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基于UHFRFID的物联网前端读写器设计*杨学敏，曾煜，熊东（重庆大学通信工程学院，重庆400030）联系作者：yangxm4257@163.com摘要：基于物联网前端感知系统中的一种热门技术——UHFRFID（超高频射频识别），提出了一种新的读写器系统设计方案。首先给出了UHFRFID系统的工作原理，然后分别从系统硬件和软件部分进行了详细阐述，最后分析了系统测试结果。其中重点描述了主控制器外围电路，UHF读写模块电路设计，以及系统的软件流程。测试结果证明该设计可实现，支持EPCGEN2和ISO/IEC18000-6A/6B协议，具有结构简单、体积小、功耗低的优点，并且读写距离能达到6m，满足实际应用的需要。关键词：超高频射频识别；物联网；读写器；AS3992；电路DesignofTheFront-EndInterrogatorofInternetofThingsBasedonUHFRFIDYANGXue-min,ZENGYu,XIONGDong（CollegeofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030）Abstract:ProposeaninterrogatorsystemdesignschemebasedonUHFRFID(UHFradiofrequencyidentification),whichisapopulartechnologyinthefront-endapperceivingsystemofinternetofthings.Firstly,theworkingprincipleoftheUHFRFIDsystemisgiven.Andthen,elaboratethehardwareandsoftwareofthesystem,respectively.Atlast,thesystemtestresultsisanalysed.Inwhichitfocusesonthemaincontrollerperipheralcircuit,thedesignofUHFinterrogatingmodulecircuit,andthesoftwareflowofthesystem.Theresultsshowthatthedesigncanberealized,supporttheprotocolofEPCGEN2andISO/IEC18000-6A/6B.Thesystemhastheadvantagesofsimplestructure,smallsize,lowpowerconsumption,andtheworkingdistancecanreach6meters,whichcanmeettheneedsofpracticalapplication.Keword:UHFRFID;internetofthings;interrogator;AS3992;circuit中图分类号：TN710文献标识码：A0引言近几年RFID技术得到了国内外的广泛关注，尤其是物联网概念的再次提出，将RFID技术推向了高潮[1]。物联网是在计算机互联网的基础上利用RFID无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络。在这个网络中，每个物品均被赋予唯一的ID，这个ID是存储在和物品绑定的电子标签中，它们能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用RFID技术通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享[2]。因此RFID技术在物联网感知前端中起到重要的技术支撑作用。*基金项目：中央高校基本科研业务费（CDJZR10160008;CDJRC11160002）基于RFID的产品被广泛应用于在高速公路收费、公共交通、动植物电子标志、食品、药品、邮件实时状态跟踪以及物流等领域，这些应用不但提高了各个领域的管理效率和实施速度，还改善了人们的生活[3]。同时，这些RFID技术的应用带动了一个巨大的新兴产业，使得越来越多的企业都投入到RFID的技术开发和软硬件生产中来。因此，对基于UHFRFID的物联网前端读写器的研究是非常有必要的，本文提出了一种结构简单、体积小、功耗低的读写器设计方案，能可靠地完成对目标ID的识别。1UHFRFID系统的工作原理UHFRFID系统工作是通过反向散射耦合方式来进行信息交换和能量传递[4]。读写器天线发射的电磁波能量一部分被目标吸收，目标吸收后，获得能量并发送出目标存储的信息；另一部分则从不同方向，并且以不同强度被散射。在散射的这部分能量中，有小部分反射回读写器天线，这样，读写器对接收到的数据信号进行处理，识别目标[5]。2系统硬件设计基于UHFRFID的物联网前端读写器的硬件结构是由主控制器及外围电路，UHF读写模块，标签和天线构成。其中，外围电路包括上位机通信模块，电源模块和显示模块。而主控制器和UHF读写模块的电路设计是整个硬件系统的核心。图1为系统硬件结构框图。天线主控制模块上位机通信电路电源模块UHF读写模块显示模块标签图1系统硬件结构框图Fig1Thehardwareblockdiagramofthesystem2.1主控制器及外围电路主控制器采用的是Winbond公司的W77E58F芯片,它是一款8位处理器，最高可达40MHz时钟，4机器周期的指令执行速度，指令和管脚与标准8051完全兼容，含有12级中断，两个增强型双工串口，内部集成上电复位电路，可编程看门狗，具有价格低、速度快、功能强、外部数据访问周期可编程等优点[6]。其外围电路包括：单片机最小系统，复位电路，开关上电发光电路，电源模块，上位机通信模块和LCD显示模块。如图2所示，主控制器的P1口与UHF读写模块的I0[0:7]相连，是复用的数据和地址总线。LCD显示模块的功能是当有目标进入工作范围时，将目标ID进行实时显示；当无目标时进入工作范围时，显示日期和当前时间。上位机通信模块是采用MAX232进行电平转换后通过TX和RX进行双工串口通信，将目标信息上传给上位机。图2主控制器及外围电路图Fig2TheschematicdiagramofMCU电源模块采用的是LM317集成三端稳压芯片对所有器件进行5V和3.3V供电。2.2UHF读写模块电路本系统的UHF读写芯片采用的是奥地利微系统公司的AS3992芯片，它内部集成了VCO和PLL，因此能够在860～960MHz工作，还整合了一个集成模拟前端，配备了可编程的DRM过滤器、预失真和灵敏度高的接收器，而且能够采用极低的电量来工作，而不会影响性能。它还同时支持EPCGEN2和ISO/IEC18000-6A/6B协议[7]。射频芯片AS3992内部集成了20dBm的功率放大器，为了获得更大的工作范围，本文采用低功率线性模式，外部加功率放大器SPA2811.从图3可以看出，AS3992的输出管脚为RFONX和RFOPX。输出有50Ω的阻抗，因此需要外接匹配电路和去耦合电容，以及平衡器。C810n3.3VR1C310nC52u2C610nR3N/CR410kL2L3C192u2C2010nC3910n+C3810uCLSYSCLKC1610nC152u2C1410nC132u2C1210nC112u2C2110nC222u2C2310nC242u2C2510nC262u2C36110pC2810nC3110nC3210nC3310nC40100nC292u23.3VC412u2C4210nC302u2C37220pC46N/AC453n3R556kR627k5VRF_RXVDD_RF3.3V3.3VC1C1733pC18C233pL1L4RF_TX27DBMRF_RXC47100pC48100pP1NC2P23S16NC5S24U3ADTL2-18P1NC2P23S16NC5S24U5ADTL2-18out3gnd11v_c4gnd22U7TCXOC2731nFC35N/CC34N/CGNDGNDL5C43N/CC44N/CGNDC72.2uIO1IO3IO5IO7IO0IO2IO4IO6IRQENCOMN_A1COMP_B2COMN_B3DAC4VDD_5LFI5VSS16MIX_INP7VSS28MIX_INN9MIXS_IN10VSN_MIX11CBIB12VDD_MIX13CBV514VDD_TXPAB15VEXT16VEXT217VDD_RF18VDD_B19RFOUTP_120RFOUTP_221VSN_122VSN_223VSN_324VSN_425VSN_526RFOUTN_127RFOUTN_228VSN_D29OAD230OAD31RFONX32RFOPX33VDD_RFP34VSN_RFP35OSCI36OSCO37VDD_D38EN39IRQ40IO041IO142IO243IO344IO445IO546IO647IO748CLSYS49CLK50VDD_IO51CD252CD153AGD54VSN_A55EXT_IN56VSN_CP57ADC58VDD_A59VCO60VOSC61CP62VDDLF63COMP_A64AS3992GND65U1AS3992GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND112233HYH504AGND4U411GND2J1SMAGNDGNDC947pC10VDD_RFGNDconcon图3UHF读写模块电路图Fig3TheschematicdiagramofUHFreadermoduleEN是使能管脚，当EN为低时，芯片进入掉电状态，CLSYS为60kHz；当EN为高时，162738495COM1DB9C10.1uFC20.1uFC30.1uFC40.1uFRXTX3.3V5V3.3V12345678910111213141516LCDCON163.3V1.5KRES1P23P24P25P26P27P34P33P32P22P21P20C1+1C1-3C2+4C2-5T1IN11R1OUT12T2IN10R2OUT9VCC16V+2V-6GND15T1OUT14R1IN13R2IN8T2OUT7RP2MAX232R1C50.1u5vLCD液晶显示器C55GNDR10R115VD1LEDR8123J2PWR2.5S1SW-SPSTC54OUT2IN3ADJ1U2LM317T电源模块上位机通信电路3.3V计量CPUVCCEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U1W77E58C130pC230pX1RXTXGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDP34P33P32P23P24P25P26P27P22P21P20IO1IO3IO5IO7IO0IO2IO4IO6IO1IO3IO5IO7CLSYSIO0IO2IO4IO6CLK12345678910111213141516J1ENIRQGND3.3V5V主控制器与UHF读写模块接口CLKIRQENGND芯片进入正常工作状态，CLSYS被激活为5MHz（默认情况下）。IRQ为中断管脚，当有中断产生时，IRQ将给出一个脉冲通知主控制器。在并行接口通信模式中，当CLK为高，IO7为上升沿时，数据开始通信；当CLK为低，IO7连续下降沿时，通信结束。3系统软件设计如图4所示，本系统软件设计的流程为：1)主控制器复位初始化，UHF读写模块的寄存器初始化，主要包括协议配置、AS3992系统时钟、锁相环、编码方式和信号调制方式等；2)与上位机进行通信，主控制器通过串口接收上位机