一种手持式超高频RFID阅读器的设计

摘  要： 设计了一种基于AS3992的手持式超高频RFID阅读器。阅读器的射频收发电路由AS3992内部集成的射频模拟前端和协议处理系统构成，基带控制由S3C2440建立的最小系统实现。对AS3992射频模块电路进行了介绍，针对天线设计了阻抗匹配电路，对S3C2440外围电路进行了设计，同时设计了Linux系统下各硬件的驱动程序以及应用程序，最后对设计的阅读器进行了测试分析。结果表明，阅读器能支持ISO/IEC 18000⁃6C协议，并且具备了可手持、发射频率可调、功能易扩展等特点，满足智能物联网市场的需求，有非常好的应用前景。

关键词： 无线射频识别； ISO/IEC 18000⁃6C； AS3992； Linux； 超高频阅读器

中图分类号： TN710.6⁃34； TP391.4           文献标识码： A                     文章编号： 1004⁃373X（2014）23⁃0080⁃04

Design of a handheld UHF RFID reader

PENG Mei，ZHENG Bu⁃sheng

（College of Electronic Information Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： A handheld UHF RFID reader was designed based on AS3992. Reader′s RF transceiver circuit is composed of RF analog front⁃end and protocol processing system， which are integrated in AS3992. The baseband is controlled by minimum system established by S3C2440. In this paper， AS3992 RF module circuit is introduced in detail. The impedance matching circuit for antenna， peripheral circuits for S3C2440， as well as drive program and application program for hardwares under Linux system were designed. The reader was tested and analyzed. The results show that the reader which can support the ISO/IEC 18000⁃6C protocol has the characteristics such as handheld， frequency adjustment and easy expansion of function. The reader which can meet the intelligent IoT market′s demand has very good prospects.

Keywords： RFID； ISO/IEC 18000⁃6C； AS3992； Linux； UHF reader

0  引  言

RFID（Radio Frequency Identification）是一种利用射频信号通过空间耦合原理来实现非接触信息传递的技术。RFID可以在低频、高频、超高频、微波等频段工作，其中超高频频段RFID具有识别距离远、读取快等显著特点，具有很高的研究和应用价值[1]。目前常见的超高频阅读器均为固定式阅读器，如文献[2⁃5]所述。而随着应用场合对手持式阅读器的需求越来越大，手持式阅读器必将成为一种趋势。目前关于手持式阅读器的文献资料相对较少，文献[6]设计的手持式阅读器其射频部分采用Chipcon公司的CC1100芯片实现，该芯片没有集成ISO/IEC 18000⁃6C协议，重新实现该协议不仅工作量大，而且不能完全满足协议射频链路的要求；此外该论文没有涉及到基于Linux系统的应用程序设计以及电源供电等方面的内容。

基于以上现状，本手持式阅读器采用完全集成ISO/IEC 18000⁃6C协议的AS3992芯片进行设计，阅读器的开发难度和复杂度都有所降低，而且有助于提高系统稳定性。本阅读器采用3.7 V锂电池供电，解决了手持式阅读器电源供电问题。阅读器可通过UART串口与PC机通信，通用性强；同时用户也可直接通过显示屏上的应用程序对阅读器进行操作，非常便利。

1  手持机方案设计

手持式超高频RFID阅读器系统分为应用层、操作系统层以及底层硬件。应用层由应用程序和超高频模块程序构成；操作系统层移植了Linux系统，通过开发硬件驱动程序驱动底层硬件；底层硬件包括主控模块和超高频读/写模块，其中超高频读/写模块包括RFID基站芯片及其外围电路、RFID天线、电子标签等。阅读器工作流程为主控制器通过接收用户在手持机应用程序上设置的命令，控制RFID基站芯片对电子标签进行读/写，读取结果可实时显示在LCD显示屏上，同时标签信息将被存入存储器或者通过UART接口存储到PC机上。系统总体硬件框图如图1所示。

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图1 系统总体硬件框图

2  硬件设计

2.1  主要芯片选取

阅读器主控制器选用三星公司的微处理器芯片S3C2440。该芯片采用ARM920T内核，具有高性能、低成本和低功耗等特点，其核心处理器包含了MMU（内存管理单元），可移植Linux操作系统，有助于整个系统的功能扩展。

超高频读写模块选用奥地利微电子公司的超高频RFID阅读器专用芯片AS3992作为RFID基站芯片。AS3992内部集成了完整的射频信号调制/解调模块、高性能 VCO，CRC码校验模块、6C协议支持模块等。

2.2  主控制器与外围电路设计

主控制器及其外围电路主要包括S3C2440最小系统[7]、存储模块、显示模块、S3C2440与AS3992通信模块、电源模块。存储模块分为主存储器和辅助存储器，主存采用SDRAM类芯片HY57V561621F，辅存包括NAND FLASH类芯片K9F1208和NOR FLASH类芯片SST39VF1601；其中NAND FLASH用于存放板载Linux操作系统，NOR FLASH用于存放系统引导程序BootLoader。显示模块采用分辨率为[800×400]的7寸LCD显示屏。S3C2440与AS3992采用并行通信方式，S3C2440的GPIO管脚（GPG0～GPG7）与AS3992的8位数据线（IO0～IO7）相连。除此之外还有CLK，CLKSYS，IRQ，EN等信号线的连接。其中CLK为并行时钟，CLKSYS为AS3992提供给S3C2440的参考时钟信号，AS3992通过IRQ中断信号以外部中断方式通知S3C2440存取数据，EN为使能引脚。

手持式阅读器区别于固定式阅读器的一个关键点是电源模块的设计。由于本阅读器需要为S3C2440，AS3992，放大器等芯片提供3.3 V，4.5 V和5 V三种电压，因此采用一节容量为4 000 mAh的3.7 V锂电池供电，通过升压和降压方式来实现电压转换；同时采用锂电池线性充电管理芯片BQ24070实现对锂电池的充电管理。

2.3  超高频读/写模块电路设计

阅读器发射部分主要由AS3992发射链路、巴伦、功率放大器、LC低通滤波器和定向耦合器组成，其结构如图2所示。基带数字信号写入AS3992的FIFO寄存器，在芯片内部先后经过PIE编码、ASK调制、滤波和信号放大等步骤；然后从AS3992芯片差分输出到巴伦的平衡端，巴伦将功率相等相位相反的平衡信号转换为单端不平衡信号；转换后的不平衡信号由增益约为33 dB的功率放大器SPA⁃2118进行放大，通过LFCN1000低通滤波器滤除不需要的信号成分和高频噪声，输入到耦合度为5 dB的定向耦合器；信号从定向耦合器的直通端经由收发一体式天线辐射出去[8]。阅读器接收部分主要由定向耦合器、巴伦、AS3992接收链路部分组成。天线接收的信号，由定向耦合器的耦合端输出，经过不平衡到平衡转换后进入AS3992的差分接收端；AS3992内部集成了I/Q两路结构的零中频接收机，克服了传统零中频接收机的零点效应，性能可靠；信号在AS3992芯片中经过ASK解调、FM0解码校验等操作后，存入AS3992的FIFO寄存器。

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图2 超高频读/写模块电路

根据ISO/IEC 18000⁃6C协议规定[9]，阅读器在接收标签信息时，将不断发射连续载波以给标签提供能量。这样在阅读器接收的同时，由于硬件设计不能满足要求，就会产生严重的载波泄露，从而降低接收信号信噪比，使得阅读器识别距离下降，解调误码率增加，最终导致阅读器整体性能下降。载波泄漏从硬件方面分析原因有：定向耦合器隔离度不够造成信号从隔离端泄漏，天线阻抗不匹配导致回波损耗增大，环境反射产生载波回传等[10]。因本系统所采用天线的特性阻抗为[（52+j8）  Ω，]所以根据Smith圆图原理设计实现了[π]型阻抗匹配电路[11]，并用矢量网络分析仪进行扫描测试。结果对比如图3所示，在0.8～1.0 GHz频段，回波损耗明显减小，且在0.9 GHz频点处S11（回波损耗特性参数）值降低到-55 dB。因此，本文设计的阻抗匹配电路工作在超高频频段（840～960 MHz）时，因天线阻抗不匹配造成的回波损耗明显减少，有助于降低载波泄漏，从而提高超高频阅读器整体性能。

3  阅读器软件设计

为实现阅读器多功能以及手持式等特点，本阅读器在S3C2440上移植了Linux操作系统，内核版本为Linux 2.6。系统软件设计主要包括两个部分：第一部分是基于Linux系统应用程序及底层驱动程序设计；第二部分是超高频模块软件设计。

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图3 系统S11扫描对比图

3.1  系统应用程序及底层驱动设计

由于嵌入式系统需要高性能、轻量级的GUI（图形用户界面）系统，因此本文移植了应用广泛的Qt图形库Library 4.7，并基于该图形库开发用户应用程序。应用程序主要包括三个功能：阅读器参数设置、标签扫描和标签信息存储。其中参数设置功能实现用户与阅读器交互，用于获取用户设置的频率、扫描时间等参数；标签扫描功能实现阅读器与标签的命令交互，用于标签盘点；标签信息存储功能用于管理标签信息。用户界面程序的工作频率参数可手动输入，扫描时间参数可在下拉菜单中选择，应用程序根据设定值配置相关寄存器，对阅读器工作方式、功耗模式、编码方式、调制方式、工作频率等参数进行设定。其中发射频率可调通过配置AS3992的PLL（锁相环）等寄存器实现。用户设置扫描开始后，阅读器启动标签盘点过程，将盘点成功的标签信息存储并显示在用户界面上。

Linux系统将存储器和外设分为3个基础大类：字符设备、块设备和网络设备。字符设备是指那些必须以有序的字符流方式进行访问的设备，块设备可以用任意顺序进行访问。本系统底层驱动程序开发涉及的硬件包括AS3992芯片、LCD显示屏、触摸屏等。以上几种硬件设备在Linux系统中均属于一般的字符型设备，只需移植相应的串口、并口、显示屏、触摸屏等字符型设备驱动程序[12]。

3.2  超高频模块软件

超高频模块软件设计主要包括超高频模块工作模式配置、标签盘点程序设计、功耗模式设置等。

AS3992有两种工作模式：正常工作模式（Normal Mode）和直接模式（Direct Mode）。正常工作模式下，芯片内部完全集成ISO/IEC 18000⁃6C协议，主控器只需操作AS3992的24 B FIFO寄存器。此外，正常工作模式下AS3992还支持23种直接命令控制，如6C协议中需要实现的命令Query、QueryRep、ACK、ReqRN等都能通过相应的命令号实现。而直接模式下，该芯片只集成了ISO/IEC 18000⁃6A/B协议的射频链路部分，编解码校验等需要在主控器中实现[13]。本文设计的阅读器针对ISO/IEC 18000⁃6C协议，因此配置为正常工作模式。

阅读器盘点标签即阅读器对标签EPC码读取，分为单标签盘点和多标签盘点。由于多标签盘点涉及到系统的防碰撞处理[14]，本文重点对其软件进行设计。本文实现的多标签盘点程序流程如图4所示。首先发送Select命令选择射频场内的标签群，之后通过发送含有[Q]值的Query命令对标签群启动一个盘点周期（起始[Q]值预设为4），然后不断发送QueryRep和ACK命令对标签进行识别，正确识别的标签序列号及信息被记录在存储器中，并在界面程序上显示。在盘点过程中，QueryRep和ACK命令需重复执行[N]次[（N=2Q-1）]来完成一轮盘点。如果盘点结束查询到冲突时隙数为0，则退出标签盘点过程；否则阅读器将根据每一轮盘点的成功时隙、冲突时隙、空时隙的数量调用防碰撞算法自动调整[Q]值，重新开始一轮盘点。

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图4 阅读器盘点多标签流程

AS3992功耗模式大致分为掉电模式、正常模式和待机模式。AS3992正常工作时处于正常模式，各个模块在此模式中都正常工作，功率消耗较大。而掉电模式和待机模式时，PLL和数据模块都停止工作，属于低功耗模式。AS3992三种模式的转换通过控制芯片状态寄存器STBY位和EN引脚的状态实现。模式转换方案流程为：读/写模块上电后，复位EN进入掉电模式；接收应用程序指令后，置位EN进入待机模式；此后，系统不停监听是否有标签进入到射频场内，若识别到标签，则置STBY为低，进入正常模式盘点标签；盘点完成后，置STBY为高，同时复位EN，重新进入掉电模式等待指令。该方案只在标签位于阅读器天线辐射场内时工作在正常模式，其余情况停留在掉电或者待机模式，有利于降低AS3992模块的功耗。

4  系统测试与分析

按照《800/900 MHz频段RFID技术应用试行规定》，通过AV4062型频谱分析仪、增益为8 dBi的圆极化天线和符合ISO/IEC 18000⁃6C协议的20个标签对本文实现的手持式阅读器进行测试。测试内容包括阅读器射频参数、阅读器对标签的EPC码盘点测试等。在距离阅读器天线1 m处，测得阅读器发射信号功率为10.0 dBm，中心频率为866.8 MHz，频谱如图5所示，扫描前后应用程序界面如图6所示，EPC码的读取测试结果如表1所示。

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图5 距离阅读器天线1 m处频谱图

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图6 扫描前后应用程序界面图

测试结果分析：由于阅读器发射的电磁波在空间传播时，其能量会随着距离的增加而耗散，所以导致阅读器的读取成功率下降。此外，阅读器读取成功率还与阅读器天线和标签天线的特性有关。由图5可以看出，阅读器正常工作时频率处于840～960 MHz之间，且能正确读取符合ISO/IEC 18000⁃6C协议的标签，证明阅读器处于正常工作状态，且满足超高频阅读器要求。

表1 不同距离时的盘点成功次数

[距离 /m＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；盘点成功次数＼&；20＼&；19＼&；17＼&；13＼&；10＼&；]

5  结  语

本文设计了一种基于AS3992芯片的手持式超高频RFID阅读器。此阅读器满足ISO/IEC 18000⁃6C协议，可通过LCD显示屏直接将标签信息呈现给用户。阅读器采用容量为4 000 mAh的3.7 V可充电式锂电池供电，并且发射频率可调（840～960 MHz）。此外，阅读器移植了Linux操作系统，使整个系统软件运行更加合理高效，同时便于其他功能的扩展。实际测试结果表明，设计的系统满足手持式超高频RFID阅读器的要求，具有重要应用价值。

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