基于AS3990/AS3991的超高频RFID读写器的设计

 随着物联网概念的兴起，人们对各类物品的管理要求越来越高，希望能够通过物联网实时跟踪每一件物品的当前状态。将超高频RFID（电子标签）绑定到每一件物品上是实现物品跟踪的有效手段之一，因而超高频RFID的应用领域不断扩大，对超高频RFID读写器的需求量也随之增大。虽然现在国际、国内市场上有一些有品牌的超高频RFID读写器，但其设计方案各有千秋，应用时的稳定性、可靠性仍有待改进。因此，怎样能设计出性能稳定、性价比高、适应市场需求的超高频RFID读写器是一个值得探讨的问题。
1 AS3990/AS3991芯片的特点
    AS3990/AS3991芯片是奥地利微系统公司（microsystems）研制的一款用于超高频（860 MHz~960 MHz）RFID读写器的专用芯片，其封装形式为64脚QFN封装。它具有集成度高的特点，芯片内集成了接收电路、发送电路、协议转换单元、连接MCU（微控制器）的8 bit并行接口或SPI串行接口等。
    接收电路包括混频器、自动增益控制、低通和高通滤波器、PM和AM解调器、低级解码以及CRC校验等部分。发送电路包括幅移键控或相移键控调制，自动产生帧同步、引导码、CRC校验码，以及低阶数据编码、PM和AM调制器。协议转换单元将来自MCU接口的数据自动转换成标准协议数据帧，或将接收的数据帧转换成MCU能接收的数据格式。
    芯片具有2种工作模式，完全支持ISO18000-6C(EPC Gen2)空中接口协议，兼容ISO18000-6A/B协议。芯片具有并行接口或串行接口2种数据接口方式，方便与MCU进行数据通信。
    图1所示为芯片AS3990/AS3991的组成框图。

    需要发送给RFID的命令和数据信号经编码、调制、射频放大后输出到天线。由天线接收到的RFID响应信号送到芯片的输入端，在芯片内接收信号经IQ混频得到2路中频信号IQ，再经增益、滤波、数字化转换就得到了相应的数字信号。这时如果芯片设置在支持ISO18000-6A/B协议的直通工作模式，则数字信号直接由芯片串行接口送出交由系统的MCU进行解码、CRC校验以及相关的数据处理；如果芯片设置在支持ISO18000-C协议的工作模式，则数字信号先由芯片进行解码（协议处理）、CRC校验后存放在FIFO中，再由接口送出交由系统的MCU进行相关的数据处理。
2 读写器MCU的选取
    虽然AS3990/AS3991芯片完全支持ISO18000-C协议，具有与MCU的接口，能直接输出解码后的字节信息，对MCU处理能力的要求不高。但AS3990/AS3991芯片对ISO18000-6A/B协议的支持并不完全，只是完成了信号的数字化过程，且只能直接地、无缓冲地串行输出码流，解码以及数据的有效性判断须外部电路来完成。这样就面临2个选择，或者采用可编程器件（CPLD）进行解码、校验而选用运行速度较低的MCU，或者直接采用MCU进行解码、校验而选用运行速度较高的MCU。考虑到系统的紧凑性，采用MCU进行解码、校验。
    采用ISO18000-6A/B协议的电子标签，通过调制来自读写器的射频能量，将之反向散射，从而将信息数据传送回读写器, 经AS3990/AS3991芯片处后，得到数据帧码流，最大的数据帧长度为128 bit。这些信息数据采用FM0技术编码（即双相间隔编码，图2(c)为二进制数10110001的FM0编码示例），传输速率为40 kb/s或160 kb/s，允许误差为±15%，据此可以计算出射频信号经AS3990/AS3991芯片处理后输出的码流脉冲的最小宽度为t_w。
    

    为了保证能对此信号进行正确的解码、校验，要求解码电路的采样频率足够高。当采用MCU进行解码时，由于采样是在指令控制下进行，同时还要实现采样同步、采样数据记录保存等功能，所以要求MCU的指令周期应小于tw/32，这样才能保证接收码流信息不会丢失。在设计读写器时选择MCU的型号为LPC2142。
3 电子标签响应信号的接收与解码
    电子标签的每个响应信号均由下列域组成：静默状态(无调制的射频载波)、返向帧头、数据信息、以及CRC-16码。图2所示为电子标签的响应信号组成。
    电子标签的响应信号经AS3990/AS3991混频、放大、滤波、数字化后，输出的波形即为图2(b)、图2(c)所示的波形。响应信号的静默除段输出为低电平，实际上就是没有有效信号，这时通过MCU的采样端口对其进行监视，一旦出现跳变信号则说明有电子标签的响应信号到来(当然也有可能是干扰信号)，于是启动采样解码程序，对信号进行判别，对到来的有效信号进行采样、记录、解码。
   由于电子标签只有在收到读写器的命令信号之后才会做出响应，因此MCU采样端口的监测程序，只有在读写器发出命令后一段有限时间（小于1 ms）内才需要启动。此时采样解码程序可以100%占用CPU资源。考虑到MCU的运算速度，为了保证在接收过程中不发生数据丢失，在一帧数据的接收过程中，MCU对接收端口的信号只进行采样、记录保存，只有当一帧信息全部接收完以后才进行校验计算与分析，以确定接收到一帧数据的完整性与有效性。
    电子标签响应信号帧头的格式是固定的，通过对帧头信号波形宽度的采样、测量可以确定响应信号的数据传输速率，也可以判别一帧数据的有效性。帧头信号一个编码的宽度与同帧内数据段一位数据编码的宽度是相等的。从前面的计算可知，帧头信号一个编码的高电平宽度可小到tw(即2.7 μs)，由于测量没有附加另外的硬件，直接由MCU完成，因此要求MCU具有相对较高的时钟频率，也就是较小的指令周期，以确保测量的精度。通过测量可以确定，帧头信号一个编码的宽度，包含n个MCU的时钟周期，也就是说本帧数据段数据位的宽度为n，其值应大于32个指令周期所包含的时钟周期数。在获取了数据位的时间宽度以后，MCU便可以对它进行周期性(同步)的采样、记录，直到接收到一帧完整的数据为止。
4 总体设计
    图3所示为读写器的设计框图。发送数据经AS3990/AS3991编码、载波调制后，由RFOPX与RFONX两端差动输出至射频功率放大器PA，经PA放大后的信号通过隔离器由天线发送出去。经天线接收的信号通过隔离器后输送到AS3990/AS3991的输入端MIXS-IN，由AS3990/AS3991进行混频、增益、滤波、数字化后得到数字信号，再送给MCU处理。AS3990/AS3991与MCU的接口既支持并行连接，也支持串行连接；AS3990/AS3991的初始化在MCU的控制下通过并行接口完成，之后根据初始化设定的工作模式选择并行或串行通信方式；在支持ISO18000-6A/B协议的工作模式下，AS3990/AS3991只能输出串行的数据流信息，解码、校验须由MCU完成；而在支持ISO18000-C协议的工作模式时，解码、校验AS3990/AS3991均已完成，MCU只需要以并行或串行的方式接收数据即可。读写器天线设计则根据读写距离的需要采用基于PCB板的微带天线方案或专用外接天线方案。读写器与外部的数据通信则设置了USB接口和RS232接口。如果有需要，也可以通过选用不同型号的MCU方便地支持以太网接口或其他类型的总线接口。

    本读写器的设计方案简单、调试方便，因而可以大大缩短开发周期。经使用测试证明，采用上述方案设计的读写器，标签读取速度快，误读、漏读率低，具有良好的稳定性和可靠性。