一种超高频RFID读写器16通道模块电路的制作方法

一种超高频rfid读写器16通道模块电路
技术领域
1.本技术涉及超高频rfid技术领域，尤其涉及一种超高频rfid读写器16通道模块电路。


背景技术：

2.超高频射频识别(uhf rfid)技术是以无线电磁波信号通过近场或远场方式与标签交换能量与信息，实现识别目标标签的技术，具有数据容量大、无需接触读写、保密性高、寿命长、抗干扰能力强等优点，广泛应用于军品、民品、工业生产线、物流、仓储等智能制造领域。
3.目前现有的超高频rfid读写器只具备基本的对标签数据进行读取的功能，无法对标签进行数据写入操作，且通信距离较短，信号覆盖范围有限，有时很难满足某些项目上的需求，且输出通道较少，在需要覆盖较大的面积时，通常需要增加读写器的数量，这样会增加用户的成本；有时也会受到外接天线增益及射频信号波束方向性的影响，rfid读写器的数量会有所限制，射频识别系统也无法实现全面积或一定范围内射频信号的有效覆盖，对项目的实施会带来一定的开发难度，而高性能的uhf rfid读写器价格昂贵，对rfid技术的推广产生了一定的阻碍。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种超高频rfid读写器16通道模块电路，将16通道模块电路配置在超高频rfid读写器上，以解决传统超高频rfid读写器无法实现全面积或一定范围内射频信号的有效覆盖的问题。
5.本技术解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种超高频rfid读写器16通道模块电路，包括射频芯片、arm主控芯片、功率放大器、16天线网络以及外设接口；
7.所述16天线网络通过阻抗匹配网络接收16天线传输的信号，与所述射频芯片的输入端连接，所述16天线网络与所述射频芯片的输出端之间连接所述功率放大器；
8.所述16天线网络上配置有天线输出端口；
9.所述射频芯片与所述arm主控芯片连接，所述arm主控芯片连接所述外设接口。
10.可选的，所述模块电路还包括声表滤波器和射频耦合器，所述声表滤波器通过阻抗匹配网络连接在所述功率放大器与射频芯片之间，所述射频耦合器通过阻抗匹配网络连接在所述功率放大器与16天线网络之间。
11.可选的，所述16天线网络包括一个第一级单刀双掷开关，两个第二级单刀双掷开关和四个第三级单刀四掷开关，所述第一级单刀双掷开关，通过阻抗匹配网络与所述射频耦合器连接，两个第二级单刀双掷开关分别连接在所述第一级单刀双掷开关的输出端；四个第三级单刀四掷开关分别连接在每个第二级单刀双掷开关的输出端上。
12.可选的，所述射频耦合器通过阻抗匹配网络与所述arm主控芯片连接，用于对射频
芯片发射和接收的射频载波信号进行反向功率检测和前向功率检测。
13.可选的，所述射频耦合器通过阻抗匹配网络与所述射频芯片连接。
14.可选的，所述射频耦合器通过阻抗匹配网络与所述射频芯片连接，且所述射频耦合器与所述射频芯片之间连接有10db衰减器。
15.可选的，所述16通道模块电路主控芯片的型号为at91sam7s256-au，所述射频芯片的型号为impinj r2000。
16.可选的，所述外设接口包括usb接口和串口。
17.第二方面，本技术实施例还提供了一种rfid读写器，所述rfid读写器上配置有上述的超高频rfid读写器16通道模块电路。
18.本技术提供的技术方案包括以下有益技术效果：
19.本技术提供一种超高频rfid读写器16通道模块电路，包括射频芯片、arm主控芯片、功率放大器、16天线网络以及外设接口；16天线网络通过阻抗匹配网络接收16天线传输的信号，与射频芯片的输入端连接，16天线网络与射频芯片的输出端之间连接功率放大器；16天线网络上配置有天线输出端口；射频芯片与arm主控芯片连接，arm主控芯片连接外设接口。基于型号为impinj r2000的射频芯片，以及主控制器芯片型号为at91sam7s256-au的16通道模块电路，符合iso116000-6c和epc global gen2等标准，其工作频率范围为860mhz-960mhz可调，配备高增益天线，读写距离可达10m左右，有效扩展了天线输出通道数量，继而提高了单机信号覆盖范围，降低了开发成本。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例提供的rfid识别系统工作原理图；
22.图2为本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路架构图；
23.图3为本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路硬件结构框图；
24.图4为本技术实施例提供的16天线网络与arm主控芯片的连接框图；
25.图5为本技术实施例提供的16天线网络硬件电路电路图。
具体实施方式
26.为了使本领域技术人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
27.近年来兴起的超高频射频识别(uhf rfid)技术是以无线电磁波信号通过近场或远场方式与标签交换能量与信息，实现识别目标标签的技术，具有数据容量大、无需接触读写、保密性高、寿命长、抗干扰能力强等优点，广泛应用于军品、民品、工业生产线、物流、仓储等智能制造领域，但是市面现有的很多廉价的超高频rfid读写器只具备对标签数据进行
读取的功能，无法对标签进行数据写入操作，且通信距离较短，信号覆盖范围有限，有时很难满足某些项目上的需求，而高性能的uhf rfid读写器价格昂贵，对rfid技术的推广产生了一定的阻碍。
28.基于此，本技术实施例提供了一种超高频rfid读写器16通道模块电路，有效扩展了天线输出通道数量，继而提高了单机信号覆盖范围，降低了开发成本。
29.参见图1，为本技术实施例提供的rfid识别系统工作原理图，如图1所示，本技术实施例提供的rfid识别系统，包括rfid读写器、电子标签和天线，其中，电子标签设置有内置芯片和内置天线；
30.天线一端与rfid读写器连接，另一端通过电磁场与电子标签连接，读写器通过配置的外设接口与后台主机系统连接。
31.上述rfid识别系统，其基本工作原理为：
32.由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时，耦合后会产生感应电流，从而从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置天线发射出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线的调制器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息传送到后台主机系统(pc端应用软件系统)进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出信号，控制读写器完成不同的读写操作。
33.本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路，包括射频芯片、arm主控芯片、功率放大器、16天线网络以及外设接口；所述16天线网络通过阻抗匹配网络接收16天线传输的信号，与所述射频芯片的输入端连接，所述16天线网络与所述射频芯片的输出端之间连接所述功率放大器；所述16天线网络上配置有天线输出端口；所述射频芯片与所述arm主控芯片连接，所述arm主控芯片连接所述外设接口。
34.作为一种实施方式，所述16通道模块电路主控制器芯片的型号为at91sam7s256-au，所述射频芯片的型号为impinj r2000，所述功率放大器的型号为rf5110gtr7，所述外设接口包括usb接口和串口。
35.作为一种实施方式，所述模块电路还包括声表滤波器和射频耦合器，所述声表滤波器通过阻抗匹配网络连接在所述功率放大器与射频芯片之间，所述射频耦合器通过阻抗匹配网络连接在所述功率放大器与16天线网络之间。
36.所述16天线网络包括一个第一级单刀双掷开关，两个第二级单刀双掷开关和四个第三级单刀四掷开关，所述第一级单刀双掷开关，通过阻抗匹配网络与所述射频耦合器连接，两个第二级单刀双掷开关分别连接在所述第一级单刀双掷开关的输出端；四个第三级单刀四掷开关分别连接在每个第二级单刀双掷开关的输出端上。
37.所述射频耦合器通过阻抗匹配网络与所述arm主控芯片连接，用于对射频芯片发射和接收的射频载波信号进行反向功率检测和前向功率检测。
38.所述射频耦合器通过阻抗匹配网络与所述射频芯片连接。
39.所述射频耦合器通过阻抗匹配网络与所述射频芯片连接，且所述射频耦合器与所述射频芯片之间连接有10db衰减器。
40.以下以一种具体的结构组成对本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路进行解释说明。
41.如图2所示，本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路架构，包括：
42.读写器16通道模块架构主要由以下部分组成：
43.射频芯片ipj-r2000；
44.arm主控芯片at91sam7s256-au；
45.功率放大器pa(rf5110gtr7)；
46.16天线网络；
47.外设接口。
48.其中，ipj-r2000的主要作用是：对发射和接收的射频载波信号进行处理；
49.arm主控芯片的主要作用是：对射频电路传输过来的数字信号进行解码，获得电子标签内的信息；同时又可以将要写入电子标签的信息解码后发送给ipj-r2000芯片，完成基本的电子标签的读写操作；
50.功率放大器的主要作用是：将射频信号放大到足够的功率电平，实现射频信号的有效发射；
51.16天线网络的主要作用是：通过主控arm和射频开关控制射频信号的收发路径，发射和接受射频载波信号；
52.外设接口的主要作用是：通过标准串口、usb接口将电子标签内容以及其他信息传给后台计算机应用软件系统。
53.超高频rfid读写器16通道模块电路的性能如下：
54.采用英频杰的indy2000方案；
55.可读写标签：符合epc global uhf class 1gen 2/iso 116000-6c的电子标签；
56.工作频率：860mhz-960mhz；
57.输出功率：30dbm；
58.读取距离：可达10米左右(与读取环境及参数配置相关)；
59.天线连接口：16个mmcx
–
ke型射频接头；
60.gpio接口：16个；
61.通信接口：uart端口1个，波特率115200bps；usb端口一个：usb2.0全速端口(12mbit/秒)；
62.电源供电：5vdc。
63.超高频rfid读写器16通道模块电路硬件结构组成如下，其硬件结构框图如图3所示：
64.主控芯片at91sam7s256-au；
65.射频芯片ipj-r2000；
66.声表滤波器；
67.功率放大器；
68.射频耦合器；
69.多个射频开关；
70.16天线网络；
71.10db衰减器；
72.前向功率检测；
73.反向功率检测；
74.各模块之间的阻抗匹配网络。
75.在图3中，各个模块的功能如下：
76.主控arm的功能：控制发射、接收相关信息并且与后台应用软件系统进行信息交换。
77.ipj-r2000的功能：发射和接收射频载波信号。
78.阻抗匹配网络的功能：使各模块之间的负载阻抗与源阻抗共轭匹配，从而获得最大的功率传输。
79.声表滤波器的功能：在射频信号发射路径上，主要是为了减小噪声、滤除杂散损耗。
80.功率放大器的功能：将r2000发射的射频信号放大到足够的功率电平。
81.射频耦合器的功能：用来作为本地振荡器的输入，前向功率和反向功率的检测。
82.10db衰减器的功能：作为外部本振，并且对信号进行峰值功率检测。
83.反向功率检测的功能：反向功率检测主要检测天线的回波损耗，是为了避免出现因电路的设计问题、天线不匹配等其他情况导致发射通道上的信号被反射回来进入r2000芯片导致芯片被毁坏，如果检测反射回来的信号能量过大，射频芯片会关闭发射通道来保护自身。
84.正向功率检测的功能：正向功率检测是为了确定输出信号的功率。主要是检测功放输出信号功率，然后按照本地的uhf rfid协议标准进行功率校正，也可以作为外部本地振荡器的信号输入，用于与接收的射频信号进行混频，产生零中频信号。
85.如图4所示为16天线网络与arm主控芯片的连接框图，本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路主控制器芯片的型号为at91sam7s256d-au，其中gpio-0端口的驱动电路为pa26，gpio-1端口的驱动电路为pa27，天线配置端口ant0-1和天线配置端口ant1-1的驱动电路分别为pa5、pa6。由gpio-1端口控制第一级的单刀双掷开关，gpio-0端口控制第二级的单刀双掷开关，天线配置端口ant0-1和ant1-1控制第三级的单刀四掷开关，从而实现1通道转16通道的逻辑控制功能，进一步增加射频信号覆盖范围。
86.单刀双掷开关芯片(mxd8625c)的工作逻辑如表1所示。
87.表1单刀双掷开关芯片的工作逻辑表
[0088][0089]
请参考表1并结合图5，当gpio-1端口(u9引脚pin-6)为低电平时，单刀双掷开关u9芯片的引脚pin-3使能，控制单刀双掷开关u10，当gpio-0端口(u10引脚pin-6)为低电平时，u10芯片的引脚pin-3使能，控制单刀四掷开关u14，u14再依据天线配置端口ant0-1和ant1-1的高低电平(如表2所示)，扩展出4路射频输出端rf1、rf2、rf3、rf4。同理，其他射频端口以此逻辑进行扩展。
[0090]
单刀四掷开关芯片(mxd8642)的工作逻辑如表2所示。
[0091]
表2单刀四掷开关芯片的工作逻辑表
[0092][0093]
在表2中，体现了四个单刀四掷开关u14、u15、u16、u17的控制逻辑。
[0094]
在表1和表2中，通过控制主控制器芯片at91sam7s256d-au中gpio-0端口和gpio-1端口的高、低电平及天线配置端口ant0-1(pa5)、天线配置端口ant1-1(pa6)的高、低电平，可以控制单刀双掷开关芯片和单刀四掷开关芯片的射频输出通道，实现了1转16通道的扩展功能，总的控制逻辑表如表3所示。
[0095]
表3超高频rfid读写器16通道模块电路总的控制逻辑表
[0096][0097]
16天线网络硬件电路电路图如图5所示，主控制器芯片的型号为at91sam7s256d-au，其中gpio-0端口的驱动电路为pa26；gpio-1端口的驱动电路为pa27；天线配置端口ant0-1和天线配置端口ant1-1的驱动电路分别为pa5、pa6；三个单刀双掷开关的型号均为mxd8625c，四个单刀四掷开关的型号均为mxd8642。
[0098]
可见，本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路是基于impinj r2000芯片，采用atmel公司的at91sam7s256-au为微控制器，该芯片上设有gpio-0、gpio-1、ant0-1和ant1-1端口，用来控制射频信号的路径；采用声表滤波器ta915ec减小射频信号发
射路径上的噪声和滤除杂散损耗；采用外部功率放大器rf5110gtr7将射频信号放大到足够的功率电平，以实现射频信号的有效发射；同时采用三个单刀双掷射频开关mxd8625c和四个单刀四掷射频开关mxd8642实现了1转16通道的扩展功能。
[0099]
需要说明的是，在使用impinj r2000芯片和at91sam7s256-au芯片的基础上，可以选用性能参数相近的其他的滤波器及外部功率放大器输出有效的射频信号，也可以使用其他型号单刀双掷、单刀四掷射频开关来实现1转16通道的扩展功能。
[0100]
综上，本技术实施例提供的超高频rfid读写器16通道模块电路，基于型号为impinj r2000的射频芯片，以及主控制器芯片为at91sam7s256-au的16通道模块电路，符合iso116000-6c和epc global gen2等标准，其工作频率范围为860mhz～960mhz可调，配备高增益天线，读写距离可达10m左右。该16通道射频模块外部则采用功率放大器芯片将射频信号放大到足够的功率电平，以增加射频信号的发射功率，进而保证射频信号的远距离传输，射频输出电路通过3个单刀双掷射频开关(mxd8625c)和4个单刀四掷射频开关(mxd8642)实现了16天线的扩展，从而有效扩大了信号覆盖范围。
[0101]
另一方面，本技术实施例还提供了一种rfid读写器，所述rfid读写器上配置有上述的超高频rfid读写器16通道模块电路。
[0102]
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0103]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0104]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。