金佳骏，钱松荣

0 引言

RFID（Radio Frequency Identification）射频识别技术，是自动识别技术的一种，以电磁场或电磁波为传输手段，完成非接触式的双向通信，对目标加以识别并获取相关数据信息。RFID技术根据使用频率的不同，基本上可以分为4类：低频（低于 135kHz）、高频（13.56MHz）、超高频（860-960MHz）和微波（2.45GHz）。不同频段的RFID系统由于各频率自身特性的不同，其应用领域也各有不同[1]。低频RFID系统的最大的优点在于低频频段具有很强的场穿透性，可以穿透液体、人体组织、建筑物等，标签识别性能不受环境影响。因此，低频RFID系统可以在需要良好的场穿透性的环境下良好工作。

现有的低频RFID读卡器识别距离普遍在10cm以内[2][3]，且工作在单天线模式下，覆盖范围很小，大大制约了低频RFID系统的发展。针对现有低频RFID读卡器的不足，本文提出了一种多天线大功率低频 RFID读卡器的设计方案，通过同时引入多天线和大功率两种技术，多天线技术提升了读卡器的物理扩展范围，大功率提升了读卡器的单天线读取性能。多天线与大功率技术的结合能够有效提升低频 RFID读卡器的识别范围，对提高低频RFID系统的工作性能和功能扩展具有十分重要的意义。

1 读卡器系统结构

多天线低频大功率RFID读卡器的结构框图，如图1所示：

图1 多天线低频大功率RFID读卡器结构框图

整个多天线低频大功率RFID读卡器可以包含多个读取通道，每个读取通道都有独立的大功率射频模块，它们在同一个单片机的程序控制之下协调工作。多天线读卡器各读取通道的之间的协同工作模式可以根据实际应用场景和应用需求的不同而做相应的调整，便于实际应用。每个读取通道的解码工作都由单片机来完成。读卡器会通过串口电路与上位机之间进行数据通信，可以接收上位机发来的控制指令，也可以将读取到的标签信息上传至上位机。

2 硬件电路设计

2.1 ATmega64主控制芯片

本读卡器系统选用的是ATMEL公司型号为ATmega64的AVR系列低功耗8位单片机作为主控制芯片。该款单片机具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达 1MIPS/MHz。该款单片机片内集成了包括：两个具有独立预分频器和比较器功能的 8位定时器/计数器；两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的扩展16位定时器/计数器；8路10位模数转换器ADC；面向字节的I2C接口；可编程的串行 UART接口；可工作于主机/从机模式的 SPI串行接口等外设资源。该主控制芯片完成读卡器各读取通道的选通控制、读卡器解调波形的捕捉解码以及读卡器与上位机之间的数据通信控制。

2.2 多通道的大功率射频模块结构设计

多天线低频大功率读卡器的每一路读取通道都有独立的大功率射频模块。为了实现远距离读取，读卡器天线需要能够给标签提供足够的场强，因此，需要通过功率放大器实现读卡器天线发射功率的推动。读卡器和标签之间采用的是2ASK负载调制，可以使用结构简单的包络检波电路实现回波信号的解调，解调后的信号还将经过放大和整形，最后送入单片机进行解码工作，得到标签信息。

各个读取通道的载波发生电路和检波解调放大电路是可以共用的，但是功率放大电路和天线负载都是独立的。本读卡器采用的多通道射频模块结构示意图如图2所示：

图2 多通道的大功率射频模块结构示意图

从图2中可知，载波发生电路为后一级的功率放大器提供载波驱动信号，功率放大器为天线负载提供放大后的载波信号，经过放大的载波被加载到天线上，通过天线负载向RFID电子标签输出足够大的电磁场，为电子标签提供能量，同时获取标签回复的数据信息，之后的检波放大电路对回波信号进行检波解调和整形放大，从中还原出有用的数据信号，该数据信号最终被送入单片机进行解码。通过单片机来控制每一路读取通道的接入。

2.3 功率放大电路和天线负载

每一个读取通道内的功率放大电路和天线负载的电路设计图如图3所示：

图3 单通道内功率放大电路与天线负载电路设计图

Part1部分是功率放大电路，此处采用的是D类功率放大器。D类功率放大器与普通的线性功率放大器不同，它工作在开关状态，损耗很小，发射功率可以很容易得到提升，理论上效率可以达到100%，实际使用中的效率也可以在90%左右，D类功放的功率损耗主要来自于开关管本身的导通电阻、开关转换器件的损耗和芯片自身的静态功耗。介于 D类功率放大器良好的性能以及极高的效率[4]，最终采用D类功率放大器实现读卡器射频功率的推动。

Part2部分是功率放大器后级的T型匹配网络，该匹配网络对于整个射频发射电路起到非常重要的作用，一个好的匹配网络可以使功放的输出级达到最大功率传输。此外，T型匹配网络还起到滤波的作用，D类功放的输出是方波，需要通过匹配网络将方波滤为正弦波，然后才能加载到天线上。

Part3部分是天线负载电路。天线负载电路[5]的设计应满足以下特点：（1）流经读卡器天线线圈的电流需要达到一定的数值，天线线圈内的电流越大，则发射功率越强，感应距离也会越远；（2）天线线圈需满足一定的形状要求，线圈围成的面积大小满足一定的尺寸，且线圈的匝数也要满足一定条件；（3）天线与其附属电路组成的谐振回路需要尽可能接近谐振状态。本读卡器系统中，天线线圈由利兹线绕制，利兹线是一种由多股漆包线并绕的线材，能够有效减少集肤效应，线圈内阻很小，因此线圈内的电流可以非常高。线圈电感为10uH，品质因数Q值约为100，Q值的大小会影响读卡器的读写距离。C6、C7、C8与天线线圈组成一个串并联谐振回路，C6和C8取相等的电容值，以使天线线圈两端到地的正弦电压幅度相等，相位相反，能够使得通过天线线圈的电流值增加一倍[6]。

Port1端连接单片机的控制端口，可以控制这一路大功率射频电路的导通或关闭。当 Port1端接高电平时，MOS管Q3处于导通状态，射频模块接入9V电源并正常工作；当Port1端接低电平时，Q3处于截止状态，射频模块与电源断开，电路也停止工作。通过控制Port1端的电平值，单片机能够对多通道射频模块进行选择性导通，从而实现多天线控制。Port2端接入载波发生电路生成的信号载波。

3 读卡器软件设计

读卡器软件部分其实就是单片机的软件程序设计。本读卡器中的单片机程序主要实现两个功能：解调信号的波形捕捉和解码和多天线的轮询读取控制。

3.1 解调信号的波形捕捉和解码

读卡器利用ATmega64单片机的输入捕捉功能进行波形捕捉和解码，其流程如图4所示：

图4 输入捕捉中断程序流程图

ATmega64单片机的 T/C1（定时器/计数器）的输入捕捉单元可用于精确捕捉一个外部事件的发生，并记录下该事件发生的时间印记。通过设置寄存器 TCCR1B的第 6位ICES1可以设定输入捕捉信号的触发方式是上升沿触发还是下降沿触发，当一个输入捕捉事件发生时，T/C1计数器的寄存器 TCNT1中的计数值被写入输入捕捉寄存器 ICR1中，并置位输入捕获标志位 ICF1，产生中断申请，触发输入捕捉中断程序。输入捕捉中断程序将输入捕捉寄存器ICR1内的计数值和上一次中断程序触发时记录下来的计数值time_cap相比较，得到此次捕捉到的波形的长度，通过判断当前输入捕捉事件是上升沿触发还是下降沿触发，得到此次捕捉到的波形是高电平还是低电平，捕捉到的电平的数据会被存入数组data[]（高电平存为正值，低电平存为负值），最后中断程序会将输入捕捉的触发沿反转并等待下一个输入捕捉事件的到来。当所有标签数据波形被接收到之后，单片机主程序会根据电子标签的数据编码方式对数组data[]内的波形数据进行解码，常用的数据编码方式有曼彻斯特编码、Bi-phase编码和PSK编码等。

3.2 多天线轮询读取机制

单片机会轮流控制多路通道的选通。由于每一路通道都共用检波放大电路，为了防止不同读取通道之间的干扰冲突，同一时刻只有1路通道会被选通，剩下通道将处于关闭状态。当某一路通道被选通并且读取到了标签 ID，单片机会将读取到的标签信息进行解码，并上传至上位机。通过轮询读取机制，读卡器的多个通道采用时分工作模式，虽然每一路通道只在一个时隙内工作，但是并不会影响最终的标签读取的效果。

读卡器的多天线轮询读取机制的软件流程图如图 5所示：

图5 多天线轮询读取机制软件流程图

整个多天线轮询读取流程如下：

（1）读卡器上电复位后，完成单片机系统的初始化，包括I/O口状态设置、计数器T/C初始化、模数转换器AD初始化、UART端口初始化等等；

（2）通过I/O口控制某1路读取通道处于选通状态，另外的路读取通道都处于关闭状态；

（3）如果在当前读取通道选通状态下没有能够读取到标签 ID，单片机将控制选通下一路读取通道，并再次尝试读取标签ID；

（4）当读卡器能够正确读取到标签ID，单片机将会把读取到的标签ID封装成一定的数据帧格式，并通过串口发送至上位机。

（5）数据上传完成之后，读卡器将继续等到下一个标签的到来。

4 功能测试

为了验证读卡器的性能和功能，需要对读卡器进行测试，读卡器对 EM4100标签进行读取时的读卡器电路实测波形如图6所示：

图6 读卡器电路测试结果

图 6（a）为读卡器工作时天线负载两端的电压波形，天线负载电压达到了 42.37V，此时的读卡器输出功率约为2w。图 6（b）是检波解调并整形放大后到的标签曼彻斯特编码数据波形，可以看到该波形质量还是比较高的，能够被单片机捕捉并解码。

然后对读卡器标签的识别距离进行测试。测试中，在每个测试距离读卡50次，由近及远依次测试，同时，对一台现有的小功率低频RFID读卡器进行距离读取测试作为对比，测试结果如表1所示：

表1 读卡器标签读取对比测试结果

分析测试结果，多天线大功率RFID读卡器的有效识别距离可以达到是40厘米，而普通低频读卡器的有效识别距离不到10厘米，多天线大功率读卡器能够实现标签的远距离读取。

另外，通过表1的标签读取测试结果可以看到，在多天线大功率RFID读卡器的有效识别距离内，读卡器标签读取的可靠性是很高的，能够满足实际应用中标签数据读取的可靠性要求。

5 总结

本文提出的多天线大功率低频RFID读卡器，通过多天线技术扩大读卡器的物理扩展范围，利用大功率技术提升单天线的识别距离，大大增强了低频RFID读卡器的识别能力。在设计与调试完成后，读卡器的输出功率可以达到2W，识别距离达到 40cm，再结合多天线轮询读取技术，单台读卡器就能够覆盖很大的一片范围，低频读卡器的读取能力得到了大幅提升。多天线大功率低频RFID读卡器能够使用在诸如水族馆水族箱、水产养殖、石油钻探等领域中，低频系统可以在这些地方发挥低频场穿透性好的优势，读卡器的远距离读取能力又可以弥补普通低频读卡器读取距离不足的问题。在实际使用中，在读卡器封装设计上，要注意防水防潮以及散热的问题，确保读卡器工作时的安全性。多天线大功率低频RFID读卡器的出现能够促进低频RFID系统的发展，使得低频RFID系统出现在更多的使用场景中。

[1] Want R. An introduction to RFID technology[J]. Pervasive Computing IEEE, 2006, 5(1):25 - 33.

[2] 张建文,王怀平. 125kHz低频RFID读写器设计[J]. 软件工程师,2014,04:52-54.

[3] 李辉. 一种低频 RFID读卡器的实用前端系统设计[J].无线电通信技术,2014,01:65-67.

[4] Himmelstoss F A, Edelmoser K H. High dynamic class-D power amplifier[J]. Consumer Electronics IEEE Transactions on, 1998, 44(4):1329 - 1333.

[5] 谷建明,杨光永. 125kHz射频卡读卡器的天线设计[J].云南民族大学学报(自然科学版),2014,01:15-17.

[6] 朱海龙, 赖晓铮, 戴宏跃等. 一种长距离LF RFID阅读器前端电路的构型分析[J]. 电测与仪表, 2008,45(5):52-56.