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摘要：近年来，射频识别（rfid）系统已经在诸多领域得到了推广和运用。为了满足社会对UHF频段rfid读写器的使用要求，对基于UHF频段的射频识别读写器的电路设计进行了研究。
关键词：UHF频段；rfid读写器；电路设计
1读写器天线及匹配滤波电路设计
读写器控制芯片采用TI公司的耐高温超低功耗单片机MSP430F2370，射频前端芯片采用TRF7970A。TRF7970A芯片是TI公司推出的一款工作于13．56MHzNFC／RFID系统的集成式模拟前端（AFE）和多协议数据组帧器件，耐温可高达110℃，支持ISO／IEC14443－A／B、ISO／IEC15693以及Tag－it等协议，可完成硬件编码解码、调制解调、组帧分析等数字处理功能，避免软件部分在单片机中编写协议栈，降低了系统的复杂度。TRF7970A芯片可以通过VDD＿X由内置的辅助电源整流器向外部供电，并可以通过引脚SYS＿CLK向外部提供时钟信号。为减少读写器组件、降低功耗，设计时由射频前端芯片为提供工作电压和同步时钟频率，仅保留一个13．56MHz标准晶振。单片机与射频前端芯片以并行方式通信。射频前端芯片有三个射频收发相关引脚：片内主接收器引脚，片内辅助接收器引脚以及射频发送引脚。接收时，控制系统会在片内主接受器引脚与片内辅助接收器引脚之间自动切换较大RSSI值的引脚作为主要接收端口。接收端口阻抗为10kΩ，接收采用负载调制方式，耦合性功率能够较明显地体现在电压上，因此外围电路无需考虑匹配获取最大功率，只要通过分压获得信号电压，能够检测电压的差异即可。发送端口工作在半功率工作时输出阻抗为8Ω，工作在全功率时输出阻抗为4Ω。与接收端口不同，发送端口需要为了功率最大化而进行匹配[1]。射频芯片端口与外接天线匹配方式一般分为两种：从两端往中间共同匹配至50Ω标准阻抗或者两端直接进行匹配，本文读写器采用前者匹配方式，即天线和TRF7970A的TX＿OUT端口共同匹配至50Ω。此种匹配方式的优点是，后续若想改变天线来获取更大传输距离时，可以仅改变天线至50Ω标准阻抗的匹配电路即可。
2超高频RFID读写器射频电路PCB设计
2.1焊盘设计
首先，PAD设计。在进行设计的时候，加入此时属于正片层，则要求依靠Regularpad来进行连接。假如此时属于负片层，则要借助Thermalrelief来进行连接。同时，通过Antipad来完成隔离。在设计PAD时，应当按照具体封装尺寸，使各个部分大小得到确定。其次，其它层的设计。在焊盘里面，不仅有PAD层，还有阻焊层、助焊层以及预留层。其中，在设计助焊层的时候，通常都会运用到钢板，根据PCB对应元器件来进行打孔。若是锡膏漏下时，就可以实现焊接。同时，还应该保证助焊层的尺寸等于Regularpad的大小。对于阻焊层来说，其实际就是绿油的部分，其映射在板子上的则是露出的铜皮，为了能够增加其厚度，则增加阻燃层，以此来满足相关要求。预留层主要是便于用户添加信息，尺寸与Regularpad相同。
2.2PCB布局
在设计电路的时候，布局合理可以使电磁兼容性变得更强，方式是：（1）使零组件固定。在布局设计读写器射频电路器件的时候，应当固定RF路径零组件，同时，合理地调整其方位，使RF路径变短，预防电磁的干扰。（2）布局应当对称。在此次的设计里面，因为应用到双通道零中频的接收体系，因此，在布局的时候，需要使布线以及通道器件的对称性得到保障，使相位的误差更小。（3）电源去耦电路。在PCB的设计中，恰好、有效的芯片电源去耦电路，对于射频电路设计具有关键性的作用，能够增强电路的稳定性。
2.3接地过孔
因为导体里面总是有阻抗，因此，如果要使偏离程度减轻，就需要使UHFRFID的读写器射频电路得到合理优化。在接地过孔之时，需要做到：（1）增大导体截面。如果要让泄露耦合磁通更小，就需要使电源平面物力的尺寸得到有效保证，使其在地平面尺寸的20H以内。（2）使高频电流通过路径属于最短距离，同时，让信号传输地铜箔得到保障，使其处于无迂回和割裂状态。（3）在铺地的时候，地铜箔应该距离其他的电气网10~20mil，具体需要根据当前PCB的密度进行确定。
3读写器硬件设计
基于射频识别的读写器硬件主要由主控制模块和天线等组成。外围电路主要由三种模块组成，分别是电源、显示和通信模块，整个硬件系统的核心部分是主控制模块以及射频读写模块[2]。
3.1主控制模块和外围电路
实验中主控制使用的是WINB公司生产的W77E58芯片，其芯片的主要特征有八位处理器，最高能够达到40M时钟，4个八位I/O口，3个十六位计数器及计时器，1K的片上外部存储器等，有着价格低廉、功能强大、性价比高的优势。外围电路主要由单片机最小系统、电源模块和LED显示模块等组成。主控制模块的P1口相通与读写模块的I/O口，是数据总线和地址总线的辅助线路[3]。LED显示模块的工作职责是当有信号传送到时，LED显示模块接收到信号并将目标地址显示在显示屏上；当没有信号送达时，LED显示屏显示时间以及日期。上位机通信模块在将TX以及RX实施双工串口通信时，需要先通过MAX232将其进行电平转化，最后将目标信息发送给上位机。电源模块的主要职责是对所有模块提供电能，保证所有模块能够正常工作，通常提供给模块的电压是5V和3.3V。
3.2读写模块
电路读写芯片使用的是奥地利AVL公司生产的射频芯片AS3992，其内部设置了压控振荡器以及锁相环倍频输出技术，可以实现860至960MHz的工作区间，同时也设置了集成模拟前端，拥有数字版权管理过滤器，并且集成了精确度高的接收器，正常工作的使用能耗低。AS3992内部设置了20dBm的功率放大器，同时在外部设置了SP2811功率放大器，并将其设置为低功率线性模式，主要目的是得到更大的工作区间。射频芯片AS3992有两个输出管脚，分别是RFOXN以及RFOPX，输出位置设有50欧姆的电阻[4]。所以，必须要外接匹配电路、平衡器等。
4读写器系统软件设计
本系统软件工作流程主要分为5个部分：第一，主控制器以及读写模块复位初始化，初始化的内容包含编码方式、协议配置等；第二，与上位机进行信号交流，上位机将信号传送给主控制器并让其寻找目标；第三，当寻找出较多目标时，通过防碰撞算法逐个读取目标；第四，将读取的目标信息显示出来；第五，控制目标执行指定的动作。
结论：
将硬件系统以PCB板为载体焊接制作完成，再将软件输入到单片机中，完成后进行实验验证。在不同的通信距离处，读操作成功数均要大于等于写操作成功数,这样的数据结果是读写器天线以及标签天线的特性所导致的。因此，该读写器的设计满足实际使用需求。
参考文献：
[1]王烁.超高频RFID读写器射频电路设计[J].无线互联科技,2018,15(20):59-60.
[2]李志善,孙嘉,张丹.多协议超高频RFID读写器设计[J].计算机工程与设计,2015,36(11):2968-2973.
[3]张亚军,陶怡,胡建晨.4天线超高频RFID读写器核心模块设计[J].微型机与应用,2015,34(05):26-29.
[4]杜改丽.超高频RFID读写器部分电路设计[J].电子设计工程,2014,22(01):124-126.