专利名称：一体化无源射频标签读写器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电子标签读写器，特别涉及一种一体化的无源电子标签的读写器。
背景技术：
射频标签读写系统，又称RFID系统，一般由读写器、电子标签和天线组成。目前这一领域的电子标签分为被动标签(Passive tags)和主动标签(Activetags)两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。被动标签由阅读器产生的电磁场中获得工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。无线射频识别所使用的频率被称为RFID系统的工作频率，基本上划分为3个范围低频(30kHz-300kHz)、高频(3MHz-30MHz)和超高频(300MHz-3GHz)。常见的工作频率有低频(125kHz、134.2kHz)和高频(13.56MHz)及超高频(900MHz、2.4GHz)等等。本实用新型是属于超高频(UHF)被动式无线射频识别(RFID)技术领域。
但是现有无源射频电子标签读写器的技术指标为(1)读写距离10cm～6m；(2)读写速度读取32bits为20ms以上，写入32bits为50ms以上；(3)发射功率调整靠硬件，人工调整，比较复杂，难度大；(4)发射功率平坦度＞0.5dBm；
(5)通信速率＜19200bps；(6)数据接口型号为RS-232或RJ-45。
在读写距离、读写速度、可靠性、抗干扰能力以及产品智能化和使用方便都存在不足。尤其需要改进的问题是现有的读写器的天线是外置的，安装和使用时需要较大的空间。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种一体化的读写距离远、读写速度快、可靠性和抗干扰能力强的无源射频电子标签读写器。
为了解决上述技术问题，本实用新型提一种一体化无源射频标签读写器，包括天线、天线反射板、吸波装置、由环行器、射频发射通道、射频接收通道、现场可编程门阵列、单片机、串行接口、组合通信接口及锁相环频率合成器组成的读写器模块，所述射频发射电路由低噪声放大器、调制器和功率放大器依次串联组成，所述射频接收通道由解调器、脉冲放大器和比较整形电路依次串联组成，所述环行器包括三个端口并同所述天线、所述功率放大器和所述解调器连接，所述现场可编程门阵列同所述低噪声放大器、所述比较整形电路和所述单片机连接，所述单片机同所述功率放大器连接，所述锁相环频率合成器同所述调制器、所述解调器及所述单片机连接，所述串行接口同所述单片机连接，所述组合通信接口同所述现场可编程门阵列及所述单片机连接，所述读写器模块固定于天线反射板的一侧，所述天线固定于所述天线反射板与所述读写器模块相反的一侧，所述吸波装置固定于所述天线反射板的固定有所述读写器模块一侧。
为了更好地解决上述技术问题，该一体化无源射频标签读写器中系统输出接口的类型为两种或者两种以上。其中现场可编程门阵列包括命令寄存器、命令解释状态机、脉冲发生器、回波处理逻辑器、回波锁存逻辑器、时钟分频器及校验逻辑器。其中命令寄存器同所述单片机连接；可产生状态转移和跳转的所述命令解释状态机同所述命令寄存器连接；所述命令解释状态机同所述脉冲发生器连接；脉冲发生器同所述射频发射通道连接；所述回波处理逻辑器一端同所述射频接收通道连接，另外一端同回波锁存逻辑缓存器连接。可以提供循环冗余校验的校验逻辑器同单片机连接。所述锁相环通过时钟分频器同脉冲发生器及命令解释状态机连接。所述读写器可以激活进入微波辐射范围的电子标签。所述射频发射功率由计算机软件控制。信号地电位和电源地电位是分离的。从标签返回的调制信号被直接解调为基带信号。所述电子标签通信同时采用循环冗余校验和奇偶校验检查错误。所述吸波装置同所述读写器模块紧密相靠。所述天线同所述天线反射板平行。
采用本实用新型的高速远距离无源射频标签读写器，技术效果在于实现了读写功能在一部机器上实现，读写器实现一体化设计，读写速度快，抗干扰能力强。读写对象是无源电子标签，不仅尺寸小、重量轻、使用寿命长、价格低，而且避免了有源电子标签的更换电池或充电以及由于电池引起的使用纠纷的麻烦。具有远距离读取标签数据的能力。能够快速识别标签，比一般读写器的读写速度快数倍。由于采取组合设计方案，不仅使电路紧凑、整个硬件平台器件少、体积小、价格便宜，而且电路热耗减小，可靠性更高，适应工作环境能力更强。使用更方便，多种输出接口、射频功率软件控制、天线连接检测和工作状态声光提示，都为使用者提供极大方便。
本实用新型可用于物品识别和数据采集，利用本实用新型具有的良好特性，在下列领域中将广泛得到应用。仓储物流管理电子标签可以替代现有的条形码标签，而且具有更优良的特性，对于商品流动与仓储管理以及邮件、包裹、航空行李等的流动管理都有广泛应用前景；运输管理公路、铁路运输管理，集装箱运输管理等；海关通关管理海关通关、转关的物资和车辆管理；机动车辆管理公安、交通等部门对各种机动车辆的监控与管理；路桥收费由于本实用新型具有远距离高速读取标签数据的能力，路桥收费可以不停车进行，尤其适用于高速公路收费；停车场管理实现管理与收费自动化；门禁管理包括车辆与人员的进出管理；工艺生产流程在整个生产过程中监控零部件；产品防伪利用标签内存储器写保护功能，对产品真伪进行鉴别。
图1是本实用新型结构图；图2是本实用新型电子功能结构框图；图3是本实用新型码型、信息编码和命令时序图；图4是本实用新型信号地电位与电源电位的分离电路；图5是本实用新型直接零中频解电路；图6是本实用新型现场可编程门阵列逻辑结构图；图7是本实用新型输出功率控制电路；图8是本实用新型天线连接检测电路；图9是本实用新型结构侧面图；图10是本实用新型自适应联机软件处理框图；图11是本实用新型标签写保护软件控制框图；图12是本实用新型接口示意图。
具体实施方式
结合附图说明本实用新型的实施例。
请参阅图1和2所示，本实施例在结构上包括天线29、支撑架75，吸波装置77，天线反射板78，由环行器1、由低噪声放大器6、调制器7、功率放大器8组成的射频发射通道，由解调器2、脉冲放大器3、比较整形电路4组成的射频接收通道、现场可编程门阵列(FPGA)5、单片机(MCU)9、串行接口10、组合通讯接口11和锁相环(PLL)12等组成的读写器模块76。读写器模块76固定于天线反射板78的一侧，天线29由支撑架75固定于天线反射板78同读写器模块76相反一侧，天线29通过连接螺丝70同环行器1连接。吸波装置77固定于天线反射板78的固定有读写器模块76一侧。吸波装置77同读写器模块76紧密相靠。天线29同所述天线反射板78平行。
环行器1的作用是将微波发射信号与微波接收信号隔离分开，确保微波发射信号通过环行器1能流向天线29而不进入射频接收通道，天线29接收的微波信号能进入射频接收通道。射频发射通道的作用是将发往标签的命令码由调制器7调制到发射频率上，并由功率放大器8进行微波功率放大。射频接收通道的作用是对标签由天线29接收到的回波信号进行处理，包括由解调器进行零中频解调、由脉冲放大器3进行放大处理和比较整形电路进行比较整形处理等。现场可编程门阵列5完成整个读写器的数字控制功能，它承担标签回波检测、解码和缓存、调制波形ASK序列的产生与发送、CRC校验及与MCU交换数据等任务。单片机9是整个读写器的处理中心，它要完成用户PC机消息报文解释、串口通信、单片机指令控制字产生、电子标签数据读取与写入、FPGA数据存储和下载、射频功率控制、锁相环频率控制等。串行通信接口10和组合通信接口11完成读写器与外部设备的数据通信。其中，串行通信接口10实际上是标准的RS-232串行接口，组合通信口11是一种组合通讯接口，实际上包括韦根口、RS-485口和外触发口。锁相环频率合成器12为整个读写器提供各种频率标准。
本实用新型的读写对象，即电子标签，是采用美国SCS公司Sahara RW9000系列和本公司SENSE 9000系列的新型无源电子标签，其技术执行ISO-18000行业标准。它们的工作频率为ISM波段(902～928MHz)；卡内存容量为1千位(kBits)(其中928Bits为用户开发使用)；读写速度平均每32bits读取最小耗时约1.4毫秒(ms)、写入平均每32bits最小耗时30ms；采用多单元访问指令，只对专有应用系统的标签进行识别、读写操作；具备防冲突通讯协议，可对多个标签同时进行操作；采用跳频技术，具有很强的抗干扰能力。标签的基层材料与封装形式有纸质基层、软性胶片基层带自粘胶封装、聚氯乙烯(PVC)基层、ABS封装、陶瓷封装等。它们可分别粘贴于纸质、塑料和玻璃等物体的表面，采用专用支架可粘贴于金属表面。
操作时，先将读写器电源打开，单片机9首先通过单片机——现场可编程门阵列5总线(地址总线A Bus和数据总线D Bus)给现场可编程门电路5下载执行软件，使现场可编程门阵列5正常工作。当用户通过串行通信接口10或组合通信接口11发来命令或请求时，单片机9据之产生操作标签的命令，通知现场可编程门阵列5产生幅度键控(ASK)波形信号，发往射频发射通道去，调制射频调制器7，再经射频功率放大器8、环行器1，由天线29向空间辐射微波。电子标签受到所述一体化无源标签读写器发来微波能量的激励而开始工作。当它收到所述一体化无源标签读写器的命令后，即根据命令要求向该读写器发回响应命令的微波信号，由天线29接收并通过读写器的环形器1进入射频接收通道，经过解调器2解调、脉冲放大器3放大、比较整形器4整形，得到标签的基带信号(DATA)，这些基带信号再经现场可编程门阵列5采样、数字滤波、相关判决等处理后得到标签回波数据，存入其存储器内，并通知单片机9。单片机9从现场可编程门阵列5取出标签信息做进一步处理后，经串行通信接口10或组合通信接口11发给用户，回答用户的命令或请求。此外，现场可编程门阵列5还通过射频电源端口(RF_PW)控制射频功率放大器8的电源，使所述一体化无源标签读写器向空中辐射电波受到控制；现场可编程门阵列5接收天线29连接检测电路(RF_JC)的信息，判断并通过天线指示灯(ANT)指明天线29连接状态。单片机9还通过自动功率控制端口(APC)控制射频功率放大器8的输出功率；向锁相环12送出锁相环控制数据(PLL_DATA)，调整锁相环(PLL)12的频率，并由锁相环控制数据(PLL_DET)来验证频率的正确性；单片机9向射频接收通道的比较整形电路4送出回波比较参考值(REF)，供其比较整形。
请参阅图3所示，根据ISO-18000标准，为了提高电子标签和读写器之间通信的快速性、可靠性、安全性，本实用新型在读写器与标签之间的通信协议设计上采取以下措施。
首先是唤醒机制，唤醒的作用是将进入读写器天线作用区内的标签激活，只有被唤醒的标签才能与读写器进行通信，防止系统外其它标签的干扰，确保读写器与本系统标签信息交换的可靠与准确。其次是码型与信息编码设计，本实用新型采用的信息码型以及命令和响应中的“0”与“1”信息的编码。专用命令码设计，本实用新型设置的专用命令码类型有“唤醒”命令、“读”命令、“写”命令、“写保护”命令、“查询写保护”命令等，其码型及时序见图3所示。这些命令码采用了新型的、与众不同的特殊格式及算法，大大增加了读写无源射频电子标签时的可靠性、安全性、高效性。快速应答通信机制，本实用新型可以对标签的应答信息的每一个信息位进行实时快速检测，快速响应；一旦发现信息错误，马上中止，重新恢复，从而提高了读写器与标签之间的信息交换速度。多标签通信机制，采用二进制线性搜索树算法，实现对多个电子标签同时进行快速操作。数据检错技术，采用了特别的CRC和奇偶校验相组合的双重检错技术，保证电子标签数据的正确性和可靠性，提高识别准确率。信息安全，本实用新型增加写保护等特别功能码，对指定的部分标签存储信息实施保护，防止重要数据被改写，确保数据安全。
为了增强命令码的调制与发射及回波信号的接收与解调的效果，采用如下方案。
请参阅图4所示，信号地电位与电源地电位是分离的。由于大小信号同时放大，不仅电路工作负载重，而且通过电源造成的干扰很大，在信号与电源共地时，电路不稳定，控制电路很容易造成误判。采用了信号地电位67与电源地电位66的分离电路后，使接收通道电路工作稳定，回波干净、清晰。其中，reg+5vr经电阻R3、电阻R4分压，电容R9、电容R10滤波后送入射随器放大器(U3A)(型号为MAX4020)的U3A3脚。U3A1脚电位等于U3A4脚电位；由于电阻R3和电阻R4大小相同，所以U3A1脚的直流电位等于reg+5vr处电位的1/2，而U3A1脚的交流电位等于电源地66，原因是电容R9、电容R10、电容R4、电容R6组成的交流旁路。采用上述电路使跟信号有关的信号地67与跟电源有关的电源地66完全分开。
请参阅图5所示，采用其中所示电路可实现直接零中频解调方案。
直接零中频解调方案能够快速地从电子标签的回波信号中，直接解调出电子标签的信号，避免了通常微波接收机采用的二次混频技术的复杂性和难度，从而提高了系统接收的可靠性。
其工作过程如下，电子标签反射回的信息经收发天线29接收后送入环行器，环行器将收发信号分离后的接收信号，即电子标签返回的信号，送入由芯片U73(型号为BP2C)、芯片U79(型号为RMS-2H)、芯片U70(型号为QCN-12)及芯片U71(型号为RMS-2H)等组成的正交解调电路。其中芯片U79、芯片U70为混频器。由混频器产生的混频信号差频为FLO-FRF和频为FLO+FRF。由于本振信号(FLO)和射频发射通道的射频信号(FRF)都取自同一信号源，即锁相环12，电子标签返回的信号与发射通道的射频信号同频，因此，差频(亦即中频)FLO-FRF＝0，标签返回的已调制信号则被直接解调为基带信号。和频FLO+FRF远大于混频的工作频率而被滤去。
由于零中频解调和RF发射通道同取一个信号源(PLL)，即省去一个信号源，既易于实现，又节省成本，同时提高系统的可靠性。
请参阅图2、图6，现场可编程门阵列5选用型号为XC2S50TQ144，其主要特征是，5万门的可编程逻辑门、高达32Kbit的块RAM资源、高达784个CLB逻辑资源、具有121个可编程I/O资源、丰富的内部布线资源，其内部逻辑结构如图6所示。数据总线63为命令寄存器52提供数据信息，命令寄存器52用于寄存单片机9送来将并要发送的命令，命令解释状态机53根据命令寄存器52中的命令，产生状态转移和跳转，生成命令数据送给ASK脉冲发生器54；ASK脉冲发生器54根据命令解释状态机53命令数据产生并发送相应的ASK调制波形到射频发射通道。地址译码器55翻译地址总线59提供的地址信息，回波处理逻辑器56对标签回波信号进行采样和比较，判断回波数据状态，解码出回波数据，由回波锁存逻辑器57缓存。同时命令解释状态机53产生中断信号，由单片机9读取，做进一步处理。校验逻辑58为单片机9提供相应的快速硬件CRC运算。时钟源是40MHz的外部晶振提供。时钟分频逻辑59对时钟源13进行分频，为现场可编程门阵列5逻辑提供0.1微秒(us)、1us和90us的时钟信号，用于各种情况下的时序的产生。
单片机选用的型号为C8051F126，它的主要特征是高速8051内核、流水线指令结构；256字节RAM、8K字节XRAM、128K字节FLASH、64×4字节Cache；8个I/O口(P0～P7)，因而有丰富(共64个)的通用I/O引脚；双UART串口、双12位DAC数模转换器、10位ADC模数转换器和8位ADC模数转换器；3.3V工作电压。
在通信接口部分提供RS-232、RS-485和Wiegand(韦根)等系统输出接口，比一般读写器多了RS-485和Wiegand接口，尤其Wiegand接口可方便、快捷、灵活地与各种工业控制设备无缝连接，极大地增加了应用范围和应用场合。
请参阅图7所示，由于射频发射功率人工调整在实际使用中不太方便，调整也比较复杂和困难，本实用新型增加了由软件控制射频发射功率的办法，给使用带来方便。U2(型号为PF01411)是功率放大器(PA)，射频(RF)输入信号由U2的U21脚输入，U22脚输出，U22脚为功率控制端，控制信号来自CPU。改变U22脚的直流电位即可改变功率放大器U2的输出功率。射频输出功率(RFOut)与功率控制输入电压幅度的关系通过试验得到，做成表格和对应曲线，软件根据射频输出功率实际需要通过查表送出功率控制输入的控制值。
请参阅图2、图8所示，为防止功能放大级输出空载、保护射频功放管不受损坏，本实用新型增设天线连接检测电路。当天线29未连接或连接不良，则系统灯光报警，射频功放管自动停止发射射频功率。当接地型天线29经隔直电容C99与读写器连接良好时，D99点的电位为0伏；而当读写器不接天线29或与天线29连接不良时，即电感L99无限大时，电阻R99上没有压降，D99点的电位则为+5伏。D99点直接与现场可编程门阵列5相连，现场可编程门阵列5据此即可做出天线29连接是否良好、报警是否输出的判断。
请参阅图12所示，读写器内置蜂鸣器，读写器每读到电子标签信号，则发出响声，提醒使用者。设置三只发光二极管(LED)红灯61指示电源；黄灯62指示天线连接；绿灯60指示数据。这种声光提示方式对于系统联试和现场试验提供很大方便。
本实施例是一体化读写器，即内置一个天线29。请参阅图1、图9所示，把天线29与读写器的读写器模块76，组合到一个防雨的封闭盒内，实现天线29和读写器合而为一。由于没有连接读写器与天线29之间的射频电缆，这样既简化电路，又减少了由于射频电缆带来的射频损耗及接触不良等缺陷，有利于提高读写器的性能和可靠性。
由于读写器模块76与天线29安装距离很近，读写器模块76就安装在天线反射板78的后面，因此，尽管天线29的前后比较大，但天线29辐射绕射回来的电磁波能量也足以让读写器模块76的微波接收通道无法工作。为此，本实施例设置了一个吸波装置77，即通过电磁理论分析，在读写器模块77微波接收通道附近的适当位置上设置吸波装置77，吸收天线29绕射回来的电磁波能量的绝大部分，以确保发射与接收的电磁兼容。
本实施例是按照标准的Wiegand26/34或简单的RS485协议设计数据输出接口的，用户使用时只需要把读写器与应用控制器连接，即可接收数据。因此，它是一个相对“傻瓜”型产品，使用方便。
本实施例具有作为安全机制的授权功能采取厂商对读写器授权与用户对读写器加密、对电子标签授权相结合的方法，做到只有授权标签才能进入自动识别系统管理区域，而未经授权或仿制标签则被拒之门外，有效地解决了自动识别系统安全性问题。
本实施例中读写器包括自适应联机软件，其处理步骤请参阅图10所示。采用软件控制的目的是为了适应读写器与个人电脑机采用串口进行通讯的情况。为了提高读写器的读写速度，应该使用最高通讯速率。但由于现电磁场环境不一，如果采用固定波特率，则在环境干扰大的地方可能无法通讯；而在环境干扰小的地方，则浪费时间。采用了自适应联机方式，则可以根据现场环境，选择尽可能高的波特率进行串口通信。实现软件控制的原理是读写器开机时，设定波特率2400bps，PC机也以同样的波特率与读写器进行联机，联机成功后，双方选择更高一级的波特率进一步联机，直至无法联机为止，之后双方将波特率重新修改为2400bps，然后以能联通的最大波特率进行联机，并以此波特率进行工作。如果工作过程中出现通讯故障，则重新联机，选择当前环境下尽可能高的通讯波特率，从而保证系统一直以最大波特率工作。
请参阅图11所示，标签写保护在有些用途中，标签内部的部分数据是不能被随便改动的。为了防止该数据被随意改动，提供了对标签部分区域进行写保护功能，可以实现在某些情况下可以读但不可以写。
根据用户对射频识别应用的不同需求，本实用新型设计三种型号，以适应不同应用范围。第一种适合于只读应用，读写器以定时或触发方式工作，只读取贴在物体表面上的电子标签编号；第二种适合于可读可写应用，读写器只在收到控制命令后才进行工作，可以对电子标签上的任意存储单元进行读或写操作。第三种适合于授权可读可写应用，读写器只在收到控制命令后才进行工作，并对电子标签上的任意存储单元进行授权读写操作。
本实施例达到的技术指标列于下表
权利要求1.一种一体化无源射频标签读写器，包括天线、天线反射板、吸波装置、由环行器、射频发射通道、射频接收通道、现场可编程门阵列、单片机、串行接口、组合通信接口及锁相环频率合成器组成的电路板，其特征在于所述射频发射通道由低噪声放大器、调制器和功率放大器依次串联组成，所述射频接收通道由解调器、脉冲放大器和比较整形电路依次串联组成，所述环行器包括三个端口并同所述天线、所述功率放大器和所述解调器连接，所述现场可编程门阵列同所述低噪声放大器、所述比较整形电路和所述单片机连接，所述单片机同所述功率放大器连接，所述锁相环同所述调制器、所述解调器及所述单片机连接，所述串行接口同单片机连接，所述组合通信接口同所述现场可编程门阵列及所述单片机连接，所述电路板固定于天线反射板的一侧，所述天线固定于所述天线反射板与电路板相反一侧，所述吸波装置固定于所述天线反射板的固定有所述电路板一侧。
2.根据权利要求1所述的一体化无源射频标签读写器，其特征在于所述现场可编程门阵列包括命令寄存器、命令解释状态机、脉冲发生器、回波处理逻辑器、回波锁存逻辑器、时钟分频器及校验逻辑器；所述命令寄存器同所述单片机连接；可产生状态转移和跳转的所述命令解释状态机同所述命令寄存器连接；所述命令解释状态机同所述脉冲发生器连接；脉冲发生器同所述射频发射通道连接；所述回波处理逻辑器一端同所述射频接收通道连接，另外一端同回波锁存逻辑缓存器连接；可以提供循环冗余校验的校验逻辑器同单片机连接；所述锁相环频率合成器通过时钟分频器同脉冲发生器及命令解释状态机连接。
3.根据权利要求3所述的一体化无源射频标签读写器，其特征在于该读写器与所述电子标签的通信同时采用循环冗余校验和奇偶校验检查错误。
4.根据权利要求1所述的一体化无源射频标签读写器，其特征在于该读写器中的信号地电位和电源地电位是分离的。
5.根据权利要求1所述的一体化无源射频标签读写器，其特征在于所述吸波装置同所述电路板紧密相靠。
6.根据权利要求1所述的一体化无源射频标签读写器，其特征在于所述天线同所述天线反射板平行。
7.根据权利要求1所述的一体化无源射频标签读写器，其特征在于该读写器之系统输出接口的类型为两种或者两种以上。
专利摘要本实用新型公开了一种一体化无源射频标签读写器，其技术方案是将通常微波接收机中采用的二次混频电路结构更换为直接零中频解调电路结构，同时把天线与读写器模块组合到一个防雨的封闭盒内，其中读写器模块与吸波装置设置在天线反射板的同一面上，天线反射板之另一面上设置天线。采用上述结构一方面避免了通常微波接收机采用的二次混频技术的复杂性和难度，从而提高了系统接收的可靠性；另一方面实现天线与该读写器合而为一，既简化电路，又减少了由于射频电缆带来的射频损耗及接触不良等缺陷，提高了系统的整体性能与可靠性。
文档编号G06K7/00GK2904117SQ20062005498
公开日2007年5月23日 申请日期2006年2月16日 优先权日2006年2月16日
发明者冯建华 申请人:深圳市先施科技有限公司