RFID_读写器

晶振电路
• 晶振电路产生符合RFID系统要求的振荡频率，经过时钟电 路产生MCU所需要的时钟信号。电路芯片采用石英晶体振 荡电路TSX03225。振荡频率20MHz，频率公差10ppm。
RS232接口电路
• 通常情况下，嵌入式系统的TTL/CMOS电平与PC机的RS-232接口的逻辑 电平不兼容，TTL电平的标准逻辑“1”一般对应2V～3.3V电平，逻辑 “0”对应OV～0.4V电平，而RS-232标准采用负逻辑方式，逻辑“1"对 应．-3V～-15V电平，逻辑“0"对应+3V～+15V电平，因此，两者间的 通信必须经过电平转换电路进行电平转换。
电源供电电路
读写器控制模块介绍
• 读写器控制模块，在一定程度上说可以理解为一个单片机 电路。 • 单片机电路的主要功能是与应用系统软件进行通信；执行 从应用系统软件发来的动作命令；控制射频模块与标签的 通信过程；基带信号的编码和解码；执行防冲突算法：对 读写器和标签之间传输的数据进行加密和解密；进行读写 器和标签之间的身份认证等等。 • 单片机电路包括晶振电路、USB和RS232接口电路、复位电 路以及JTAG接口电路。
复位电路
• 通常复位电路有三种情况：上电复位、手 动复位和软件复位。
RFID读写器的接口
除了采集读取区域内标签的数据外，RFID读写器还需要 将采集到的数据上传至后端服务器。RS-232接口是最典型的 读写器与后端服务器的数据接口；而面向网络应用的RFID读 写器包括一个网络单元，用于将一个RFID读取事件连接到系 统服务器。这种后端网络接口可能是有线以太网（IEEE 802.3 ）、无线以太网（IEEE 802.11a/b/g/n）或者Zigbee（ IEEE802.15.5）等。 读写器还需要外接电源提供阅读器工作时所需的能量， 电源接口一般分交流100V～240V，直流6V~12V。 相对于固定式读写器来讲，手持式读写器为了更方便的 向外界反映读写器的工作状态，提供了人机界面接口。如 TFT液晶显示屏，按键输入模块以及工作状态指示灯等。
核心芯片
核心芯片集成了AGC,降低了对ADC的动态范围 要求，同时集成了LNA，满足接收机一定范 围内的增益要求。
核心芯片调制解调的原理
目前主流模块采用的都是2ASK作调制解调的 实现方式
模拟幅度调制法
键控法
核心芯片调制解调的工作原理
一个ASK的时域表达式如下：
c Vcm cos(ct o ) 载波信号 数字基带信号 m(t ) ak g (t kT s)
读写器的作用
在RFID系统中，读写器是其中主要构成部 分之一。由于标签的非接触性质，此必须借助 位于应用系统与标签之间的读写器来实现数据 读写功能。
读写器在RFID系统中的位置
读写器的主要功能
• 1 以射频方式为无源或半有源电子标签传输能量 • 2 在射频区域内查询多个标签，并能正确区分各个标签 ，可以与电子标签进行数据交换 • 3 可以对固定对象和移动对象进行识别 • 4 可以提示读写过程中发生了错误，并显示错误的相关 信息 • 5 读写器可以通过标准接口如RS232，以太网等与系统网 络连接，反馈自身状态，接受系统控制；
小结
• • • • 本部分介绍了： 1 核心芯片的架构； 2 核心芯片的工作原理； 3 ASK的原理；
天线
天线 Guardwall—ETSI
天线
• • • • 相关公式及定义 SWR=R/r=(1+K)/(1-K) 圆极化的轴比是定义为长轴与短轴的比值 前后读写器的接口图
小结
• 本部分介绍了： • 1 读写器的的作用，及其在RFID系统中所 处的位置 • 2 说明了读写器的五大功能 • 3 大概描述了读写器的分类 • 4 介绍了读写器各个接口
RFID读写器
思考题： 灵敏度在60dbm的900Mhz读写器，接收800Mhz信号的时候 ，灵敏度会有什么样变化？
3
频率范围
840～960
MHz
4 5
缺省工作频率 信道带宽 跳频速度
跳频 ≤250 ≤2
MHz KHz s
频率间隔250KHz
6
7
8 12
额定功率
步进间隔 射频功率上升 时间 射频功率下降 时间 邻道泄漏功率 比 频率稳定度 最大读取距离
20
1~2 ≤500
dBm
dB μs 13~20dBm软件可调
单片机简介
• 嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）单片机是 一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路 技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机 存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断 系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱 动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转 换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而 完善的计算机系统。
2.核心芯片；
3.介绍了读写器天线的相关指标；
电源管理模块
• 电源供电是整个读写器的基础，只有在电 源稳定供电的前提下，各个部件模块才能 正常工作。 • 电源模块一般要求是提供多个稳定的直流 电压以供给各个不同模块使用。例如在给 射频收发模块供电时要求有一个能提供较 大电流的稳压器件能维持其正常工作。
RFID-读写器
读写器简介
读写器在RFID系统中有着举足轻重的作用 ，它是负责读取或写入标签信息的设备。读写器 可以是单独的整体，也可以作为部件嵌入到其他 系统中。它可以单独具有读写、显示、数据处理 等功能，也可以与计算机或其他系统进行联合， 完成对电子标签的操作。读写器的频率决定了 RFID系统工作的频段，同时读写器的发射功率和 接受灵敏度直接影响了系统识别的距离。
• • • •
•
射频模块概述
射频模块是读写器很重要的部分，UHF RFID的物理识别都是通过它完成的。
射频模块内部结构框图
射频模块内部结构框图
射频模块内部结构框图
射频模块内部结构框图
射频模块内部结构框图
序 号
1 2
项目
额定电流 待机电流
技术指标
180 ≤1
单位
mA mA
备注
最大功率输出 EN管脚低电平
RFID读写器的分类
按外形分 1 固定式读写器 2 工业读写器 3 手持机 4 发卡机
RFID读写器的分类
• • • • 按频率分 1 低频读写器 2 高频读写器 3 超高频读写器 低频和高频读写器由于工作原理不同，采用的是 感应耦合原理，需要较大体积的天线提供功率输 出；超高频读写器频率较高，使用较小体积的天 线就能够提供的较大的发射功率；因此在实现相 同读写距离的情况下，超高频读写器的尺寸可以 更小。
小结
• 本部分介绍了： • 1 射频模块的组成； • 2 射频模块的相关指标
核心芯片
核心芯片的架构
核心芯片
核心芯片的工作原理
核心芯片
名词解释：
• • • • • • • •
•
ADC/ DAC(模数转换器/数模转换器) AGC (自动增益控制) AM(调幅) ASK(移幅键控) BPF (带通滤波器) CW(连续波) DFT(离散傅里叶变换) DSB (双边带)
思考题： 1.请解释IMPINJ图中天线的技术参数： 天线增益是？ 允许最大输入功率是？（单位：W） 上页的天线的功率反射是多少？（用百分比来衡量） 图中的前后比是多少？ 2.作业（加分题） • 一个圆极化天线，如果左旋增益大于右旋增益16db，该天 线是右旋还是左旋？轴比是多少？
小结
1.介绍了射频模块的组成；
C8051F340介绍
• C8051F系列单片机是SoC的典型代表，单芯 片集成度十分高，片上集成丰富的模拟和 数字资源。具有与8051兼容的高速CIP-51内 核，单片机处理速度和性能都有很大的提 升，而且开发简单，容易移植，成本也十 分低，是目前应用广泛的单片机种类。
C8051F340内核图
• 备注：
RMSP=(U^2/R)*f
读写器的组成
读写器架构图
读写器内部结构框图
各组成部分简介
• 振荡器：振荡器电路产生符合RFID系统要求的射频振荡频率，一路经过时钟 电路产生MCU所需要的时钟信号，另外一路经过载波形成电路产生读写器工 作的载波信号。 发送通道：发送通道包括编码、调制和功率放大电路，用于向电子标签传送 命令和写数据。 接收通道：接收通道包括解调、解码电路，用于接收电子标签返回的应答信 息和数据。同时还应该考虑防碰撞电路的设计。 微控制器(MCU)：MCU是读写器工作的核心，完成收发控制、向标签发送命令 和写数据、标签数据读取和处理、与应用系统的高层进行通信等任务。 电源管理器：通过读射频读写部分的独立电源控制，系统可以在MCU中根据 需要选择开启或者关闭射频读写功能。当应用系统有低功耗要求，不需要射 频模块芯片一直工作的时候，这种控制方式是必不可少的。 天线：天线的作用就是产生磁通量，为无源标签提供电源，在读写设备和标 签之间传送信息。天线的有效电磁场范围就是系统的工作区域。
k
频谱利用率
核心芯片调制解调的工作原理
ASK的解调方式： 1. 同步解调法 （相干）
2. 包络解调法 （非相干）
核心芯片调制解调的工作原理
• 两种解调方式的性能比较 • 相干解调 非相干解调
核心芯片
思考题： 1.作为案例的IMINJ芯片，解调的类型属于(非相干、相干)? 2. 2ASK的频谱利用率是？ 3.相干解调与非相干解调，谁的信噪比高？
USB接口电路
• 单片机可以通过USB接口上电以及和上位机之间进行通信 。因为C8051F340单片机芯片本来已经集成USB管理模块， 所以不需要外围的匹配电路和下拉电阻。
JTAG接口电路
• JTAG(联合测试小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测 试及对系统进行仿真和测试。在本系统中，JTAG接口用于FLASH烧录 程序和仿真接口。JTAG接口主要是4条信号线：TMS、TCK、TDI、TDO ，分别为测试模式选择、测试时钟输入、测试数据输入和测试数据输 出。
C8051F340特性参数
C8051F340原理框图
FLASH存储器和ITAG调试
• C8051F340单芯片内部集成可在系统和在应用编程 的FLASH存储器，用于非易失性数据存储以及程序 代码存储，并可以通过程序软件对FLASH编程。 • 通过Silicon Labs 2线(C2)接口对FLASH存储器进行编 程。C2接口采用两条数据线在宿主机和器件之间 传输数据：时钟信号线和双向数据信号线。
核心芯片
核心芯片
核心芯片
• 功能简述 发射过程 • 对于欲发射的数字信号，先进行数字编码及脉冲成型，然后作功率增益。 • 如果实现直接正交上变频，就会的选择单边带的ASK方式，通过希尔伯特变换 实现一个延迟，然后通过数字频率偏移，实现在中频上的搬移； • 如果实现的是极性调制，这时候就会对输入的数字信号做幅度欲畸变，然后 通过多路开关控制畸变后的信号与为畸变的信号间的切换，实现数字调制； • 所有的数字调制结果最后都是通过DAC转换到模拟域上。 接收过程 ADC将接收到的模拟信号转换为两路正交数字信号通过降采样，滤去无关频 谱，实现数字频谱的下移，然后通过门限判决实现最终数据的解调。
13
≤500 ≤-40 ≤-50 ±20
μs dB dB ppm ±1CH ±2CH
14
15 16
80
cm
2dBi天线
射频模块相关指标
• 主信道功率泄漏到其上、下两个相邻信道 的功率对邻近信道产生了干扰
射频模块
思考题： 1.结合IMPINJ的参考设计，指出PA与LNA的可能布置点。 2. 采用表中的射频模块，工作在900M-926M区间，由于发生 了读取不了标签的情况，企图采用调频的方式来增加读取 率，完成全带宽覆盖要多久？ 3.采用表中所示的射频模块，企图通过增加功率的方式，增 加读距离，每次功率增加最小步长单位，最少要多长时间 会遍历所有的可调功率区间？
LNA(载波侦听)
核心芯片
名词解释：
• • • • • • • • • • FIFO (先进先出序列) FIR (有限长冲击响应滤波器) IF (中频) IIR (无限长冲击响应滤波器) IIP2(二阶交调) LFSR (线性反馈移位寄存器) LNA (低噪声放大器) LO (本振) LUT(查找表) RSSI(接收信号强度指示)