基于ISO180006C標(biāo)準(zhǔn)的UHF RFID讀寫器電路的設(shè)

1、電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文基于ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的UHF RFID讀寫器電路的設(shè)計與實現(xiàn)姓名：李冪申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導(dǎo)教師：文光俊20100501摘要摘要物聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)越來越普及，作為其四大核心技術(shù)之首的射頻識別（，）技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了極大的推廣和應(yīng)用，眾多的產(chǎn)品已經(jīng)面市，應(yīng)用方案也日趨成熟和多元化。就目前市場來看，低頻和高頻技術(shù)和應(yīng)用都已成熟，超高頻已經(jīng)開始商用，并處于高速發(fā)展中，微波的研發(fā)和應(yīng)用都還需要進(jìn)一步深化。本文的選題來源于實際應(yīng)用，研究對象是應(yīng)用于成衣制造行業(yè)的生產(chǎn)自動化管理的遠(yuǎn)距離讀寫器系統(tǒng)。首先，本文就的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問

2、題進(jìn)行了概述，然后引申到物聯(lián)網(wǎng)的概念并作了簡單的介紹。在分析實際應(yīng)用需求以及各頻段系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，確定采用超高頻技術(shù)方案來實現(xiàn)該項目的硬件系統(tǒng)。接著，對超高頻系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了分析，包括超高頻的系統(tǒng)構(gòu)架、讀寫器的電路結(jié)構(gòu)和工作流程、標(biāo)簽的電路結(jié)構(gòu)和工作流程以及后臺應(yīng)用系統(tǒng)的組成等。再次，根據(jù)項目小組分工，本文的任務(wù)是完成讀寫器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)。在對超高頻射頻收發(fā)單片集成電路進(jìn)行選擇的基礎(chǔ)上，確定了以為核心芯片，設(shè)計完成一款基于標(biāo)準(zhǔn)的超高頻讀寫器硬件電路，并給出了該電路的性能測試結(jié)果和整個讀寫器系統(tǒng)的測試過程和性能參數(shù)最后，針對現(xiàn)在已完成的讀寫器系統(tǒng)存在的問題提出了改進(jìn)方案。關(guān)鍵詞：，超

3、高頻射頻識別，讀寫器，謝，、析，晰，、析，（），；，：，圖目錄圖目錄圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖讀寫器內(nèi)部電路功能結(jié)構(gòu)圖圖無源標(biāo)簽電路結(jié)構(gòu)圖項目要求實現(xiàn)的讀寫器電路功能結(jié)構(gòu)圖圖內(nèi)部射頻前端結(jié)構(gòu)圖圖內(nèi)部數(shù)字部分結(jié)構(gòu)圖圖系統(tǒng)硬件電路功能模塊劃分圖射頻前端模塊電路結(jié)構(gòu)圖圖發(fā)射通道電路結(jié)構(gòu)圖圖程控衰減電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖讀寫器和標(biāo)簽之間的電磁波衰減規(guī)律圖固定增益放大電路結(jié)構(gòu)圖圖耦合器和功率檢測電路結(jié)構(gòu)圖天線連接檢查電路結(jié)構(gòu)圖接收通道電路結(jié)構(gòu)圖圖濾波器仿真原理圖圖濾波器仿真結(jié)果輸出圖數(shù)字電路模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖全線性穩(wěn)壓電源模塊結(jié)構(gòu)圖圖結(jié)合電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖功放上電控制電路圖射頻前端和數(shù)字電路模塊板疊層結(jié)構(gòu)圖電源管理模塊板疊層結(jié)

4、構(gòu)圖板表面歐姆阻抗線寬的計算模型圖全線性穩(wěn)壓電源模塊實物圖圖混合結(jié)構(gòu)電源管理模塊實物圖圖軟件的初始界面圖目錄圖對端口的設(shè)置圖正確識別洲芯片圖設(shè)置界面圖設(shè)置界面圖程序燒寫成功的界面圖端口設(shè)置界面圖軟件初始上電界面信息圖設(shè)置成功的界面圖電腦接口正確識別數(shù)字電路模塊的界面圖單路功率放大器小信號參數(shù)測試結(jié)果圖驅(qū)動放大器的參數(shù)測試結(jié)果圖芯片數(shù)字部分正常工作的測試結(jié)果圖系統(tǒng)發(fā)射全頻段功率譜測試結(jié)果圖系統(tǒng)發(fā)射瞬時功率譜測試結(jié)果圖調(diào)試完成的射頻前端電路板照片圖讀寫器整機(jī)圖片圖讀寫器模擬應(yīng)用環(huán)境。表目錄表目錄表標(biāo)準(zhǔn)的三種類型的比較表濾波器性能要求表功率放大器大信號測試數(shù)據(jù)記錄表功率放大模塊的增益測試表驅(qū)動放大器

5、大信號測試數(shù)據(jù)記錄表固定增益放大電路增益測試數(shù)據(jù)記錄獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。簽名：蕉鋈日期：加肜年月壚日論文使用授權(quán)本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分

6、內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名：壟墨導(dǎo)師簽名：一互毖幺壟：日期：年月第一章緒論第一章緒論射頻識別（）技術(shù)進(jìn)入中國已經(jīng)十來年了，從事產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的單位與部門越來越多，已經(jīng)面市的各類產(chǎn)品以及應(yīng)用方案也十分豐富，產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步壯大、成熟。政府多個部委設(shè)立專項資金，對技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣活動進(jìn)行資助。下面是技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的簡要介紹。的由來在傳統(tǒng)的自動識別技術(shù)中，條形碼是現(xiàn)在應(yīng)用范圍最廣的一種。但是條形碼本身也存在一些難以克服的缺陷，如數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)不可更改、數(shù)據(jù)安全無保障、易磨損等。另外，掃描儀對條碼的讀取

7、必須在可視條件下，而且只能單條讀取，難以實現(xiàn)不拆封大批量或運動物品的識別與統(tǒng)計【。技術(shù)的應(yīng)用使這一情況大大改觀。技術(shù)最早應(yīng)用予二戰(zhàn)時期空戰(zhàn)中盟軍飛機(jī)的敵我識別，這是一種無線電廣播與雷達(dá)相結(jié)合的技術(shù)【】。經(jīng)過幾十年的理論發(fā)展與完善，以及一些早期試驗品的研發(fā)與試用，技術(shù)的巨大商業(yè)價值與發(fā)展?jié)摿χ鸩秸宫F(xiàn)在世人的面前，各種規(guī)模應(yīng)用開始出現(xiàn)。世紀(jì)年代末，隨著在不同地域和領(lǐng)域的發(fā)展，設(shè)備和系統(tǒng)存在的相互兼容性問題逐漸暴露出來，人們開始認(rèn)識到建立一個統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要性。全球各地區(qū)相關(guān)機(jī)構(gòu)根據(jù)技術(shù)的不同工作頻段和工作方式，制訂了多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但由于涉及到數(shù)據(jù)共享和商業(yè)利益甚至國家利益問題，這些標(biāo)準(zhǔn)暫時存還

8、在地域限制。中國的外貿(mào)加工業(yè)十分發(fā)達(dá)，物流量占世界總量的絕大多數(shù)。技術(shù)在國內(nèi)的興起，更加促進(jìn)了物流及其相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。國家已經(jīng)認(rèn)識到技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的重要性，在引導(dǎo)和扶植國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上，已要求加入世界標(biāo)準(zhǔn)的建立，并將建立和完善自己的標(biāo)準(zhǔn)。的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀技術(shù)涉及信息、制造、材料等諸多高技術(shù)領(lǐng)域，涵蓋無線通信、芯片設(shè)計與制造、天線設(shè)計與制造、標(biāo)簽封裝、系統(tǒng)集成、信息安全等技術(shù)【】。國外產(chǎn)業(yè)起步早，發(fā)展迅速，并得到眾多世界知名廠商的支持，掌握了大量的核心知識產(chǎn)權(quán)。從專利申請的數(shù)量上來看，美國的申請量達(dá)到全球總量的，是技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)出的主體地區(qū)。中國的申請量僅

9、占申請總量的，而且其中的核心技術(shù)含量不高，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的工作。技術(shù)擁有多個工作頻段，現(xiàn)階段技術(shù)的應(yīng)用和研究的熱點頻段包括：低頻（，）、高頻（，）、超高頻（，）和微波（，和）【。當(dāng)前國際上主流產(chǎn)品以低頻和高頻系列為主，超高頻系列產(chǎn)品已經(jīng)開始小規(guī)模量產(chǎn)，微波頻段產(chǎn)品由于電磁環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)門檻較高等問題，雖然已經(jīng)開始應(yīng)用，但是還處于探索發(fā)展階段。隨著研發(fā)進(jìn)程的不斷深入，標(biāo)簽天線的加工工藝也在不斷的更新?lián)Q代，目前的以電導(dǎo)率良好的銅或鋁作為導(dǎo)體材料的蝕刻沖壓工藝將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?dǎo)電油墨為天線導(dǎo)體的印刷天線技術(shù)。印刷天線技術(shù)在國外已經(jīng)成功應(yīng)用，但性能還有待提高，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)還處于起步階段。標(biāo)簽封裝

10、以低溫倒裝鍵合（）工藝為主，也出現(xiàn)了流體自裝配、振動裝配等新的標(biāo)簽封裝工藝。國內(nèi)低成本、高可靠性的標(biāo)簽制造裝備和封裝工藝正在研發(fā)中。目前國內(nèi)廠商已經(jīng)掌握技術(shù)相對簡單的低頻和高頻標(biāo)簽芯片的核心技術(shù)，并且成功地實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化；超高頻無源標(biāo)簽芯片的研發(fā)已經(jīng)基本結(jié)束，少量樣品已經(jīng)投入試用；微波頻段標(biāo)簽還暫時采用的是低功耗的通用射頻收發(fā)芯片來搭建，以大容量紐扣電池供電（即有源標(biāo)簽），可連續(xù)工作年以上。從市面上出售的各種讀寫器來看，基本上采用的都是國外的讀寫器芯片。在各頻段高集成度、高性能讀寫器芯片的研發(fā)方面，國內(nèi)還處于起步階段。目前國內(nèi)外各頻段讀寫器產(chǎn)品種類繁多，多頻段工作、多協(xié)議兼容讀寫器已經(jīng)開始應(yīng)用。

11、國內(nèi)的讀寫器系列產(chǎn)品中，小功率類型已經(jīng)達(dá)到國外同類水平，大功率讀寫器性能還有待提高。在應(yīng)用系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)管理平臺等方面，還是以國外一些大型企業(yè)為主導(dǎo)。目前國內(nèi)有多家企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)等從事相關(guān)軟件和系統(tǒng)的開發(fā)，并取得了初步成果。但是在大型系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)庫管理方面，與國外相比，差距還比較明顯。第一章緒論目前國內(nèi)已經(jīng)將技術(shù)應(yīng)用于物流、航空、郵政、交通、票務(wù)、軍事、金融、醫(yī)療衛(wèi)生、安全、畜牧和防偽等多個領(lǐng)域，并在進(jìn)一步推廣中。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀目前，標(biāo)準(zhǔn)還存在以地域為主的多種標(biāo)準(zhǔn)共存的局面。國際上的標(biāo)準(zhǔn)主要有三大系列，即系列、系列以及日本的系列【。從標(biāo)準(zhǔn)化的權(quán)威性來說，（）是年月成立的一個新的組織，而是

12、國際標(biāo)準(zhǔn)化公認(rèn)的權(quán)威機(jī)構(gòu)。的主要職責(zé)是制定應(yīng)用于物流和倉儲等物品管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)，其成果類似于年月日正式發(fā)布的。為了能在全球范圍內(nèi)推廣該標(biāo)準(zhǔn)，年月向組織提出申請，將標(biāo)準(zhǔn)提升為標(biāo)準(zhǔn)。年月日，正式進(jìn)入，即后來的，】。而日本的標(biāo)準(zhǔn)與除了編碼之外，與之間沒有原則性區(qū)別，因此雖然其強(qiáng)調(diào)的“泛社會化應(yīng)用”理念有許多可取之處，但是仍然沒有受到日本政府的重視。從目前發(fā)展趨勢來看，標(biāo)準(zhǔn)雖然有所發(fā)展，但相較于的發(fā)展趨勢，其影響力有限引。針對各頻段技術(shù)的應(yīng)用，組織發(fā)布了一個標(biāo)準(zhǔn)系列，即：信息技術(shù)用于項目管理的射頻識別技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)系列涵蓋了從到的通信頻率，作用距離由幾厘米到上百米。具體內(nèi)容分為以下部分：參考結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)

13、化參數(shù)定義：頻率小于的空中接口通信參數(shù)：頻率下的空中接口通信參數(shù)：頻率下的空中接口通信參數(shù)：（頻率下的空中接口通信參數(shù)：頻率下的有源空中接口通信參數(shù)需要說明的是：該系列中缺少的頻率下的空中接口通信參數(shù)已被否決，不成為國際標(biāo)準(zhǔn)。本文的研究對象為系列三種標(biāo)準(zhǔn)之一，三種類型所選擇的調(diào)制方式、編碼方式、算法、標(biāo)簽查詢能力等均存在一定的差異，具體如表所示，：電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文表標(biāo)準(zhǔn)的三種類型的比較工作讀寫器到標(biāo)簽調(diào)制方式編碼方式副載波頻窒標(biāo)簽到讀寫器調(diào)制方式編碼方式唯一識別符長度算法速率頻段速率一，由無線電政策限制】以或，由無線電政策限制、或未用未用子載頻調(diào)制：由標(biāo)簽選擇和（或）】或調(diào)制子載頻，由

14、讀寫器選擇可變，最小為，最大為時隙隨機(jī)防磁撞在讀寫器閱讀場內(nèi)，多達(dá)”個標(biāo)簽呈線形，大于此數(shù)的具有唯一的標(biāo)簽呈具有唯一的標(biāo)簽數(shù)量不受限制在個標(biāo)簽的讀寫器內(nèi)，自適防碰撞標(biāo)簽查詢能力線形應(yīng)時隙為個標(biāo)簽分配多達(dá)個時隙，基本呈線形算法允許在讀寫器識別區(qū)內(nèi)，閱讀不少于個標(biāo)簽多達(dá)個標(biāo)簽基本呈線形，由數(shù)據(jù)內(nèi)容的大小決定算法允許在讀寫器識別區(qū)內(nèi)，閱讀不少于個標(biāo)簽通過對已經(jīng)面市的三種標(biāo)準(zhǔn)所分別對應(yīng)的產(chǎn)品性能的比較可知：和仍存在著一些不足，如防沖突機(jī)制的識別效率還有待提高；防沖突機(jī)制不第一章緒論能適應(yīng)同時識別很大數(shù)量應(yīng)答器的應(yīng)用；數(shù)據(jù)、指令和識別過程比較復(fù)雜，不適應(yīng)一些需要高速識別的應(yīng)用；對一些社會問題如個人隱私保

15、護(hù)等考慮不周等等；而是后來者，在標(biāo)準(zhǔn)制定的過程中解決了一些和中存在的問題，其產(chǎn)品實際性能大大優(yōu)于前兩種。根據(jù)目前的市場動態(tài)來看，的產(chǎn)品已經(jīng)基本淘汰，的產(chǎn)品已經(jīng)少見，而以為主，同時兼容的系列產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位，當(dāng)然也還有少量同時兼容、和三種標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。按照當(dāng)前形勢發(fā)展，將來超高頻產(chǎn)品必將統(tǒng)一到單獨的標(biāo)準(zhǔn)。相較于國外在方面的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展來看，我國在這方面起步較晚，還存在很大的差距。雖然標(biāo)準(zhǔn)制定的相關(guān)工作已經(jīng)進(jìn)行了一段時間，但是由于種種原因，使得我國的標(biāo)準(zhǔn)體系研究工作幾起幾落。年月日，國家十五個部委聯(lián)合發(fā)布了中國射頻識另（）技術(shù)政策白皮書，正式確定了我國技術(shù)的地位。產(chǎn)業(yè)已成為“十一五規(guī)劃中的重大專項，政府

16、每年都投入大量資金對相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行扶植，引導(dǎo)并推動產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。存在的問題雖然的技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)逐漸深入并持續(xù)發(fā)展，但是現(xiàn)階段還存在一些阻礙著產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的問題，具體包括，】：（）標(biāo)準(zhǔn)問題。目前還沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而且這種多標(biāo)準(zhǔn)并存的局面還會存在一段時間，在這種情況下冒然實施，會帶給相關(guān)企業(yè)帶來不必要的風(fēng)險。（）成本問題。目前，技術(shù)的實施成本還比較高，投資收益比例的吸引力還不夠，因此其應(yīng)用還局限于高價值和高利潤行業(yè)。（）安全性問題。當(dāng)前的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和客戶隱私問題還沒有得到良好的解決，芯片在讀或?qū)憯?shù)據(jù)時容易泄漏信息，這也使得用戶對技術(shù)的應(yīng)用持觀望態(tài)度。（）商業(yè)模式問題。對于產(chǎn)業(yè)所代表的商

17、業(yè)模式，市場的接納程度還有限，并沒有達(dá)到融合發(fā)展的地步。的發(fā)展趨勢眾多的市場分析機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近幾年來產(chǎn)業(yè)保持了持續(xù)旺盛的電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文發(fā)展勢頭，并預(yù)測在未來的幾年中，產(chǎn)業(yè)仍將高速發(fā)展壯大。電子標(biāo)簽、讀寫器、系統(tǒng)集成軟件、公共服務(wù)體系、標(biāo)準(zhǔn)化等方面都將取得新的進(jìn)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品性能將得到極大的提升，應(yīng)用場景也趨于多樣化，衍生的增值服務(wù)也將越來越廣泛。其發(fā)展趨勢包括以下幾個方面】：（）標(biāo)簽：低功耗、高性能、高可靠性、低成本。（）讀寫器：硬件方面多功能、多接口、多制式、模塊化、小型化、便攜化，軟件方面向嵌入式方向發(fā)展，且采用多點布局網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)讀寫器之間以及讀寫器與

18、上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享。（）多技術(shù)融合：技術(shù)將與其它三種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及多種通信方式相融合，借助網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)筑一個無所不在的智能化的信息共享環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)簡介隨著國家的大力推廣和支持，物聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)逐漸普及。其核心思想是通過各種傳感器設(shè)備獲取物品信息，并將該信息發(fā)布網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)而實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理，構(gòu)建一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的環(huán)境【】。年國際電信聯(lián)盟在突尼斯舉行的“信息社會全球峰會”上，發(fā)表了名為“物聯(lián)網(wǎng)”的年終報告【】。從此，物聯(lián)網(wǎng)的概念開始廣泛傳播，相關(guān)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。該報告指出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有四大關(guān)鍵性應(yīng)用技術(shù)：技術(shù)、無線傳感技術(shù)、智能技術(shù)以及納米技

19、術(shù)，其中技術(shù)處于四大關(guān)鍵技術(shù)之首。目前，最具代表性的物聯(lián)網(wǎng)是歐美支持的架構(gòu)【，。日本提出的體系也具有一定的代表生，】。本論文的選題和研究內(nèi)容本論文選題來自于生產(chǎn)自動化管理領(lǐng)域，要求約米以上的識別范圍，并能在物品運動的情況下進(jìn)行批量識讀。鑒于此要求，下面對幾種遠(yuǎn)距離自動識別系統(tǒng)進(jìn)行分析，選取合適的技術(shù)方案。首先考慮的是識別距離，現(xiàn)有的各種技術(shù)中，能進(jìn)行遠(yuǎn)距離識別的有超高頻、和三種。以現(xiàn)有的集成電路技術(shù)，生產(chǎn)這幾種頻段的無源標(biāo)簽芯片是沒有問題的。在考慮標(biāo)簽的供電第一章緒論方式和成本因素的情況下，頻段的識別距離可在米以上，單標(biāo)簽成本十分便宜，只有幾毛錢；而和頻段的無源電子標(biāo)簽識別距離很近，且技術(shù)比較

20、復(fù)雜，成本高，不滿足應(yīng)用指標(biāo)。現(xiàn)階段在這兩個頻段的標(biāo)簽都是有源標(biāo)簽，用于上百米的遠(yuǎn)距離識別。因此，本論文采用系統(tǒng)方案。本項目的目標(biāo)是設(shè)計實現(xiàn)一種高集成度、多功能、高性能的讀寫器。根據(jù)項目研發(fā)任務(wù)的劃分，本文要完成的是一款符合標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)。主要研究內(nèi)容如下：對讀寫器的系統(tǒng)原理進(jìn)行了分析；根據(jù)項目要求，對讀寫器核心電路模塊進(jìn)行了功能劃分和具體性能指標(biāo)的確定，并提出了硬件電路方案；對讀寫器核心電路模塊進(jìn)行具體的硬件電路原理圖和版圖設(shè)計；完成讀寫器核心電路模塊硬件電路板的焊接、調(diào)試，以及性能的優(yōu)化；將完成的讀寫器核心電路模塊與讀寫器其他模塊進(jìn)行組合，并對讀寫器整機(jī)系統(tǒng)性能進(jìn)行實測：

21、電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)基本原理系統(tǒng)基本構(gòu)成系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、讀寫器和后臺應(yīng)用系統(tǒng)部分組成，如圖所示：圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖讀寫器讀寫器的稱謂是一個比較廣泛的概念，一般指這樣一種設(shè)備：能完成對標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫入，并完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理以及對系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制功能。一般讀寫器內(nèi)部電路功能劃分都比較相似，如圖所示：圖讀寫器內(nèi)部電路功能結(jié)構(gòu)圖針對不同的應(yīng)用場景，屏幕、鍵盤和存儲系統(tǒng)作為讀寫器的可選配置。在讀寫器與后臺應(yīng)用系統(tǒng)連接良好的情況下，讀取和寫入等命令既可以由后臺應(yīng)用系統(tǒng)下達(dá)，也可以由讀寫器送出。當(dāng)讀取命令下達(dá)后，該命令經(jīng)過基帶電第二章基本原理路解析，對射頻前端電路的工作頻率，發(fā)射功率，工作

22、時間，編碼方式和數(shù)據(jù)速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。射頻信號通過天線發(fā)射出去，形成一個有效輻射區(qū)。系統(tǒng)一般采用無源標(biāo)簽，因此讀寫器的射頻信號對于標(biāo)簽來說，既提供了標(biāo)簽芯片的電源，又包含了數(shù)據(jù)和控制信息。標(biāo)簽信息返回到讀寫器后，經(jīng)過放大、變頻、濾波等操作后，進(jìn)行轉(zhuǎn)換并進(jìn)行錯誤校驗，然后判斷標(biāo)簽數(shù)據(jù)的有效性，再經(jīng)過基帶電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，送達(dá)控制系統(tǒng)，進(jìn)而返回后臺應(yīng)用系統(tǒng)。寫入過程和讀取過程類似，只是讀寫器發(fā)射和接收的有效數(shù)據(jù)都是新的標(biāo)簽編號，操作人員也可根據(jù)這個返回的標(biāo)簽編號判斷向標(biāo)簽寫入信息是否成功。當(dāng)讀寫器沒有連接后臺應(yīng)用系統(tǒng)的時候，讀取和寫入的操作指令都是由讀寫器控制系統(tǒng)下達(dá)的，返回的數(shù)據(jù)暫時存儲于讀

23、寫器內(nèi)部存儲器中，待與后臺應(yīng)用系統(tǒng)連接之后，完成數(shù)據(jù)上傳。在有屏幕和鍵盤的讀寫器上，用戶可以直接進(jìn)行讀寫器工作狀態(tài)設(shè)置以及數(shù)據(jù)的提取。固定式讀寫器根據(jù)其作用距離和作用范圍，以及其自身發(fā)射功率，來進(jìn)行天線選擇。一般選擇平面天線，要考慮的參數(shù)主要是頻帶，增益、波瓣寬度、極化方式、功率容量和特征阻抗，對外觀尺寸的限制不是太嚴(yán)格。標(biāo)簽現(xiàn)在市面上使用的超高頻電子標(biāo)簽基本上都是無源的，即依靠讀寫器的射頻載波來提供電能。其通用電路結(jié)構(gòu)如圖所示：圖無源標(biāo)簽電路結(jié)構(gòu)標(biāo)簽芯片中有一塊存儲區(qū)，保存著標(biāo)簽的編號等信息，在實際應(yīng)用中，標(biāo)簽附著在待識別物體表面。當(dāng)標(biāo)簽處于讀寫器天線有效作用范圍內(nèi)，且接收的電磁波功率超過標(biāo)

24、簽芯片最小工作門限值時，標(biāo)簽開始工作。標(biāo)簽芯片將接收的射頻電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文信號分為兩部分：一部分經(jīng)過整流，形成一定電平的直流信號，為標(biāo)簽系統(tǒng)供電：另一部分經(jīng)過芯片內(nèi)部電路的解析，執(zhí)行讀寫器指令并交換數(shù)據(jù)，然后再通過標(biāo)簽天線反射回去。在標(biāo)簽與讀寫器通信的整個過程中，標(biāo)簽接收的電磁波功率一定要持續(xù)高于其工作的最小門限值，否則標(biāo)簽將因為供電不足而停止工作。需要注意的是，隨著標(biāo)簽與讀寫器天線之間距離的變化，標(biāo)簽接收的電磁波強(qiáng)度也在變化，一定要防止標(biāo)簽接收的電磁波強(qiáng)度過大而損壞標(biāo)簽芯片。無源標(biāo)簽結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，并能夠免去日常維護(hù)的麻煩，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。后臺應(yīng)用系統(tǒng)圖所示的后臺應(yīng)用系

25、統(tǒng)是一個很寬泛的概念，包括了除讀寫器和標(biāo)簽以外的所有通信和應(yīng)用軟件。在物聯(lián)網(wǎng)的概念內(nèi)，該后臺應(yīng)用系統(tǒng)可分為中間件、對象名稱解析服務(wù)（）和信息服務(wù)（）】。中間件是一個位于讀寫器與應(yīng)用軟件之間獨立的軟件，其主要任務(wù)是完成讀寫器與上層應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)校驗和交互管理，以及控制命令的解析等。是一個基于網(wǎng)絡(luò)平臺的自動服務(wù)系統(tǒng)，中間件通過它獲取存儲產(chǎn)品相關(guān)信息的服務(wù)器信息。由于是基于因特網(wǎng)域名解析服務(wù)來進(jìn)行設(shè)計與架構(gòu)的，因此在現(xiàn)有的非常完善的因特網(wǎng)平臺上，網(wǎng)絡(luò)可以迅速擴(kuò)展到了世界各地。包含了一個數(shù)據(jù)和服務(wù)的接口，它具有模塊化、可擴(kuò)展性的特點。與相關(guān)的各種信息可以在中得到處理，并在企業(yè)內(nèi)部或者企業(yè)之間實現(xiàn)共

26、享。第三章系統(tǒng)方案設(shè)計第三章電路設(shè)計方案及開發(fā)流程本項目所要實現(xiàn)的嵌入式讀寫器系統(tǒng)共包含三大部分：讀寫器核心功能硬件電路、內(nèi)部適配器、嵌入式控制系統(tǒng)。按照項目小組的分工，本論文的任務(wù)是完成上述三大部分中的“讀寫器核心功能硬件電路”部分電路。為了強(qiáng)調(diào)概念的清晰性，本論文中將“讀寫器核心功能硬件電路稱為“讀寫器，將“嵌入式控制”系統(tǒng)稱為“嵌入式控制系統(tǒng)”，而將本項目要設(shè)計的全體電路即“讀寫器整機(jī)”稱為“嵌入式讀寫器系統(tǒng)”。其結(jié)構(gòu)如圖所示：嵌入式讀寫器系統(tǒng)廠一仄洄兩一一砒盯一兩種供電方式任選一種島絮廠匿畝兀芋上毒蠖刪粵阿圖切盯嵌入式讀寫器系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖因此，本論文要完成的任務(wù)是如圖所示的讀寫器電路的

27、設(shè)計與實現(xiàn)。本章內(nèi)容，首先提出項目所要實現(xiàn)的系統(tǒng)功能要求和性能指標(biāo)，然后進(jìn)行射頻前端收發(fā)芯片選型，再次進(jìn)行本論文電路功能規(guī)劃以及開發(fā)流程的簡介。核心功能和性能指標(biāo)根據(jù)項目的要求，本論文所要實現(xiàn)的讀寫器的主要功能和性能指標(biāo)如下：系統(tǒng)功能：系統(tǒng)工作頻段為，采用跳頻工作方式。可根據(jù)各個國家和地區(qū)為應(yīng)用所劃分的頻段進(jìn)行軟件調(diào)整。兼容電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文空中接口協(xié)議；支持防碰撞算法：具有密集讀寫器工作模式（）功能；多天線分時循環(huán)工作，并且任意天線的工作狀態(tài)可獨立配置；輸出功率軟件可調(diào)；性能指標(biāo)：標(biāo)簽識別距離大于天線；在給定的防碰撞算法作用下，能在秒內(nèi)完成張標(biāo)簽正確無漏讀。輸出功率范圍：，步進(jìn)為。通信

28、接口：射頻端收發(fā)分離四對特征阻抗同軸線接口；調(diào)試和通信接口各一組。讀寫器芯片介紹及選型讀寫器芯片選型當(dāng)前已經(jīng)商用的專用射頻前端收發(fā)芯片主要有三款：公司的（原屬于公司），奧地利微電子公司的系列和公司。因為公司的不對外零售，無法購買和獲取資料，首先排除；在本項目進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計的時候，奧地利微電子公司的產(chǎn)品有兩款：和。但是由于其自身性能不能滿足本項目要求，因此也排除；綜上本論文只能選擇公司的。簡介是一款高集成度、高性能、低功耗的讀寫器芯片，采用工藝制作。支持！空中接口協(xié)議。該芯片工作在的頻段，可以覆蓋不同國家和地區(qū)為系統(tǒng)所劃分的頻段。其收發(fā)系統(tǒng)采用零中頻結(jié)構(gòu)，支持多種編碼方式和數(shù)據(jù)速率。豐富的片內(nèi)

29、集成寄存器資源，使得用戶可以根據(jù)自己的需要，通過軟件控制界面，第三章系統(tǒng)方案設(shè)計靈活地調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)。的接收靈敏度非常高，可達(dá)一模式、一模式。的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖和圖所示：圖內(nèi)部射頻前端結(jié)構(gòu)圖圖內(nèi)部數(shù)字部分結(jié)構(gòu)圈電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文的高度集成帶來了功能的全面化、多樣化，其片上系統(tǒng)集成的功能可達(dá)一個用分立元件搭建的系統(tǒng)的以上【，極大地簡化了系統(tǒng)電路和設(shè)計流程，縮短了設(shè)計時間，并提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)功能模塊劃分本論文所要實現(xiàn)的讀寫器系統(tǒng)硬件電路主要由三部分組成：（）射頻前端模塊；（）數(shù)字電路模塊；（）電源管理模塊。如圖所示：圖系統(tǒng)硬件電路功能模塊劃分射頻前端模塊的核心芯片是射頻收發(fā)芯片，主要

30、完成射頻信號的收發(fā)、調(diào)制解調(diào)、濾波、溫度檢測、增益控制和與數(shù)字電路的通信等功能；數(shù)字電路模塊的核心芯片是，主要完成射頻前端模塊與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)解析、交互，系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制，實現(xiàn)通信協(xié)議功能，并提供對外的數(shù)字通信接口；電源管理模塊將外部輸入的轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)其他功能模塊的各種工作電平，并提供上電控制和相應(yīng)的帶負(fù)載能力。開發(fā)流程規(guī)劃在進(jìn)行具體設(shè)計工作之前，需要對整個項目開發(fā)的工作流程作一個規(guī)劃，具體如下：第一階段：硬件電路設(shè)計階段根據(jù)本論文的功能和性能參數(shù)要求，細(xì)化各電路支路的電氣參數(shù)，并進(jìn)行器件選型，完成系統(tǒng)硬件電路的原理圖和版圖設(shè)計，然后從板文件生成加第三章系統(tǒng)方案設(shè)計工文檔，交付工廠加工。同

31、時根據(jù)板的設(shè)計參數(shù)，配合腔體設(shè)計人員進(jìn)行腔體設(shè)計。第二階段：板的焊接調(diào)試階段待板加工完成后，按照各模塊上電工作的先后順序，對各模塊電路進(jìn)行焊接調(diào)試。然后將調(diào)試通過的各板安裝到腔體中，進(jìn)行兩項測試：測試腔體尺寸、固定孔位置、散熱襯底和對外接口是否滿足設(shè)計要求；在前一步的基礎(chǔ)上，對電路系統(tǒng)上電，檢查三大電路模塊板是否能獨立正常工作，然后將其組合成讀寫器系統(tǒng)，測試其性能是否滿足設(shè)計要求。第三階段：系統(tǒng)測試階段在實現(xiàn)本論文所要求的讀寫器系統(tǒng)性能測試之后，結(jié)合其他小組完成的適配器和嵌入式控制系統(tǒng)電路，在腔體中組成嵌入式讀寫器系統(tǒng)。根據(jù)項目的各項功能和性能指標(biāo)要求，對嵌入式讀寫器系統(tǒng)的各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試調(diào)

32、整，以實現(xiàn)在特定工作環(huán)境下的系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章電路模塊設(shè)計根據(jù)第三章的系統(tǒng)方案，本章將對各模塊電路的功能和性能進(jìn)行分析，并完成電路的原理圖和版圖設(shè)計。另外對板布板過程中的一些注意事項也進(jìn)行了簡要說明。射頻前端模塊電路設(shè)計射頻前端模塊以射頻收發(fā)芯片為核心，主要完成射頻信號的收發(fā)、調(diào)制解調(diào)、濾波、溫度檢測、增益控制和數(shù)字通信等功能，如圖所示：圖射頻前端模塊電路結(jié)構(gòu)圖下面內(nèi)容，將對射頻前端模塊中的各子模塊進(jìn)行分析設(shè)計。外圍發(fā)射通道外圍發(fā)射信號通道包括固定增益放大電路，程控衰減電路，耦合器，濾波器，單刀四擲天線選擇開關(guān)，天線連接檢查和正反向功率檢測等功能。如圖所示：第四章

33、硬件電路設(shè)計。委鐾孽苧笙孽，墾旦墊登坌型正向功率檢測數(shù)字電路控制系統(tǒng)功率檢測耦合器放大電路固定增益程控衰減電路一圖外圍發(fā)射通道電路結(jié)構(gòu)圖其工作流程是：系統(tǒng)上電開始運行的時候，先進(jìn)行天線連接檢查。如果所選擇支路天線沒有連接，則在應(yīng)用軟件的用戶界面會報錯。待天線連接好了之后，系統(tǒng)才進(jìn)行下一步任務(wù)。初始狀態(tài)下，程控衰減電路的衰減值未知。當(dāng)?shù)妮敵鲂盘柦?jīng)過程控衰減電路后，被固定增益放大電路進(jìn)行高線性度放大，然后進(jìn)入耦合器進(jìn)行耦合，耦合器正向耦合端輸出的信號進(jìn)入正向功率檢測單元后得到一個對應(yīng)的電平值。該電平在控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理后，由數(shù)字電路控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制程控衰減電路調(diào)整其衰減值，如此反復(fù)，直到達(dá)到

34、設(shè)定的輸出功率值為止（注意：國家信無部規(guī)定我國的最大發(fā)射功率為，即】）。耦合器輸出信號經(jīng)過低通濾波器后，送入到單刀四擲射頻通道選擇開關(guān)，然后由被選擇的天線通道發(fā)射出去。如果天線匹配不好，部分或全部信號反射回來后，在耦合器的反向耦合端輸出的信號進(jìn)入反向功率檢測單元，得到的電平值經(jīng)過數(shù)字電路控制系統(tǒng)處理后，芯片將停止發(fā)射射頻信號，同時應(yīng)用軟件的用戶界面也會報錯。這整個發(fā)射功率控制過程是實時的、動態(tài)的。程控衰減電路程控衰減電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。其中數(shù)字電路控制系統(tǒng)輸出的控制信號控制數(shù)字電位器的輸出電平是增加還是減少，表示電平增加或減少的量。該電路中的型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)是為了保證在程控衰減器失效的情況下，

35、的射頻發(fā)射信號經(jīng)過放大后，其功率不超過功率放大器的值而設(shè)計的。其衰減量是固定值，但可根據(jù)整個發(fā)射通道的性能對其衰減量進(jìn)行調(diào)整。程控衰減電路的工作流程是：當(dāng)數(shù)字電路控制系統(tǒng)得到正向功率檢測結(jié)果后，與用戶設(shè)定的射頻發(fā)射功率所對應(yīng)的電平值相對比，找出兩者差量，然后產(chǎn)生控電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文制信號和，控制數(shù)字電位器產(chǎn)生一個電平。該電平經(jīng)過緩沖后，作用到程控衰減器上，調(diào)整其衰減幅度。該調(diào)整過程是實時的、動態(tài)的。圖程控衰減電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定增益放大電路芯片的射頻輸出功率典型值是，不足以達(dá)到項目要求的在定向圓極化天線作用下達(dá)到作用距離，因此需要對的射頻輸出功率進(jìn)行放大。國家信無部規(guī)定我國的最大發(fā)射功率為，

36、即。為了使讀寫器既達(dá)到要求的工作距離又符合國家的相關(guān)規(guī)定，需要進(jìn)行一些簡單的計算，以得到放大器的增益要求。首先考慮自由空間的無線電傳播損耗。自由空間是一種理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)，電磁波在其中傳播時，不發(fā)生反射、折射、繞射、散射和吸收現(xiàn)象，所有的損耗都是電磁波能量擴(kuò)散引起的。在自由空間中，設(shè)發(fā)射點處的發(fā)射功率為，以球面波輻射；設(shè)接收功率為，則有，】：去孵（南）和接收天線之間的距離。自由空間的傳播損耗三定義為：，式中，旯為信號波長，和，分別表示發(fā)射天線和接收天線增益；為發(fā)射天線三每（等矗名，取信號頻率為，則：，五：生：堡”（）在處，以分貝表示三為：第四章硬件電路設(shè)計上（如）。（等）一（如）

37、一，（如）（如）一（）（）若只考慮信號離開發(fā)射天線之后，到達(dá)接收天線之前的傳播損耗，即不考慮天線的影響，則相距處有：一招（）讀寫器和標(biāo)簽之間信號功率的衰減規(guī)律如圖所示（假設(shè)讀寫器發(fā)射功率，定向天線增益）圖讀寫器和標(biāo)簽之間的電磁波衰減規(guī)律考慮到固定增益放大電路之后到天線輸入端的衰減（耦合器低通濾波器天線選擇開關(guān)線損），再加上到達(dá)標(biāo)簽部分射頻信號的設(shè)計余量，讀寫器到達(dá)天線輸入端的信號功率要保證不少于，對應(yīng)的固定增益放大電路的輸出功率不小于。因此，固定增益放大電路對輸出射頻信號的理論增益至少應(yīng)為：（扭，卵）（）一（）（）抬（垂）得到固定增益放大電路的增益值后，器件選型還需考慮以下問題：放大器芯片自身

38、的增益是否足夠，其線性度是否滿足要求，輸入輸出射頻信號功率范圍是多少。查詢了各大器件生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品參數(shù)，找不到能同時滿足以上條件的芯片。因此，本論文采用“驅(qū)動放大器功率放大器的電路結(jié)構(gòu)，而且為了提高功率放大器的線性度，還采用了功率分配與合成技術(shù)。其電路結(jié)構(gòu)如圖所示。雖然在滿足輸入輸出信號功率范圍的情況下，固定增益放大電路的增益大于，但是本論文的目的是使的射頻發(fā)射信號經(jīng)過程控衰減電路和固定增益放大電路之后，達(dá)到要求的輸出功率的情況下，程控衰減電路和固定增益放大電路的總增益值為。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文固定增益放大電路功率放大器蘺啪磊陲功率放大器到司，。，合成器“”圖固定增益放大電路結(jié)構(gòu)圖本論文選

39、用的高線性度功率放大器的小信號典型增益為，壓縮點為，最大射頻輸入信號功率為。驅(qū)動放大器小信號典型增益為，壓縮點為，最大射頻輸入功率為，口。由于在大信號工作狀態(tài)下，驅(qū)動放大器和功率放大器的增益都會有一定的壓縮：而且板的材料不同，分層不同，布線不同，都會影響電路的性能，芯片說明文檔中的數(shù)據(jù)只能作為參考，具體元件參數(shù)的確定還要等到焊接調(diào)試階段。耦合器和功率檢測耦合器的使用主要是為了對射頻發(fā)射信號和反射信號功率進(jìn)行檢測，并為提供外部本振源。其電路結(jié)構(gòu)如圖所示：二叵垂垂匹，卜一耦合器卜固垂固丞垂國：片內(nèi)檢測卜一型衰減器叫型衰減器卜叫夕部本振圖耦合器和功率檢測電路結(jié)構(gòu)在圖中，固定增益放大器輸出的射頻信號輸

40、入到耦合器的，從耦合器的得到耦合信號。該耦合信號有兩個用途：正向功率檢測和外部本振源。由于到達(dá)天線輸入端的發(fā)射信號功率要保證不少于，而且固定增益放大電路到天線輸入端之間的衰減量為，則固定增益放大電路的輸出信號功率至少為，因此耦合器輸出信號功率不大于。外部本振輸入功率范圍是，可以將型衰減器的衰減量初步定于。本論文選擇的功率檢測芯片輸入射頻信號范圍是，但是其線性度最好的功率檢測范圍是。根據(jù)數(shù)據(jù)文檔的說明，本論文選取功率檢測點。第四章硬件電路設(shè)計從耦合器到天線輸入端，實際中總會存在一定的阻抗失配，因此該段信號線路中存在發(fā)射信號的反射分量。該反射信號輸入到耦合器，從得到其耦合分量。該分量有兩個用途：片內(nèi)反射信號功率檢測，用以和發(fā)射功率相對比，判斷耦合器到天線這一段電路的阻抗匹配程度。如果阻抗嚴(yán)重失配，將停止發(fā)射信號；該信號用于數(shù)字電