RFID（射頻識別）技術是近年來發(fā)展迅速的一種自動識別技術。射頻識別的距離可從幾十厘米至幾米，這是由系統(tǒng)工作頻率和標簽類型（有源和無源）決定的；根據(jù)電子標簽的讀寫方式，又分為只讀標簽和可讀可寫標簽；對于單次或多次可寫的標簽，依其內存大小?？梢暂斎霐?shù)個甚至數(shù)千個字節(jié)的信息；同時，電子標簽還具有極高的保密性。射頻識別技術適用的領域主要包括：物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合，要求頻繁改變數(shù)據(jù)內容的場合尤為適用。  



UHF RFID讀卡機是指工作在UHF頻段的RFID閱讀系統(tǒng)，國際通用的UHF頻段就是ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)藥）公用頻段，如865_868MHz、902_928MHz等頻段，它們分別適用于不同的國家或地區(qū)，前者是歐洲使用頻段，而后者大多在美國、加拿大等國家使用。高頻系統(tǒng)的基本特點是電子標簽及讀卡機成本均較高、標簽內保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠，適應物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性。  



目前，關于RFID系統(tǒng)的國際標準很多，尚不統(tǒng)一。主要的標準包括ISO/IEC 15693（13.56MHz）、ISO/IEC 18000， ISO/IEC 18000 part 6規(guī)定的是UHF頻段RFID的空中接口協(xié)議。還有其他的標準組織，如美國標準組織（Auto-ID、Global EPC）以及日本標準組織等相應標準。 中國也正在制定符合本國市場需求的中國標準。  



典型RFID系統(tǒng)組成及工作原理  


典型RFID系統(tǒng)組成  


本文介紹的是UHF無源讀卡機的設計原理，典型RFID的系統(tǒng)組成。如圖1，射頻識別系統(tǒng)的組成一般至少包括兩個部分：   


       （1） 電子標簽（Tag）    


       （2） 讀卡機（Reader）  


其中，電子標簽也常稱為標簽、射頻卡、Tag、Transponder，而讀卡機也常稱為讀卡器、Reader、Interrogator。當然一個完整的RFID系統(tǒng)還必須包括主PC、讀卡機天線、接口電纜、終端監(jiān)控軟件等，有時一個RFID系統(tǒng)還需要跟internet相連以獲得遠端的數(shù)據(jù)信息或跟多個RFID系統(tǒng)相連。  

       圖1　典型的RFID系統(tǒng)

電子標簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實際應用中電子標簽附著在待識別物體的表面。讀卡機可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。進一步通過計算機及網絡實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。  



電子標簽是將體積極小（＜1mm2＝的芯片跟尺寸適中的天線固定在一起的，一般標簽天線為頻率受限器件，考慮到工作頻段和增益的要求，天線不能做得很小。標簽天線可以是單天線結構也可以是多天線即極化隔離結構。讀卡機同樣包括至少一付天線跟標簽進行通信，讀卡機的天線一般沒有尺寸限制，其極化方式也是根據(jù)應用場合不同分別設計的，如果讀卡機天線是園極化形式，那么對標簽的安裝方式則沒有任何要求。  



RFID系統(tǒng)工作原理  



目前，國際上UHF RFID電子標簽大多是無源標簽。對于無源的電子標簽，其工作所必須的電源是通過對讀卡機天線發(fā)射來的射頻信號進行檢波得到的。當裝有電子標簽的物體目標進入到讀卡機天線的有效覆蓋區(qū)域里時，因為標簽天線的工作頻率同為讀卡機天線的工作頻率，則標簽天線接收到足夠功率的射頻信號，位于標簽芯片前端的電荷泵電路便開始工作，它將天線接收送來的這部分信號轉換成直流電壓供后端的電路使用。  



讀卡機天線發(fā)射的是AM波，被標簽天線接收到的該AM信號一部分進入檢波電路（電荷泵），另外一部分信號則進入解調電路，解調電路輸出的是AM波的包絡信號，包括讀卡機發(fā)給標簽的時鐘校正、同步等指令。而標簽在對讀卡機的各種指令進行分析、執(zhí)行之后，將事先儲存在ROM里的唯一的ID信息再調制到讀卡機的發(fā)射信號上，最常使用的調制技術就是反向散射調制。標簽反向散射的調制信號非常微弱，被讀卡機的天線接收送入接收、解調電路，再經過DSP處理，從而得到正確的標簽ID信息。  



UHF RFID讀卡機設計原理  



本系統(tǒng)工作屬于半雙工模式，遵循ITF（讀卡機講話優(yōu)先）原則，即標簽是否需要回發(fā)信號建立在有沒有接收到并正確解調出讀卡機發(fā)來的指令，也就是說，系統(tǒng)開始工作時，先由讀卡機發(fā)出一系列的讀標簽指令，當標簽進入讀卡機天線的有效覆蓋區(qū)域時，會被電磁場激活，開始解調讀卡機的指令，只有正確得到讀指令后，標簽才會將自己的ID信息等數(shù)據(jù)通過反向散射的調制方式回發(fā)給讀卡機。  



本文介紹的是多通道零中頻檢測技術的應用，重點在于接收電路的介紹，對發(fā)射信號（功率源）的產生、發(fā)射調制電路以及DSP信號處理、控制電路等不做詳細闡述。  



研制成功的900MHz RFID讀卡機系統(tǒng)原理圖如圖2所示。合成器（Sythesizer）產生系統(tǒng)工作所需要的902~928MHz頻率信號，經過適當?shù)木彌_放大之后分成兩路，一路進入調制、發(fā)射電路，另一路進入接收電路作為本振信號，而來自天線的標簽回發(fā)信號同樣進入接收電路，跟本振信號共同作用在多通道零中頻解調電路上。  

       圖2　UHF RFID讀卡機系統(tǒng)原理圖

MCU控制頻率合成器產生系統(tǒng)工作所需要的RF信號，該RF信號被分為兩路分別送入調制發(fā)射（Modulator&PA）電路和接收（Receiver）電路。從MCU發(fā)來的發(fā)射信號（Transmission Data）被調制到RF信號上成為AM調幅波，利用發(fā)射天線（ANT）輻射出去，當標簽進入讀卡機天線的有效識別區(qū)域內后，開始跟讀卡機進行無線通信，標簽回發(fā)信號非常微弱，被讀卡機接收天線接收后送入接收電路，最終經過解調得到標簽回發(fā)的數(shù)據(jù)信息送回MCU。而MCU通過串口或以太網接口跟主計算機相連，通過控制軟件可以實現(xiàn)對讀卡機操作，如讀卡、寫卡等命令。  



零中頻技術應用  



在選擇接收機電路方案的時候，設計復雜度、成本、功耗等是首先需要考慮的，常見的兩種接收機設計原理包括超外差式和零差式。超外差接收機不僅電路復雜，成本也非常昂貴，相比之下，零差接收機（也叫零中頻接收機）只需要一級同頻混頻器就可以直接得到解調信號（即基帶信號），不僅極大的降低了成本，而且結構非常簡單，調測試方便。  

       圖3　通道零中頻接收電路

研制的UHF RFID讀卡機接收電路設計原理圖3所示，其中包括4通道零中頻接收電路。其中，900MHz移相網絡使用分立元件電感、電容實現(xiàn)，跟傳統(tǒng)的微帶線移相網絡相比，極大的降低了PCB布板的面積。  



A點的本振信號為連續(xù)波，用VLA(t)=Acosω0t表示，A為信號幅度。本振信號經過三級移相，在B、C、D點分別形成信號如下：B點VLB(t)=Acos(ω0t+π/4)、C點VLC(t)=Acos(ω0t+2π/4)、D點VLD(t)=Acos(ω0t+3π/4)。  



天線接收到的標簽回發(fā)信號為AM波，假設在D點的接收信號為VRD(t)=B(t)cos(ω0t+φ)，其中B(t)是標簽的數(shù)據(jù)信息，一般為單極性的二進制數(shù)據(jù)，φ為收發(fā)信號之間的相位差，跟天線和標簽之間的距離有關。  



接收信號經過三級移相，在C、B、A點分別形成信號如下：C點VRC(t)=B(t)cos(ω0t+φ+π/4)、B點VRB(t)=B(t)cos(ω0t+φ+2π/4)、A點VRA(t)=B(t)cos(ω0t+φ+3π/4)。  



對每路二極管混頻電路，輸入信號包括本振和接收信號，輸出信號為兩個輸入信號的混頻結果，例如A’點Acosω0tx B(t)cos(ω0t+φ+3π/4)=AB(t)/2cos(2ω0t+φ+3π/4)+ AB(t)/2cos(φ+3π/4)。 
每路信號再經過低通濾波器將高頻分量2ω0t濾除掉，就得到標簽回發(fā)信號B(t)：  



A’’點AB(t)/2cos(φ+3π/4)；B’’點AB(t)/2cos(φ+π/4)；C’’點AB(t)/2cos(φ-π/4)；D’’點AB(t)/2cos(φ-3π/4)。  



不難看出，AB(t)/2cos(φ+3π/4)和AB(t)/2cos(φ-π/4)相位差π，AB(t)/2cos(φ+π/4)和AB(t)/2cos(φ-3π/4)相位差π，分別進入差分放大器Diff1和Diff2。兩個差分放大器的輸出信號分別為：  



       I點：G1(AB(t)/2cos(φ+3π/4)- AB(t)/2cos(φ-π/4))= -G1 AB(t) sin(φ+π/4)= G1 AB(t) cos(φ+3π/4)；  



       Q點：G2(AB(t)/2cos(φ+π/4)- AB(t)/2cos(φ-3π/4))= -G2 AB(t) sin(φ-π/4)= G2 AB(t) cos(φ+π/4)；  



其中，G1 、G2分別為差分放大器Diff1和Diff2的增益。顯然兩個差分放大器的輸出信號只跟φ有關，而且是正交的，再分別經過放大和比較，最終得到TTL電平的IQ信號送入DSP進行處理。  



I-Data和Q-Data是正交信號，且只跟讀卡機天線和標簽之間的距離（收發(fā)信號之間的相位差）有關，也就是說，當標簽位于讀卡機天線覆蓋區(qū)域里，在每一個確定的時間里，I-Data和Q-Data是唯一確定的，而且，因為I-Data和Q-Data之間的正交性決定了這兩個信號不可能同時為零，也就是說，總會有一路不為零的信號（I-Data或Q-Data）送入DSP，這就保證了DSP總能收到有效的標簽回發(fā)信號。  



結束語  



本文采用了4通道零中頻接收技術，使得UHF RFID讀卡機設計大為簡化，成本低廉，跟同類產品相比具有很高的性價比。系統(tǒng)設計符合FCC電磁標準要求，即輸出射頻功率小于1W，對電子標簽識別穩(wěn)定，最大識別距離達到6米。