基于R2000芯片的讀寫(xiě)器架構(gòu)分析

R2000芯片

R2000芯片是一款高性能UHF頻段的超高頻讀寫(xiě)器芯片，它集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模擬前端，并且內(nèi)置了ISO/IEC 18000 6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)。外部控制器僅需通過(guò)8位并口或者SPI口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)R2000芯片的所有通信和控制。

超高頻載波信號(hào)的通信頻率為840 MHz~960 MHz，R2000芯片集成了VCO、預(yù)分頻器、主除法器、參考除法器、鑒相器和電荷泵，外圍電路只要提供一個(gè)環(huán)路濾波器即可組成一個(gè)完整的鎖相環(huán)(PLL)電路。PLL的輸出頻率由參考除法器的設(shè)定值和主除法器的乘積決定。電荷泵(CP)的主要作用是將數(shù)字邏輯脈沖轉(zhuǎn)換為模擬電流。CP信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器反饋到VCO引腳用來(lái)調(diào)整振蕩器頻率精度。為了獲得穩(wěn)定的VCO調(diào)諧電壓，外部的環(huán)路濾波電路特別重要，它起到了維持環(huán)路穩(wěn)定性、控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲、防止VCO調(diào)諧電壓控制線上電壓突變、抑制參考邊帶雜散干擾等重要作用。

為了增加超高頻讀寫(xiě)器的最遠(yuǎn)距離讀取，還需要對(duì)其發(fā)射功率進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)射功率太大不僅會(huì)引起失真，還容易泄露到接收端形成干擾，所以一旦功率檢測(cè)器件監(jiān)控到大于設(shè)定功率時(shí)，通過(guò)主控制器數(shù)字PID和DAC把微調(diào)量加載到功率芯片SKY65111的二三級(jí)電壓控制端，使得發(fā)射功率可控。

基于超UHF頻段的遠(yuǎn)距離超高頻讀寫(xiě)器，隨著數(shù)據(jù)傳輸和分辨率的要求提高，MCU主控制器可以不斷升級(jí)，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴(kuò)充和處理速度的提高。

基于R2000芯片的讀寫(xiě)器架構(gòu)分析

1 讀寫(xiě)器系統(tǒng)框圖

基于R2000的讀寫(xiě)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中控制器采用ARM7內(nèi)核處理器，除了R2000的一些必要外圍元件，系統(tǒng)和天線之間必須加環(huán)行器以滿足單天線應(yīng)用，TX口還必須加功放模塊。根據(jù)讀寫(xiě)器的系統(tǒng)框圖，主要器件選型如下：

1.1 RFID寬頻環(huán)行器HYG504XX

作為單天線應(yīng)用的收發(fā)隔離，環(huán)形器一般用亞鐵磁性復(fù)合材料制成，這種材料具有各向異性的特點(diǎn)，環(huán)形器為三端口器件，端口1為輸入，端口2為輸出，端口3為隔離端口，能量幾乎不能穿過(guò)，以此類推，一般UHF讀寫(xiě)器上用環(huán)形器使信號(hào)按順時(shí)針?lè)较蛄魍?，?dāng)端口1為TX輸出時(shí)，RF信號(hào)會(huì)從端口2流過(guò)，而端口3即RX端口為隔離端，具體隔離度需參考器件參數(shù)和LAYOUT效果;相反，當(dāng)端口2作為收發(fā)復(fù)用端接收信號(hào)時(shí)，信號(hào)會(huì)按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)入端口3，此時(shí)泄露到TX端口的能量非常小，可以忽略，而TX泄露到RX端口的能量很大程度上影響著接收機(jī)靈敏度即實(shí)際識(shí)別效果，因此需根據(jù)接收端LNA參數(shù)，在RX端加衰減器對(duì)TX泄露信號(hào)進(jìn)行有效隔離，但由此產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)镽X接收的有用信號(hào)本身就很少，在進(jìn)行TX端泄露信號(hào)衰減的同時(shí)，RX端有用信號(hào)也被進(jìn)一步削弱，因此也會(huì)影響到LNA的接收，因此，用環(huán)形器做收發(fā)隔離只能在一定程度上產(chǎn)生效果，對(duì)于TX輸出功率給定且：ERP不超過(guò)相關(guān)規(guī)定的情況下，要提高接收機(jī)靈敏度，必須考慮增大收發(fā)兩路的隔離度，視具體需求而定。

1.2 射頻開(kāi)關(guān)HMC174

用來(lái)控制射頻輸出的通斷。在900 MHz頻段內(nèi)，輸入的1 dB壓縮點(diǎn)可以達(dá)到39 dBm，充分保證了HMC174可以承受輸入很高的射頻功率。輸入3階截取點(diǎn)可達(dá)到60 dBm，而前一級(jí)頻率合成器的輸出功率在3 dBm以內(nèi)，因而保證了信號(hào)通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)后的高線性度，最大限度地減少了射頻信號(hào)的失真。

1.3 射頻功率放大器PF01411B

PF01411B用做放大R2000的TX端輸出信號(hào)，使其滿足最大功率的輸出要求。PF01411B的主要特性為：高增益：三級(jí)放大，輸入功率0 dBm;高效率：輸出功率在35.5dBm時(shí)可達(dá)45%;增益控制范圍寬：典型值可達(dá)70dB。

1.4 射頻數(shù)控衰減器HMC273

HMC273用做衰減R2000的TX端輸出信號(hào)，功率校正用。

1.5 Impinj Indy R2000 UHF RFID讀寫(xiě)器芯片

R2000是新一代UHF頻段RFID讀寫(xiě)器SoC芯片，符合EPC global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成ASK調(diào)制解調(diào)器、濾波器、功放、FPGA等模塊。

1.6 微處理單元AT91SAM7S256

該器件是32位微控制器，大大提升了微控制器的實(shí)時(shí)性能，整合了全套安全運(yùn)行功能，包括由片上RC振蕩器計(jì)時(shí)的監(jiān)視器、電源以及閃存的硬件保護(hù)等。此外，該器件在最差條件下可以30 MHz的速度進(jìn)行單時(shí)鐘周期訪問(wèn)。

2 電源模塊和外設(shè)

電源模塊提供5 V，3.3 V，1.8 V的電壓，和外設(shè)做在同一塊底板上。適配器輸出的12 V直流電壓通過(guò)單片開(kāi)關(guān)電源LM2676轉(zhuǎn)換成5 V，如圖2所示，其他所需電壓值通過(guò)LM1117系列LDO產(chǎn)生，如圖3所示。外設(shè)只提供以太網(wǎng)口、USB口、串口。

T91SAM7S256自帶以太網(wǎng)MAC，只需選用一片PHY，這里選DM9161AEP，電路如圖4所示。

PHY和MAC的接口采用RMII接口，以太網(wǎng)接口采用集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器的HR911105A，增加信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。USB的接口電路如圖5所示，由于AT91SAM7S256芯片自帶USB控制器，這部分電路相對(duì)簡(jiǎn)單，只需按照ATMEL的參考電路進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。串口電路如圖6所示，其中一個(gè)用做調(diào)試，在沒(méi)有顯示設(shè)備的情況下，啟動(dòng)信息等可以從這個(gè)串口打印輸出到Windows中的超級(jí)終端上，方便設(shè)計(jì)前期的調(diào)試過(guò)程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序

讀寫(xiě)器在主機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作，該系統(tǒng)與主機(jī)之間形成主從通信模式。主控模塊上電完成正常初始化過(guò)程后，就進(jìn)入等待狀態(tài)，等主機(jī)發(fā)來(lái)指令，當(dāng)接收到主機(jī)指令后，按照主控程序進(jìn)行相應(yīng)的工作。處理完畢后，將所得信息送往主機(jī)。主程序流程如框圖7所示。

4 小結(jié)

本文采用Impinj最新的R2000進(jìn)行UHF RFID設(shè)計(jì)，可支持多協(xié)議兼容，標(biāo)簽處理速度高達(dá)每秒400多張，此超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)尤其適用于物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)表明，以此為核心的讀寫(xiě)器防碰撞性能好、高級(jí)DRM算法支持每秒處理400個(gè)標(biāo)簽。這些特性減小了設(shè)備的開(kāi)發(fā)復(fù)雜度，縮短了設(shè)備的研發(fā)周期，提高了系統(tǒng)性能，加快了設(shè)備的上市時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

關(guān)于R2000芯片的相關(guān)介紹就到這了，希望通過(guò)本文能讓你對(duì)R2000芯片有更深的認(rèn)識(shí)，如有不足之處歡迎指正。