專利名稱：便攜式射頻識(shí)別讀寫器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及超高頻RFID讀寫器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)及其空間耦合和傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識(shí)別。一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)一般包括射頻標(biāo)簽、讀寫器以及主機(jī)等幾個(gè)部分。系統(tǒng)在工作時(shí)，首先由讀寫器發(fā)射一個(gè)特定的詢問信號(hào)，當(dāng)射頻標(biāo)簽感應(yīng)到這個(gè)信號(hào)后，就會(huì)給出相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)；讀寫器接收這個(gè)應(yīng)答信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，返回給外部主機(jī)或進(jìn)行相應(yīng)操作。這樣便可以得到存貯在標(biāo)簽內(nèi)的信息，如卡號(hào)等。如果標(biāo)簽上載有傳感器，還可以由此得到標(biāo)簽的周圍環(huán)境信息，如溫度、壓力、速度等。而且讀寫器還可以在主機(jī)的控制下對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行寫操作，改寫存儲(chǔ)在標(biāo)簽中的信息。
目前應(yīng)用于超高頻的RFID讀寫器較少，而且整機(jī)價(jià)格昂貴，體積龐大、不便于攜帶，且不能單機(jī)工作。題為模塊式UHF讀寫器的中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)枮?00610007966.3)公開的讀寫器包括射頻收發(fā)模塊和控制管理模塊，射頻收發(fā)模塊包含射頻調(diào)制發(fā)射電路、射頻接收處理電路、PLL鎖相環(huán)電路、收發(fā)隔離電路、多路天線接口電路；控制管理模塊包含控制射頻電路工作的控制信號(hào)產(chǎn)生電路、接收AD轉(zhuǎn)換電路、AGC控制電路、RS232與RS485以及TCP/IP接口電路以及一個(gè)高速DSP。該讀寫器在應(yīng)用時(shí)需要加上一臺(tái)上位PC機(jī)。這對(duì)于有些要求攜帶方便或只需要單機(jī)使用的應(yīng)用，比如發(fā)卡器等，就顯得極不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種便攜式射頻識(shí)別讀寫器，不但具有成本低、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且可以完成已有讀寫器不能完成的單機(jī)操作。
本發(fā)明提出的便攜式射頻識(shí)別讀寫器，該讀寫器包括射頻收發(fā)模塊和與其相連的數(shù)字基帶處理模塊，其特征在于，所述射頻收發(fā)模塊采用雙天線結(jié)構(gòu)的射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)，該射頻發(fā)射機(jī)與發(fā)射天線相連，射頻接收機(jī)與接收天線相連；該數(shù)字基帶處理模塊的輸出端與射頻發(fā)射機(jī)的信號(hào)輸入端相連，同時(shí)數(shù)字基帶處理模塊與射頻接收機(jī)雙向連接；其中，該射頻發(fā)射機(jī)用于將讀寫器需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成為射頻信號(hào)發(fā)送出去；該射頻接收機(jī)用于將射頻標(biāo)簽返回給讀寫器的應(yīng)答信號(hào)接收回來(lái)，并加以處理，使之成為數(shù)字基帶處理模塊可以處理的數(shù)字信號(hào)；該數(shù)字基帶處理模塊用于產(chǎn)生控制信號(hào)，以及讀寫器需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的指令信號(hào)，并且對(duì)射頻標(biāo)簽返回的經(jīng)過射頻接收機(jī)接收處理后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以及在與外部主機(jī)聯(lián)合使用時(shí)要與外部主機(jī)進(jìn)行通信。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明的讀寫器既可單機(jī)工作，也可以與外部主機(jī)聯(lián)合使用。而且結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，包括射頻收發(fā)模塊和數(shù)字基帶處理模塊，射頻收發(fā)模塊沒有采用類似上述模塊式UHF讀寫器的收發(fā)隔離電路和多路天線接口電路，而是采用了雙天線結(jié)構(gòu)，即發(fā)射機(jī)接發(fā)射天線，接收機(jī)接接收天線。本讀寫器也沒有采用AD轉(zhuǎn)換電路和AGC控制電路，而是采用了運(yùn)算放大器和比較器的結(jié)構(gòu)，成本降低了很多。本讀寫器采用了單片機(jī)作為數(shù)字基帶處理模塊的核心，而沒有采用高速DSP，同樣降低了成本。本讀寫器與外部的接口是RS232串口與USB端口。
本發(fā)明的整機(jī)不超過200克?？梢酝瓿稍赨HF頻段的防沖突讀卡號(hào)以及讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)區(qū)等功能，并可在800MHz～960MHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行跳頻操作，另外還可以使用應(yīng)用中編程(IAP)功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中在線升級(jí)。
本讀寫器可具有兩種工作方式一種是單機(jī)工作，另一種是在外部主機(jī)控制下工作。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明的射頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本發(fā)明的射頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為本發(fā)明的數(shù)字基帶處理模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為本發(fā)明的單片機(jī)主程序流程框圖。
具體實(shí)施例方式
以下對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的便攜式射頻識(shí)別讀寫器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括射頻收發(fā)模塊和與其相連的數(shù)字基帶處理模塊，所述射頻收發(fā)模塊采用雙天線結(jié)構(gòu)的射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)，該射頻發(fā)射機(jī)與發(fā)射天線相連，射頻接收機(jī)與接收天線相連；該數(shù)字基帶處理模塊的輸出端與射頻發(fā)射機(jī)的信號(hào)輸入端相連，同時(shí)數(shù)字基帶處理模塊與射頻接收機(jī)雙向連接。其中，射頻發(fā)射機(jī)的功能是將數(shù)字基帶處理模塊中產(chǎn)生的需要發(fā)射出去的信號(hào)，即讀寫器需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成為射頻信號(hào)發(fā)送出去。射頻接收機(jī)的功能是將射頻標(biāo)簽返回給讀寫器的應(yīng)答信號(hào)接收回來(lái)，并加以處理，使之成為數(shù)字基帶處理模塊可以處理的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字基帶處理模塊的功能是產(chǎn)生讀寫器各部分的控制信號(hào)，以及讀寫器需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的指令信號(hào)，并且對(duì)射頻標(biāo)簽返回的經(jīng)過射頻接收機(jī)接收處理后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，還包括在與外部主機(jī)聯(lián)合使用時(shí)要與外部主機(jī)進(jìn)行通信。
以下對(duì)本發(fā)明的各模塊的具體組成實(shí)施例及功能進(jìn)一步詳細(xì)說明。
1、射頻發(fā)射機(jī)本發(fā)明的射頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括晶體振蕩器、頻率綜合器、功分器、ASK調(diào)制器、功率放大器(PA)以及發(fā)射天線。其連接關(guān)系為晶體振蕩器的輸出與頻率綜合器的參考頻率輸入端口相接，為頻率綜合器提供參考頻率。頻率綜合器的射頻輸出接功分器的單端輸入端口。功分器的兩個(gè)輸出端口一個(gè)接射頻接收機(jī)的本振輸入端口LO，另一個(gè)接ASK調(diào)制器的載波輸入端口。ASK調(diào)制器的另一個(gè)輸入端口為調(diào)制信號(hào)輸入端口，接數(shù)字基帶處理模塊送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，它的輸出端接到功率放大器PA的輸入端口。功率放大器PA的輸出端口接到發(fā)射天線。
本實(shí)施例中，晶體振蕩器采用13MHz的有源晶振，頻率綜合器采用集成芯片SI4133，通過數(shù)字編程控制輸出頻率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在800MHz～960MHz的跳頻操作。功分器采用了LDB31900M05C-417，ASK調(diào)制器采用了HMC195；功率放大器采用了一個(gè)緩沖放大器芯片AG503；發(fā)射天線采用了pcb印制的偶極子天線。讀寫器的工作距離可達(dá)80cm。
2、射頻接收機(jī)本發(fā)明的射頻接收機(jī)采用了零中頻的正交解調(diào)結(jié)構(gòu)，包括接收天線、相干解調(diào)器、運(yùn)算放大器和比較器，如圖3所示。其連接關(guān)系為相干解調(diào)器的信號(hào)輸入端與接收天線相接，它的本振輸入端LO接上述射頻發(fā)射機(jī)的功分器的一個(gè)輸出端，它的輸出端接到運(yùn)算放大器的輸入端。運(yùn)算放大器的輸出端接比較器的輸入端。比較器的輸出端接數(shù)字基帶處理模塊的單片機(jī)。
本實(shí)施例中，相干解調(diào)器采用集成芯片LT5516，在其前端沒有采用低噪聲放大器(LNA)。LT5516的信號(hào)輸入端口與本振輸入端口均采用差分輸入，兩個(gè)輸入端口的輸入阻抗均為200Ω。在它的兩個(gè)輸入端口處各接了一個(gè)1∶4的變壓器作為平衡-不平衡變換器(Balun)(在圖中未示出)，實(shí)現(xiàn)從單端信號(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了從50Ω到200Ω的阻抗變換。LT5516輸出正交的I，Q兩路信號(hào)，并且分別以差分形式輸出。它的輸出阻抗為60Ω，在輸出端接270pF的對(duì)地電容，從而獲得一個(gè)截止頻率位于10MHz的RC低通濾波器，以此濾出高頻干擾。
本實(shí)施例的運(yùn)算放大器和比較器采用集成芯片LT6207，它含有4個(gè)運(yùn)算放大器。LT5516的輸出差分信號(hào)經(jīng)過低通濾波，采用交流耦合到第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸入端，經(jīng)放大后輸出單端信號(hào)，然后再經(jīng)直流耦合到第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端。第二級(jí)運(yùn)放采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)電壓比較器，其同相輸入端接比較電平。在第二級(jí)運(yùn)放的輸出端得到數(shù)字信號(hào)，這個(gè)信號(hào)將被送至數(shù)字基帶處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
3.數(shù)字基帶處理模塊本發(fā)明的數(shù)字基帶處理模塊包括一個(gè)單片機(jī)、兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片、由RS232串口和USB端口組成的外部接口以及蜂鳴器和發(fā)光二極管LED，其主體結(jié)構(gòu)如圖4所示，蜂鳴器和發(fā)光二極管LED(未在圖中示出)。其連接關(guān)系為單片機(jī)與兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片、蜂鳴器以及發(fā)光二極管LED相接，兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片分別接RS232串口和USB端口。
單片機(jī)提供整個(gè)系統(tǒng)的控制信號(hào)，包括射頻收發(fā)機(jī)中頻率綜合器的初始化信號(hào)、使能信號(hào)、跳頻指令信號(hào)，相干解調(diào)器的使能信號(hào)以及ASK調(diào)制器的數(shù)字輸入信號(hào)；另外，標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)射頻接收機(jī)接收處理后也需送至單片機(jī)進(jìn)行解碼、校驗(yàn)，然后由單片機(jī)作出判斷，給出相應(yīng)的卡號(hào)等信息。
本實(shí)施例中，單片機(jī)采用Philips的P89LPC932A1單片機(jī)，外部時(shí)鐘頻率為12MHz。單片機(jī)的工作流程如圖5所示。包括以下步驟上電之后首先進(jìn)行復(fù)位操作，然后對(duì)頻率綜合器進(jìn)行初始化，此時(shí)讀寫器即可進(jìn)行單機(jī)工作。如果接有外部主機(jī)(PC機(jī))，此時(shí)PC機(jī)可以給讀寫器下達(dá)命令，單片機(jī)對(duì)該命令進(jìn)行判斷。PC機(jī)的命令可分為兩大類，一類是對(duì)讀寫器操作，包括讀版本信息、設(shè)置天線、控制功放、IAP軟件升級(jí)和設(shè)置工作頻率模式(固定頻率915MHz或從800MHz～960MHz頻率范圍內(nèi)的跳變頻率)，處理完成后將信息返回給主機(jī)；另一類是對(duì)標(biāo)簽操作，包括防沖突讀卡號(hào)、讀標(biāo)簽數(shù)據(jù)區(qū)和寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)區(qū)，該操作指令傳送給讀寫器中的單片機(jī)后，單片機(jī)通過曼徹斯特(Manchester)編碼后發(fā)送給射頻發(fā)射機(jī)，通過射頻發(fā)射機(jī)發(fā)射出去，然后等待返回信號(hào)；射頻標(biāo)簽接收到該指令信號(hào)后將相應(yīng)的信息返回，射頻接收機(jī)接收到這個(gè)返回的信號(hào)后進(jìn)行處理然后返回給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行FMO解碼，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)正確則將其返回給PC機(jī)。在工作中，PC機(jī)可以隨時(shí)發(fā)送IAP升級(jí)命令，在線改寫單片機(jī)中的程序，實(shí)現(xiàn)讀寫器在使用中的在線升級(jí)。上述工作流程可由本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)編制成計(jì)算機(jī)程序后固化在單片機(jī)中。
本實(shí)施例中，在單機(jī)工作的情況下，當(dāng)有相應(yīng)的射頻標(biāo)簽進(jìn)入本讀寫器的讀卡區(qū)時(shí)，讀寫器就會(huì)讀出該標(biāo)簽的卡號(hào)，同時(shí)置蜂鳴器響，點(diǎn)亮發(fā)光二極管(LED)。本實(shí)施例中采用的是普通的蜂鳴器和LED。
本實(shí)施例中從單片機(jī)到相應(yīng)接口(RS232串口和USB端口)的信號(hào)轉(zhuǎn)換，采用兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片MAX3232和PL2303實(shí)現(xiàn)，以此實(shí)現(xiàn)讀寫器與外部主機(jī)的通信。這樣既可以由外部主機(jī)對(duì)讀寫器進(jìn)行控制，也可以由讀寫器將讀取的標(biāo)簽信息返回給主機(jī)。
本發(fā)明的上述所有電路可在一塊電路板上實(shí)現(xiàn)，天線采用電路板上的印制天線。具有成本低、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的讀寫器具有兩種工作模式一種是單機(jī)工作，在這種工作模式下，讀寫器上電即工作，循環(huán)發(fā)送讀卡指令，一旦有相應(yīng)的射頻標(biāo)簽進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，便讀出其卡號(hào)，同時(shí)通過蜂鳴器或LED給出警告。
另一種工作模式是在外部主機(jī)控制下工作。在這種工作方式下，操作分為兩大類。一類是對(duì)讀寫器操作，包括讀版本信息、設(shè)置天線、控制功放、IAP軟件升級(jí)和設(shè)置工作頻率模式(固定頻率和跳變頻率)等，處理完成后將信息返回給主機(jī)；另一類是對(duì)標(biāo)簽操作，其中包括防沖突讀卡號(hào)、讀標(biāo)簽和寫標(biāo)簽等，該操作指令通過Manchester編碼后發(fā)送，然后等待回波，返回?cái)?shù)據(jù)通過FMO解碼后進(jìn)入回波處理模塊進(jìn)行CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)正確則返回給主機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種便攜式射頻識(shí)別讀寫器，該讀寫器包括射頻收發(fā)模塊和與其相連的數(shù)字基帶處理模塊，其特征在于，所述射頻收發(fā)模塊采用雙天線結(jié)構(gòu)的射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)，該射頻發(fā)射機(jī)與發(fā)射天線相連，射頻接收機(jī)與接收天線相連；該數(shù)字基帶處理模塊的輸出端與射頻發(fā)射機(jī)的信號(hào)輸入端相連，同時(shí)數(shù)字基帶處理模塊與射頻接收機(jī)雙向連接；其中，該射頻發(fā)射機(jī)用于將讀寫器需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成為射頻信號(hào)發(fā)送出去；該射頻接收機(jī)用于將射頻標(biāo)簽返回給讀寫器的應(yīng)答信號(hào)接收回來(lái)，并加以處理，使之成為數(shù)字基帶處理模塊可以處理的數(shù)字信號(hào)；該數(shù)字基帶處理模塊用于產(chǎn)生控制信號(hào)，以及讀寫器需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送的指令信號(hào)，并且對(duì)射頻標(biāo)簽返回的經(jīng)過射頻接收機(jī)接收處理后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以及在與外部主機(jī)聯(lián)合使用時(shí)要與外部主機(jī)進(jìn)行通信。
2.如權(quán)利要求1所述的讀寫器，其特征在于，所述射頻發(fā)射機(jī)包括晶體振蕩器、頻率綜合器、功分器、ASK調(diào)制器、功率放大器以及發(fā)射天線。其連接關(guān)系為晶體振蕩器的輸出與頻率綜合器的參考頻率輸入端口相接，為頻率綜合器提供參考頻率；頻率綜合器的射頻輸出端接功分器的單端輸入端口；功分器的兩個(gè)輸出端口一個(gè)接射頻接收機(jī)的本振輸入端口，另一個(gè)接ASK調(diào)制器的載波輸入端口；ASK調(diào)制器的另一個(gè)輸入端口為調(diào)制信號(hào)輸入端口，接數(shù)字基帶處理模塊送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，ASK調(diào)制器的輸出端接到功率放大器PA的輸入端口；功率放大器的輸出端口接到發(fā)射天線。
3.如權(quán)利要求1所述的讀寫器，其特征在于，所述的射頻接收機(jī)包括接收天線、相干解調(diào)器、運(yùn)算放大器和比較器；其連接關(guān)系為相干解調(diào)器的信號(hào)輸入端與接收天線相接，相干解調(diào)器的本振輸入端接所述射頻發(fā)射機(jī)的功分器的一個(gè)輸出端，相干解調(diào)器的輸出端接到運(yùn)算放大器的輸入端；運(yùn)算放大器的輸出端接比較器的輸入端，比較器的輸出端接所述數(shù)字基帶處理模塊。
4.如權(quán)利要求3所述的讀寫器，其特征在于，所述相干解調(diào)器采用集成芯片LT5516，所述運(yùn)算放大器和比較器采用集成芯片LT6207。
5.如權(quán)利要求1所述的讀寫器，其特征在于，所述數(shù)字基帶處理模塊包括一個(gè)單片機(jī)、兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片、由RS232串口和USB端口組成的外部接口以及蜂鳴器和發(fā)光二極管；其連接關(guān)系為單片機(jī)與兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片、蜂鳴器以及發(fā)光二極管相接，兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片分別接RS232串口和USB端口；所述單片機(jī)提供整個(gè)系統(tǒng)的控制信號(hào)，該控制信號(hào)包括射頻收發(fā)機(jī)中頻率綜合器的初始化信號(hào)、使能信號(hào)、跳頻指令信號(hào)，相干解調(diào)器的使能信號(hào)以及ASK調(diào)制器的數(shù)字輸入信號(hào)；標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)射頻接收機(jī)接收處理后送至單片機(jī)進(jìn)行解碼、校驗(yàn)，然后由單片機(jī)作出判斷，給出相應(yīng)的信息。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的讀寫器，其特征在于，所述射頻收發(fā)模塊和與其相連的數(shù)字基帶處理模塊設(shè)置在一塊電路板上，所述天線采用電路板上的印制天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及便攜式射頻識(shí)別讀寫器，屬于射頻識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域；該讀寫器包括射頻收發(fā)模塊和與其相連的數(shù)字基帶處理模塊，其特征在于，所述射頻收發(fā)模塊采用雙天線結(jié)構(gòu)的射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)，該射頻發(fā)射機(jī)與發(fā)射天線相連，射頻接收機(jī)與接收天線相連；該數(shù)字基帶處理模塊的輸出端與射頻發(fā)射機(jī)的信號(hào)輸入端相連，同時(shí)數(shù)字基帶處理模塊與射頻接收機(jī)雙向連接；本發(fā)明不但具有成本低、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且可以完成已有讀寫器不能完成的單機(jī)操作。
文檔編號(hào)H04B1/16GK101042728SQ20071009852
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者高天寶, 張春, 李永明, 王志華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)