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AS3992芯片远距离RFID读写器设计方案解析
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2017-11-08
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分享到：标签：AS3992 RFID 频谱仪 UHF MCU 模块化
随着物联网在智能电网、智能交通、智能物流和生态监视等国民经济方方面面的大量应用，UHF频段的RFID技术更是发展迅速，它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号可以自动识别目标对象、获取相关数据，识别工作无须人工干预，适用于各类恶劣环境。RFID系统由标签、读写器和天线三部分构成，其中RFID读写器最为关键。
1系统方案设计
基于AS3992芯片的远距离RFID读写器系统主要包括射频部分和基带部分，如图1所示。射频部分围绕RFID集成芯片AS3992展开设计，环路滤波器配合内置VCO产生精确频率；发射链路主要由巴伦、功率放大器、耦合器、高频开关和多路天线接口组成，在关键通路上使用LC网络和π型网络调整阻抗匹配；射频接收链路由天线、高频开关、耦合器、低噪放和巴伦组成。基带部分配置了可升级的MCU主控制器及通用外围接口。
图1 RFID读写器系统框图
2硬件电路设计
2.1 AS3992及其外围电路
AS3992是奥地利微电子推出的一款高性能UHF频段的读写器芯片，它集成了混频器、增益滤波器、压控振荡器、锁相环、模数/数模转换器等模拟前端，并且内置了ISO18000-6C的完整协议处理系统。外部控制器仅需通过8位并口或者SPI口即可实现对AS3992的所有通信和控制。
UHF载波信号的通信频率为840 MHz~960 MHz，AS3992集成了VCO、预分频器、主除法器、参考除法器、鉴相器和电荷泵，外围电路只要提供一个环路滤波器即可组成一个完整的锁相环（PLL）电路，如图2所示。PLL的输出频率由参考除法器的设定值和主除法器的乘积决定。电荷泵（CP）的主要作用是将数字逻辑脉冲转换为模拟电流。CP信号经过低通滤波器反馈到VCO引脚用来调整振荡器频率精度。为了获得稳定的VCO调谐电压，外部的环路滤波电路特别重要，它起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止VCO调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰等重要作用。
图2 锁相环结构图
2.2射频发射电路
AS3992芯片射频信号以差分对的形式输出，使用LC阻抗匹配网络可以将巴伦的输入端阻抗精确匹配到100Ω，通过2：1的巴伦即可输出单端UHF信号。若仅使用AS3992内部功放，则其输出功率最大仅为20 dBm，只能满足近距离读写。若要达到更远的读写距离，必须通过外部功率放大器进行无失真放大；同样为了整条射频线路的阻抗匹配，在巴伦和功放间放置π型滤波网络进行阻抗微调。
功率放大器可以将已经被调制过的高频载波信号进行功率放大，经过天线辐射到周围以满足接收机需要的激励电磁场强度，并且对相邻信道不产生影响。功率芯片SKY65111采用三级电压控制，1 dB压缩点增益在29.5 dBm.使用AS3992自带的DAC，结合电压跟随器可以方便精确地调节功放的输出功率；此外当外部功放固定时，通过AS3992自身发射功率的调节亦可适应不同距离的应用。
微波信号输入/输出的隔离需要通过耦合器，经过耦合器出来的信号进入一分四高频切换开关SKY14151，把一路信号根据应用需要可以切换到任一选中的天线接口。读写器设计的4个天线接口，不仅扩展了其应用距离，而且由于一个读写器可以有多个分节点发送和接收信息，当4个天线都对准同一个方向时，还能够减少单天线的盲区降低误码率。
为了增加RFID读写器的最远距离，还需要对其发射功率进行检测。发射功率太大不仅会引起失真，还容易泄露到接收端形成干扰，所以一旦功率检测器件监控到大于设定功率时，通过主控制器数字PID和DAC把微调量加载到功率芯片SKY65111的二三级电压控制端，使得发射功率可控。
随着物联网在智能电网、智能交通、智能物流和生态监视等国民经济方方面面的大量应用，UHF频段的RFID技术更是发展迅速，它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号可以自动识别目标对象、获取相关数据，识别工作无须人工干预，适用于各类恶劣环境。RFID系统由标签、读写器和天线三部分构成，其中RFID读写器最为关键。
1系统方案设计
基于AS3992芯片的远距离RFID读写器系统主要包括射频部分和基带部分，如图1所示。射频部分围绕RFID集成芯片AS3992展开设计，环路滤波器配合内置VCO产生精确频率；发射链路主要由巴伦、功率放大器、耦合器、高频开关和多路天线接口组成，在关键通路上使用LC网络和π型网络调整阻抗匹配；射频接收链路由天线、高频开关、耦合器、低噪放和巴伦组成。基带部分配置了可升级的MCU主控制器及通用外围接口。
图1 RFID读写器系统框图
2硬件电路设计
2.1 AS3992及其外围电路
AS3992是奥地利微电子推出的一款高性能UHF频段的读写器芯片，它集成了混频器、增益滤波器、压控振荡器、锁相环、模数/数模转换器等模拟前端，并且内置了ISO18000-6C的完整协议处理系统。外部控制器仅需通过8位并口或者SPI口即可实现对AS3992的所有通信和控制。
UHF载波信号的通信频率为840 MHz~960 MHz，AS3992集成了VCO、预分频器、主除法器、参考除法器、鉴相器和电荷泵，外围电路只要提供一个环路滤波器即可组成一个完整的锁相环（PLL）电路，如图2所示。PLL的输出频率由参考除法器的设定值和主除法器的乘积决定。电荷泵（CP）的主要作用是将数字逻辑脉冲转换为模拟电流。CP信号经过低通滤波器反馈到VCO引脚用来调整振荡器频率精度。为了获得稳定的VCO调谐电压，外部的环路滤波电路特别重要，它起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止VCO调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰等重要作用。
图2 锁相环结构图
2.2射频发射电路
AS3992芯片射频信号以差分对的形式输出，使用LC阻抗匹配网络可以将巴伦的输入端阻抗精确匹配到100Ω，通过2：1的巴伦即可输出单端UHF信号。若仅使用AS3992内部功放，则其输出功率最大仅为20 dBm，只能满足近距离读写。若要达到更远的读写距离，必须通过外部功率放大器进行无失真放大；同样为了整条射频线路的阻抗匹配，在巴伦和功放间放置π型滤波网络进行阻抗微调。
功率放大器可以将已经被调制过的高频载波信号进行功率放大，经过天线辐射到周围以满足接收机需要的激励电磁场强度，并且对相邻信道不产生影响。功率芯片SKY65111采用三级电压控制，1 dB压缩点增益在29.5 dBm.使用AS3992自带的DAC，结合电压跟随器可以方便精确地调节功放的输出功率；此外当外部功放固定时，通过AS3992自身发射功率的调节亦可适应不同距离的应用。
微波信号输入/输出的隔离需要通过耦合器，经过耦合器出来的信号进入一分四高频切换开关SKY14151，把一路信号根据应用需要可以切换到任一选中的天线接口。读写器设计的4个天线接口，不仅扩展了其应用距离，而且由于一个读写器可以有多个分节点发送和接收信息，当4个天线都对准同一个方向时，还能够减少单天线的盲区降低误码率。
为了增加RFID读写器的最远距离，还需要对其发射功率进行检测。发射功率太大不仅会引起失真，还容易泄露到接收端形成干扰，所以一旦功率检测器件监控到大于设定功率时，通过主控制器数字PID和DAC把微调量加载到功率芯片SKY65111的二三级电压控制端，使得发射功率可控。
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