RFID超高频硬件设计摘录 （转载） 关键词 LPC2138 LPC922F RF2162（射频功率放大器）
摘要：根据生产线特定需要，介绍了一种基于 ARM的RFID超高频读写器系统，使用LPC2138微控制器和射频收发芯片 ADF7020作为读写器的核心器件，并使用 RS-485总线网络实现了各个读写器与后台服务器的通信。文中给出了系统软硬件设计方案，对其实现方法及其关键技术进行了研究。实验结果表明该系统工作稳定，传输数据准确，具有一定的应用价值。
关键词：读写器； RFID；嵌入式系统；RS-485总线
0.引言
在制造业同一条生产线上同时且自动地生产不同的产品，就必须使得生产线能够在每个生产岗位上对产品进行识别并明确地判断定出产品的状态，以便能够执行正确的操作工序。因此，在最初的生产过程中为工件提供了工艺卡在产品流水线上传递，使操作人员可以读到其生产岗位所需要的所有信息。
射频识别 RFID技术是一种基于射频原理实现的非接触式自动识别技术。它的基本原理是信号通过空间耦合(交变磁场和电磁场）实现信息传递，通过所传递的信息实现对物体的自动识别[1]。
现在，在制造业生产线系统中， RFID技术提供了另外的选择，它不仅可以被读取，还能够被写入。除了产品标志外，也能将产品的当前状态、产品的过去甚至将来状态记录到电子标签中。
本文设计了生产线 RFID系统中的基于 ARM的超高频 RFID读写器，该读写器采用PHILIPS公司ARM体系结构的LPC2138微控制器为控制核心，ANALOG DEVICES公司的ADF7020为射频无线收发芯片，实现了生产线远距离识别产品的全自动化。
1.RFID系统概述
一个基本的 RFID系统由电子标签、读写器、天线和后台系统组成。其中，读写器通常由控制模块、射频无线收发模块和通信接口模块组成，其功能是实现与射频标签建立通信，并对标签内的数据进行读写操作，并可通过通信接口与嵌入式终端或计算机通信。电子标签是一种应答器，包括有源标签和无源标签两种，无源标签通常由一块集成电路芯片及耦合元件组成，其中标签芯片集成了射频前端、控制逻辑和存储器等电路。每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，并存储识别物体的相关信息。
RFID系统基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活；电子标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去，读写器接收天线接收到从电子标签发送来的已调制信号，读写器对接收的信号进行解调和解码，然后进行相关处理，最后将处理过的信息传到后台系统中。
RFID系统频段主要分为四个频段：低频 (125kHz)、高频(13.56MHz)、超高频（860～960MHz）和微波(2.45GHz)。每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，而超高频 RFID产品具有识读距离长，能够实现高速识读和多标签同时识读等优点，因此在制造业生产线系统中广泛采用超高频 RFID读写器。
2.读写器硬件设计
读写器硬件主要由控制模块、射频收发模块、功率放大模块、通信模块和电源模块等部分组成。整个系统的结构框图如图 1所示。
图 1 RFID读写器结构框图
2.1 LPC2138微控制器概述及其最小系统设计
本系统控制模块选用的微控制器使用的是 PHILIPS公司的 ARM7 LPC2100系列。考虑到要实现系统所需的功能又不至于浪费，以及保证系统性能，成本的控制，本系统选用 LPC2138微控制器为控制核心，以此为核心单元构建一个 RFID读写器系统。
LPC2138微控制器内嵌 512KB的高速 Flash存储器和 32KB的 RAM，具有丰富的外设资源；2个 32位定时器；2个 10位 8路 ADC；1个 10位 DAC；PWM通道；47路 GPIO； 9个边沿或电平触发的外部中断；具有独立电源和时钟的 RTC；多个串行接口 (UART、I2C、SPI、SSP)。它内含向量中断控制器，可配制中断优先级和向量地址，片内 Boot装载程序可以在系统/应用编程(ISP/IAP)，通过片内 PLL可实现 60MHz的 CPU操作频率，具有空闲和掉电 2种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒 [2]。
微控制器最小系统主要由 LPC2214微控制器、3.3V的电源电路、复位电路、晶体振荡器电路、JTAG调试接口等电路组成
2.2 射频收发电路接口设计
射频收发模块电路是由 ADF7020和其外围附属电路构成。 ADF7020是 ANALOG公司 2006年推出的一款新的适用于 ISM频段的收发芯片。它支持 FSK/ASK/GFSK/OOK/GOOK多种解调方式。其工作电压为 2.3V～+3.6V，输出功率可变范围为-16dBm～+13dBm，其内部集成了完整的无线收发电路。在接收模式下，相当于一个传统的超外差接收器，RF(射频)输入信号通过从 RFIN管脚引出的天线，经 LNA放大后进入混频器，通过混频器混频产生 IF中频信号。在 IF处理阶段，该信号在送入解调器前被放大和滤波。解调后从引脚 DATA I/O输出解调数字信号，解调信号的同步由芯片提供的时钟信号完成 [3]。射频收发电路接口图如图 2所示。
微控制器LPC2138通过ADF7020的串行数据输入引脚 SDATA向ADF7020发送编程配置控制字，控制其工作方式，并可以通过串行数据读回引脚 SREAD读取 ADF7020的工作状态，SLE引脚作为控制字的锁存信号。DATA I/O引脚是发送信号输入和接收信号输出分时复用引脚，收发工作在半双工方式，当 ADF7020接收到一个来自天线的有效信号后，通过 INT/LOCK引脚向 LPC2138发出中断信号。
图 2 射频收发接口电路原理图
2.3 功率放大模块电路接口的设计
ADF7020的发射级能输出最大 13dBm的功率，此功率对于系统几米的作用距离来说是远远不够的，因此读写器采用了射频功率放大器 RF2162，其线性输出功率可达 29dBm，满足了系统的功率要求。RF2162是大功率、高效率线性放大器 IC，它采用 3V单电源供电，芯片内部集成有一个模拟电压控制器，可以通过外部偏置电压控制功率输出的大小，这个器件本身包含有 50Ω输入和输出阻抗，很容易匹配以获得最佳的功率、效率和线性特性。 RF2163电路接口原理图如图 3所示。
图 3 RF2162功率放大器接口电路原理图
本系统采用 LPC2138的模拟输出口 P0.25输出模拟电压来调节 RF2162输出功率的大小，通过 ARM的 I/O口控制晶体管的通断进而调节电位器得到 2.8V的电压使能 RF2162。
2.4 通信接口模块
本读写器具有与嵌入式终端或 PC机通信的功能，LPC2138有两路 UART串口，一路采用RS232总线标准连接系统，当距离比较远时，由于 RS-232本身属性的限制，不能满足远距离的数据传输，因此另一路 UART口采用了 485总线 [4]。采用 RS-485总线不但解决了距离的问题，而且能够形成多节点总线形式，每个读写器就是一个从节点。RS-485标准采用平衡式发送差分式接收的数据收发器来驱动总线，由于系统是 3.3V系统，所以使用了 Sipex公司 SP3485进行 RS-485电平转换，SP3485是+3.3V工作电源的半双工 RS-485收发器。接口电路原理图如图4所示。
图 4 RS-485通信接口电路原理图
使用 LPC2138的一个 GPIO输出口连接到 SP3485的 DE引脚和 RE引脚。当输出低电平时，SP3485的接收器使能，RS-485总线上的数据将会从RO引脚输出，而LPC2138则使用 P0.1(RxD0)进行接收；当输出高电平时， SP3485的驱动器使能， LPC2138使用 P0.0(TxD0)进行数据发送。120欧电阻是作为总线的终端电阻存在的。当终端电阻等于电缆的特征阻抗时，可以削弱甚至消除信号的反射。特征阻抗是导线的特征参数，它的数值随着导线的直径、在电缆中与其它导线的相对距离以及导线的绝缘类型而变化，特征阻抗与导线的长度无关。
利用 RS-485总线通信时，在 PC机端要增加一个 RS-485/RS-232转换器。
3 软件设计
在读写器中 ARM微控制器的 CPU板是自行设计的。因此需要自己设计启动程序及其他一些与硬件相关的配置程序。在整个软件的设计中，只是部分启动代码采用汇编语言编写，其他编程都采用 C语言编程。在软件开发上是基于 ADS集成开发环境和 EasyJTAG仿真器来完成开发任务的。本系统的启动代码是在周立功公司提供的开发板的模板基础上修改而成的。本系统采用前后台系统进行软件设计，不移植操作系统。启动代码执行完后，跳转到应用程序C语言main()函数的入口处，即进入循环主程序。
图 5 RFID读写器软件流程图
系统的软件主要分为 LPC2138初始化、ADF7020初始化、RS-232和 RS-485通信程序以及读写器与电子标签间的通信协议与防碰撞算法等。
RFID的标准尚未统一化，出现了多种标准并存的现象。本读写器具备 EPC Class-1 Gen-2标准与 ISO/IEC 18000-6B [5]标准两种协议与相应的防碰撞算法。RFID读写器基本软件流程如图 5所示。
当读写器收到某一特定指令时，这一读写器便向标签发送请求命令。在读写器作用范围内的标签将对这一请求命令进行处理。若只有一个标签发送数据信息，则读写器选中该标签，建立双方一对一的通信关系；若有多个标签同时应答此命令，即发生碰撞，则读写器应采用防碰撞算法确定出一个标签，然后选中该标签建立双方一对一的通信关系，进而可以对这个标签进行读写操作。
4.结束语
本文以PHILIPS公司ARM体系结构的LPC2138微控制器为控制核心，设计了生产线RFID系统超高频读写器，该系统具有识别距离远、多标签识读等优点，能够通过 RS-485总线实现读写器作为节点的主从总线网络。实验结果表明，该系统工作稳定，具有广阔的应用前景。
[1]张智文.射频识别技术理论与实践 .北京：中国科学技术出版社，2008：10-12
[2]李金学，张洪涛.基于 LPC2138的地铁自动收费系统.船电技术，2008（3）：187-189
[3]彭建，崔更申.基于嵌入式的无线条码扫描仪系统的设计.现代电子技术，2006（20）： 99-101
[4] 高明远，杜诗超.基于 RS-485总线的烟叶烤房温度控制器.仪表技术与传感器， 2007(8):29-32
[5] 王海峰，王敬超等.一种超高频 RFID读写器设计.微计算机信息，2008，3-2：233-235
如需引用本文，请您一定写出参考文献的出处。本文章参考文献被引用格式：
[1]胡智喜等．生产线RFID系统超高频读写器的设计［J］．微计算机信息．2009，2-2：p189-191
创新点：1采用 ARM与 ADF7020射频无线收发芯片作为核心部件实现了超高频段 RFID系统应用。2 采用 RF2162实现了功率放大使识读距离增加。3使用 RS-485总线网络实现了各个读写器与后台服务器的通信。
作者简介：胡智喜（1976.4—），男，硕士研究生学历，现常州工学院计算机信息工程学院教师，主要研究领域为计算机应用、软件工程。
