基于R2000的高性能多天线结构读写器方案设计.doc
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1、基于R2000的高性能多天线结构读写器方案设计近年来,随着信息技术的不断发展与进步,物联网技术得到了飞跃发展,并拥有广阔的应用前景。无线射频识别(RFID)作为物联网中的重要技术,其应用前景随着物联网技术的深入发展受到越来越多的关注。而随着低功耗和高性能集成射频收发芯片的不断推出,小型化、模块化、高性能的超高频RFID读写器也应运而生。本论文主要是设计一款基于R2000的高性能多天线结构读写器,和一般UHFRFID系统产品开发流程一样,按照应用需求分析、确定指标参数、制定系统方案、硬件电路设计、_上位机软件设计、系统集成、整机性能测试、形成产品顺序进行,整个项目产品开发流程如图2-1所示。(1
2、)应用需求分析在该阶段主要是通过市场调研了解市场需求。本文涉及的读写器产品是应广东省中山市一家公司的需求而设计,主要是面向仓储管理、物流供应链管理两个应用领域。这两个应用领域需要读写器能够对电子标签实现远距离无漏识别,同时要求无漏识别速度快。(2)确定指标参数在了解市场单位的应用需求一设计一 -款能对电子标签实现高速、无漏、远距离识别的读写器,为此需要先确定电路总体参数指标要求,并将指标细化分到各个部分,从而确定器件的选择范围, 便于总体方案设计。(3)制定系统方案确定了电路指标参数后,需要根据各电路模块要求选择合适的芯片器件,并将器件关键引脚标注出来,将各部分电路框图连接,构成整个系统方案。
3、在这个过程中需要考虑系统方案的可实施性,同时尽量优化设计研发成本。(4)设计硬件电路在制定系统方案时只是粗略描述了电路各部分的框图,在硬件电路设计过程中需详细设计各电路原理图, 以及电路模块的接口形式,为组成电路系统做好前期准备。(5)系统集成在这个阶段主要是将电路整体联系起来,设计整个电路的原理图和PCB版图,逐步焊接电路并调试电路保证电路每部分都能正常工作,最后将各电路模块组合在一起构成一个电路系统。(6)整机性能测试待电路调试通过后,将电路模块安放在读写器磨具内,烧写和配置相应的驱动程序和控制程序,模拟实际应用环境,进行整机性能测试。(7)形成产品整机性能测试完成后,需要进行稳定性和高低
4、温测试,待所有测试通过后,贴_上合格证,将产品放进包装盒内,准备出货。2.2、超高频RFID系统组成超高频RFID系统有四个重要组成部分,分别为上位机系统、读写器、天线和电子标签,此系统的工作过程是0-1:。上位机发送指令给读写器, 读写器在上位机指令的控制下,开启射频模块发送高频信号,通过天线在RFID电子标签周围形成磁场,当磁场强度足够大时,标签内部的芯片电路被激活,然后将自身携带的信息加载到电磁波中返回给读写器,读写器接收并转换数据信息,再通过上位机的加工处理,完成电子标签信息的获取过程。而当标签离开射频磁场时,标签由于没有足够的能量激活芯片电路而处于休眠状态。整个系统组成如图2-2所示
5、:2.2.1上位机本文中的上位机主要是指集成在整个设备内部,与射频模块通信的PC主控机。超高频RFID读写器需要上位机发出控制指令启动读写器发送射频信号,读写器接收到标签返回的信号也需要上位机处理并进行存储,实现整个超高频RFID系统的正常工作。2.2.2读写器超高频读写器( Reader)即射频模块, 是整个RFID系统的关键组成部分。首先射频模块决定了整个系统的工作频段;其次,读写器的发送功率和接收灵敏度直接影响整个系统的最大识别距离。射频收发电路、数字基带控制电路和电源管理模块是读写器的主要组成部分。射频发射链路主要是产生高频载波信号,完成基带信号的调制与功率放大,以便为电子标签提供足够
6、的能量。射频接收电路则实现对电子标签返回信号的解调与低噪声放大。数字基带电路用来解析上位机控制指令,以便控制射频收发电路的工作。电源管理部分主要是给各电路模块供电,使各电路模块能够正常工作。2.2.3天线天线(Antenna)是一种无源装置,用来实现电磁波与电流信号的相互转换。天线在超高频RFID系统中主要用来发送与接收高频载波信号。超高频RFID系统的天线配置可以采用收发分离与收发合一一两种形式。收发分离主要是采用两个天线将射频信号分离,-一个用来发送读写器输出的射频信号,另一个用来接收标签返回的射频信号,采用这种方式射频收发信号间的相互干扰小,成本相对较高。收发合一则是用环形器或定向耦合器
7、实现收发信号的分离,该方案中射频收发信号间的相互干扰较为严重,需要有效地抑制射频载波泄漏对接收信号的干扰。考虑到实际设计成本与简化电路结构,本设计中的读写器采用定向耦合器搭建收发分离电路结构并使用增益为8dBi的圆极化天线。2.2.4电子标签电子标签(Tag) 是数据信息的载体,主要由偶极子天线、谐振电容以及微型IC芯片封装而成!41。RFID读写器发送的电磁波在空间形成磁场,当标签进入磁场范围内且磁场能量足够大时,标签芯片中的电源管理电压便依靠此电磁波能量感应出电压为标签芯片供电,并将内部信息加载到电磁波中并返回读写器,完成读写器与电子标签之间的无线通信。标签的灵敏度对射频识别系统读写距离有
8、着举足轻重的影响。本设计中的超高频RFID读写器采用E4IB仓存物流标签和Monza4QT标签,两款标签接收灵敏度均在- 15dBm (30uW)左右,能够到达远距离识别的要求。2.3、系统功能分析考虑到常规单天线或四天线读写器盘存范围受限,本论文中提出设计多天线结构的读写器方案,让天线能够覆盖仓库的每个角落,确保仓库内所有货物上的RFID电子标签都能被读写器无漏识别。鉴于分立电路元件搭建的射频收发系统过于复杂,电路体积庞大,在设计电路方案时,考虑采用高集成度芯片作为主射频收发芯片来实现电路方案,在保证电路性能的前提条件下,简化电路结构,并设计成了射频收发电路模块,可以独立与其他上位机使用,进
9、一一步简化了整套设备的电路模块组成结构, 并提高整个电路系统稳定性。当前RFID技术中的信息安全问题时常发生,导致商家或者个人的重要信息泄露,这阻碍了RFID技术的进一一步发展与普及。为了消除RFID技术中的信息安全隐患,在设计过程中结合特殊技术, 通过上位机软件实现对标签的加密处理,需要输入密码口令才能访问商家或者个人私有信息内容。结合上述功能需求与当前市面_上读写器的特点,本文设计的读写器要求的性能指标如下:(1)工作频段: 840 MHz 960 MHz;(2)最大输出功率:30 dBm;(3)接收机灵敏度:-80 dBm;(4)识别标签距离:15米;(5)无漏识别标签数目: 2200张
10、(10s内);(7)射频模块功耗:10W;(8)实时显示设备的工作状态;(9)标签信息安全。为了实现上述功能,在设计超高频台式读写器系统过程中,从高读写性能、多天线结构、工作指示功能、读写信息安全四个方面考虑软硬件电路的设计。2.3.1高读写性能在设计超高频RFID读写器硬件电路结构时,需采用阻抗匹配网络和低插入损耗电路结构,使得射频信号功率从源端向负载端的最大化传输。设计完成的超高频RFID读写器射频端口最大输出功率需达到31 dBm,能够在10s内快速无漏识别240张超高频RFID电子标签,整个读写器接收机灵敏度小于-80 dBm。在测试过程中采用8dBi增益的天线与接收灵敏度为-15dB
11、m的E4IB电子物流标签,电子标签最大可被识别的距离超过15米。超高频RFID读写器识别电子标签过程如图2-3所示。RFID读写器发射高频载波信号,此信号经过天线转化为电磁波,而电磁波在空间介质中-一般有传输损耗。整个读写器采用圆极化天线, 假设天线在方向角包围的曲面区域各方向均匀辐射能量,且能量密度在该曲面各处相同,对于此类各向同性天线,其接收功率与天线有效面积成正比。在距离天线L米远处,天线的辐射面积为s,则在设计过程中通过两级开关,共配置十六个天线端口,采用时分复用的方式,每个天线端口都可以独立工作,进行电子标签的盘存和初始化工作。多天线结构能够覆盖更大的空间区域,保证在仓存管理过程中能
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- 关 键 词:
- 基于 R2000 性能 天线 结构 读写 方案设计
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