隨著物聯網概念的興起，人們對各類物品的管理要求越來越高，希望能夠通過物聯網實時跟蹤每一件物品的當前狀態(tài)。將超高頻RFID（電子標簽）綁定到每一件物品上是實現物品跟蹤的有效手段之一，因而超高頻RFID的應用領域不斷擴大，對超高頻RFID讀寫器的需求量也隨之增大。雖然現在國際、國內市場上有一些有品牌的超高頻RFID讀寫器，但其設計方案各有千秋，應用時的穩(wěn)定性、可靠性仍有待改進。因此，怎樣能設計出性能穩(wěn)定、性價比高、適應市場需求的超高頻RFID讀寫器是一個值得探討的問題。
1 AS3990/AS3991芯片的特點
    AS3990/AS3991芯片是奧地利微系統(tǒng)公司（microsystems）研制的一款用于超高頻（860 MHz~960 MHz）RFID讀寫器的專用芯片，其封裝形式為64腳QFN封裝。它具有集成度高的特點，芯片內集成了接收電路、發(fā)送電路、協議轉換單元、連接MCU（微控制器）的8 bit并行接口或SPI串行接口等。
    接收電路包括混頻器、自動增益控制、低通和高通濾波器、PM和AM解調器、低級解碼以及CRC校驗等部分。發(fā)送電路包括幅移鍵控或相移鍵控調制，自動產生幀同步、引導碼、CRC校驗碼，以及低階數據編碼、PM和AM調制器。協議轉換單元將來自MCU接口的數據自動轉換成標準協議數據幀，或將接收的數據幀轉換成MCU能接收的數據格式。
    芯片具有2種工作模式，完全支持ISO18000-6C(EPC Gen2)空中接口協議，兼容ISO18000-6A/B協議。芯片具有并行接口或串行接口2種數據接口方式，方便與MCU進行數據通信。
    圖1所示為芯片AS3990/AS3991的組成框圖。

    需要發(fā)送給RFID的命令和數據信號經編碼、調制、射頻放大后輸出到天線。由天線接收到的RFID響應信號送到芯片的輸入端，在芯片內接收信號經IQ混頻得到2路中頻信號IQ，再經增益、濾波、數字化轉換就得到了相應的數字信號。這時如果芯片設置在支持ISO18000-6A/B協議的直通工作模式，則數字信號直接由芯片串行接口送出交由系統(tǒng)的MCU進行解碼、CRC校驗以及相關的數據處理；如果芯片設置在支持ISO18000-C協議的工作模式，則數字信號先由芯片進行解碼（協議處理）、CRC校驗后存放在FIFO中，再由接口送出交由系統(tǒng)的MCU進行相關的數據處理。
2 讀寫器MCU的選取
    雖然AS3990/AS3991芯片完全支持ISO18000-C協議，具有與MCU的接口，能直接輸出解碼后的字節(jié)信息，對MCU處理能力的要求不高。但AS3990/AS3991芯片對ISO18000-6A/B協議的支持并不完全，只是完成了信號的數字化過程，且只能直接地、無緩沖地串行輸出碼流，解碼以及數據的有效性判斷須外部電路來完成。這樣就面臨2個選擇，或者采用可編程器件（CPLD）進行解碼、校驗而選用運行速度較低的MCU，或者直接采用MCU進行解碼、校驗而選用運行速度較高的MCU?？紤]到系統(tǒng)的緊湊性，采用MCU進行解碼、校驗。
    采用ISO18000-6A/B協議的電子標簽，通過調制來自讀寫器的射頻能量，將之反向散射，從而將信息數據傳送回讀寫器, 經AS3990/AS3991芯片處后，得到數據幀碼流，最大的數據幀長度為128 bit。這些信息數據采用FM0技術編碼（即雙相間隔編碼，圖2(c)為二進制數10110001的FM0編碼示例），傳輸速率為40 kb/s或160 kb/s，允許誤差為±15%，據此可以計算出射頻信號經AS3990/AS3991芯片處理后輸出的碼流脈沖的最小寬度為t_w。
    

    為了保證能對此信號進行正確的解碼、校驗，要求解碼電路的采樣頻率足夠高。當采用MCU進行解碼時，由于采樣是在指令控制下進行，同時還要實現采樣同步、采樣數據記錄保存等功能，所以要求MCU的指令周期應小于tw/32，這樣才能保證接收碼流信息不會丟失。在設計讀寫器時選擇MCU的型號為LPC2142。
3 電子標簽響應信號的接收與解碼
    電子標簽的每個響應信號均由下列域組成：靜默狀態(tài)(無調制的射頻載波)、返向幀頭、數據信息、以及CRC-16碼。圖2所示為電子標簽的響應信號組成。
    電子標簽的響應信號經AS3990/AS3991混頻、放大、濾波、數字化后，輸出的波形即為圖2(b)、圖2(c)所示的波形。響應信號的靜默除段輸出為低電平，實際上就是沒有有效信號，這時通過MCU的采樣端口對其進行監(jiān)視，一旦出現跳變信號則說明有電子標簽的響應信號到來(當然也有可能是干擾信號)，于是啟動采樣解碼程序，對信號進行判別，對到來的有效信號進行采樣、記錄、解碼。
   由于電子標簽只有在收到讀寫器的命令信號之后才會做出響應，因此MCU采樣端口的監(jiān)測程序，只有在讀寫器發(fā)出命令后一段有限時間（小于1 ms）內才需要啟動。此時采樣解碼程序可以100%占用CPU資源。考慮到MCU的運算速度，為了保證在接收過程中不發(fā)生數據丟失，在一幀數據的接收過程中，MCU對接收端口的信號只進行采樣、記錄保存，只有當一幀信息全部接收完以后才進行校驗計算與分析，以確定接收到一幀數據的完整性與有效性。
    電子標簽響應信號幀頭的格式是固定的，通過對幀頭信號波形寬度的采樣、測量可以確定響應信號的數據傳輸速率，也可以判別一幀數據的有效性。幀頭信號一個編碼的寬度與同幀內數據段一位數據編碼的寬度是相等的。從前面的計算可知，幀頭信號一個編碼的高電平寬度可小到tw(即2.7 μs)，由于測量沒有附加另外的硬件，直接由MCU完成，因此要求MCU具有相對較高的時鐘頻率，也就是較小的指令周期，以確保測量的精度。通過測量可以確定，幀頭信號一個編碼的寬度，包含n個MCU的時鐘周期，也就是說本幀數據段數據位的寬度為n，其值應大于32個指令周期所包含的時鐘周期數。在獲取了數據位的時間寬度以后，MCU便可以對它進行周期性(同步)的采樣、記錄，直到接收到一幀完整的數據為止。
4 總體設計
    圖3所示為讀寫器的設計框圖。發(fā)送數據經AS3990/AS3991編碼、載波調制后，由RFOPX與RFONX兩端差動輸出至射頻功率放大器PA，經PA放大后的信號通過隔離器由天線發(fā)送出去。經天線接收的信號通過隔離器后輸送到AS3990/AS3991的輸入端MIXS-IN，由AS3990/AS3991進行混頻、增益、濾波、數字化后得到數字信號，再送給MCU處理。AS3990/AS3991與MCU的接口既支持并行連接，也支持串行連接；AS3990/AS3991的初始化在MCU的控制下通過并行接口完成，之后根據初始化設定的工作模式選擇并行或串行通信方式；在支持ISO18000-6A/B協議的工作模式下，AS3990/AS3991只能輸出串行的數據流信息，解碼、校驗須由MCU完成；而在支持ISO18000-C協議的工作模式時，解碼、校驗AS3990/AS3991均已完成，MCU只需要以并行或串行的方式接收數據即可。讀寫器天線設計則根據讀寫距離的需要采用基于PCB板的微帶天線方案或專用外接天線方案。讀寫器與外部的數據通信則設置了USB接口和RS232接口。如果有需要，也可以通過選用不同型號的MCU方便地支持以太網接口或其他類型的總線接口。

    本讀寫器的設計方案簡單、調試方便，因而可以大大縮短開發(fā)周期。經使用測試證明，采用上述方案設計的讀寫器，標簽讀取速度快，誤讀、漏讀率低，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。