一种小型化便携式UHF RFID读写器的实现

        R1000芯片是Impinj公司的UHF RFID 便携式读写器核心模块。R1000内部集成了约90%以上的射频收发系统所需的元件，采用Atmel公司的ARM7处理器AT91SAM7S256作为MCU，增加外部驱放芯片设计，可在8 dBi增益的天线下实现稳定读写距离3 m以上。
1 系统设计
    本设计中，UHF RFID读写器硬件部分设计主要包括三部分[1-2]： (1)R1000及外围电路;(2)ARM7及外围电路;(3)电源管理模块。如图1所示，R1000及其外围电路完成射频信号的收发、变频、数模/模数转换以及数据的调制/解调；ARM7及其外围电路对来自R1000或主机的数据按照协议进行处理，实现协议功能，并提供对外的通信接口；电源管理模块接收外部3.7 V DC输入转换成系统其他模块所需要的1.8 V、3.3 V、5 V，并提供相应的带负载能力。

1.1 R1000及其外围电路
    R1000内部集成了低噪声放大器、混频器、中频滤波器、压控振荡器、本振、ADC/DAC、锁相环和功放等多个功能模块[3]。结合其外围电路，R1000可完成射频信号的发射和接收、混频、滤波、调制解调、模数转换和数模转换等功能，其电路结构如图2所示。  

      R1000工作于UHF ISM频段(840 MHz~960 MHz)，结合简单的射频前端电路,可实现完整的射频收发功能。这些外围电路主要包括：耦合器、外部功放、功率检测以及温度检测模块。
1.1.1 功率检测与温度检测
    R1000可采用单天线或双天线模式，根据实际需要，本设计采用单天线模式。单天线前向、反向功率检测总体结构如图3所示，其中的“功率检测1”输出的直流电平表示反向平均功率，而“功率检测2”输出的直流电平表示正向平均功率。如果正反向平均功率比较接近，且正向功率比较正常，说明天线端阻抗失配比较严重，需要对电路进行检查。

   R1000的正常工作温度范围是-20℃～+75℃。为了了解R1000工作环境的温度，本设计采用温度检测芯片对R1000芯片的工作环境温度进行检测，并由R1000内部程序进行处理，防止因极端环境温度使R1000进入异常工作状态，甚至物理损坏。
1.1.2 耦合器设计
    经过功放放大的射频信号直接进入耦合器。该信号经过直通端进入发射通道，正向耦合端的输出信号用于前向功率检测，而反向耦合端的信号用于检测天线端的回波损耗。如图3所示。
    (1)前向功率检测主要是检测功放输出信号功率，然后按照本地UHF RFID协议相关规定进行功率校正；也可以作为外部本振信号输入，用于与接收的射频信号进行混频，产生零中频信号。具体的实现方法是：(1)功率检测通过高阻跨接在耦合器的正向耦合端，通过电阻分压和电容耦合，进入功率对数检测芯片，映射出相对应的直流电压值，输入到ARM7，结合线路损耗计算得出功放输出信号的功率。(2)耦合器的正向耦合端（Pin4）得到的信号经过一个定值衰减网络，再经过单端转差分信号，直接输入到R1000，作为外部本振，并且对信号进行峰值功率检测。
    (2)反向功率检测主要是检测天线的回波损耗（根据天线的回波损耗和输入的功率，也可计算出天线发射出的功率，因此也称为发射功率检测）。在天线端阻抗严重失配的情况下，ARM7将关闭功放电源，以保护功放不被损坏。具体检测方法是：(1)功率检测通过高阻跨接在耦合器的反向耦合端，通过电阻分压和电容耦合，进入功率对数检测芯片，映射出相对应的直流电压值，输入到R1000，结合线路损耗计算得出发射信号的功率。(2)耦合器的反向耦合端（Pin3）得到的信号经过一组衰减网络，再经过单端转差分，直接输入到R1000作为接收信号并且进行接收信号的峰值功率检测。
1.1.3 外部驱动放大器设计
    由于R1000的输出功率最大只有+14 dBm，通常其输出功率为-6 dBm~+10 dBm。在这样的发射功率下，系统对标签的读取距离最大只有约30 cm。为了达到更远的读取距离，需要在R1000的输出端加上一个驱动电路模块，结合R1000自身的发射功率调节功能，可以使该系统工作在不同使用场合的不同作用距离要求。
1.2 ARM7及其外围电路
    根据R1000的应用文档说明，本方案采用了ATMEL公司的ARM7芯片AT91SAM7S-256作为MCU，用来实现空中接口协议，完成调试功能，以及通过USB接口或UART口与上位机进行通信[3]，如图4所示。

    在系统开始调试时，首先将R1000底层驱动程序的二进制代码通过JTAG接口,烧写到MCU内部Flash中预先划分的存储区域内。然后连接MCU和PC机之间的UART接口，在PC机的超级终端界面中，对MCU的通信协议和USB接口驱动进行配置。如果配置成功，重新上电后，超级终端界面中将可以看到MCU与R1000之间简单的通信测试成功的打印信息。至此，MCU及其外围电路调试完成，可以正常工作了。
1.3 电源管理模块
    本文设计的UHF RFID读写器核心模块作为一个独立功能模块,可直接应用在PC上或是嵌入到其他手持设备中，所以本设计的电源管理模块所考虑的工作电压是5 V的DC输入或是手持电池输入（3.7 V），再经过内部的电源模块转换成模块所需要的各种电压[5]，其中数字部分需要的电压：1.8 V、3.3 V，射频部分需要的电压为1.8 V、3.3 V、5 V。
2 系统测试
    硬件电路完成后，为测试驱动放大器的性能，以及最终获得发射天线的信号功率谱(频带902 MHz~928 MHz），采用了矢量分析仪和频谱仪等测试仪器。
    结果表明，该读写器可在8 dBi天线下，实现3 m以上的读写距离，实现了良好的性能。整个读写器PCB尺寸为6.5 cm×4 cm，对外提供了USB2.0和UART等通信接口，可以很方便地嵌入到其他host设备尤其是便携式设备中使用。