹＡＶＡＲＩ　Ｍ，ＳＨＯＡＥＩ　Ｏ，ＡＦＺＡＬＩ　Ｋ　Ａ．Ａ　ｖｅｌＹ　ｌｏｗ—ｖｏｈａｇｅ，　ｌｏｗ—ｐｏｗｍ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｉｇｍａ－ｄｅｈａ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ｉ　）１．　ｄｉｇｉｔａｌ　ａｕｄｉｏ　ｉｎ　０．２５一　Ⅱ】ＣＭＯＳｌ（：１．ｊＳＣＡＳ，２００３：１０４５—　１０１８．　（收编Ｈ期：２０ｌ２—０５—０７）　作者简介：　王亮，男，１９８７年ｔ　，硕士研究牛，　要蚪究　阳：使拟　射频集成电路设计。　杨晓，男，１９７８年生，博上，硕士　｝　导师，主要研究方　向：模拟射频集成电路设计。　齐骋，男，１９８７年生，侦十研究ｑ－，主璺研究疗向：模拟　射频集成电路没计。　科技大学　版礼，２００７．　［２　Ｊ江　明．模块化电子实验平白的构缱　ｊ创新型人才培养　的研究ｌＪ　Ｊ．电气电子教学学报，２００８，３０（２）：９８—１００．　『３１伍冯浩，谢陈跃，数文恺．Ｐｒｏｔｅｕｓ住虚拟　片机实验教　学中的应川ｌ　Ｊ１．实验率科学，２００９（３）：ｌ０１一ｌ０３．　【４］Ｉｎｔｅ１．ＭＣＳ一５１　ｆａｍｉｌｙ　ｏｔ　ｓｉｎｇｌｅ【　ｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃ（）ｍｐｕｔｅｒｓ　ＵＳｅｌ　Ｓ　ｎ３ａｌｌｕａｌ（ｚ１．】９８　Ｊ．　（收俯日期：２０１２－０７—２３）　作者简介：　孙维超，男，１９９２年牛，本科，土要研究　：微型计算　机控制。　高权，男，１９９０年牛，本科，主要研究方　：自动化。　解广云，男，１９９０年乍，４王科，主要研究方　：自动化　《微型机与应用》２０１２年第３ｌ卷第１８期　鼹　鬻　ｌ　６