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基于R2000芯片的读写器架构分析

来源:RFID世界网  2019-09-11

R2000芯片

R2000芯片是一款高性能UHF频段的超高频读写器芯片,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ISO/IEC 18000 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R2000芯片的所有通信和控制。

超高频载波信号的通信频率为840 MHz~960 MHz,R2000芯片集成了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。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。

 

基于R2000芯片的读写器架构分析 浅谈R2000芯片之架构

 

为了增加超高频读写器的最远距离读取,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。

基于超UHF频段的远距离超高频读写器,随着数据传输和分辨率的要求提高,MCU主控制器可以不断升级,以适应事务控制的扩充和处理速度的提高。

基于R2000芯片的读写器架构分析

1 读写器系统框图

基于R2000的读写器系统结构如图1所示,其中控制器采用ARM7内核处理器,除了R2000的一些必要外围元件,系统和天线之间必须加环行器以满足单天线应用,TX口还必须加功放模块。根据读写器的系统框图,主要器件选型如下:

 

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1.1 RFID宽频环行器HYG504XX

作为单天线应用的收发隔离,环形器一般用亚铁磁性复合材料制成,这种材料具有各向异性的特点,环形器为三端口器件,端口1为输入,端口2为输出,端口3为隔离端口,能量几乎不能穿过,以此类推,一般UHF读写器上用环形器使信号按顺时针方向流通,当端口1为TX输出时,RF信号会从端口2流过,而端口3即RX端口为隔离端,具体隔离度需参考器件参数和LAYOUT效果;相反,当端口2作为收发复用端接收信号时,信号会按顺时针方向进入端口3,此时泄露到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响着接收机灵敏度即实际识别效果,因此需根据接收端LNA参数,在RX端加衰减器对TX泄露信号进行有效隔离,但由此产生一个问题,因为RX接收的有用信号本身就很少,在进行TX端泄露信号衰减的同时,RX端有用信号也被进一步削弱,因此也会影响到LNA的接收,因此,用环形器做收发隔离只能在一定程度上产生效果,对于TX输出功率给定且:ERP不超过相关规定的情况下,要提高接收机灵敏度,必须考虑增大收发两路的隔离度,视具体需求而定。

1.2 射频开关HMC174

用来控制射频输出的通断。在900 MHz频段内,输入的1 dB压缩点可以达到39 dBm,充分保证了HMC174可以承受输入很高的射频功率。输入3阶截取点可达到60 dBm,而前一级频率合成器的输出功率在3 dBm以内,因而保证了信号通过射频开关后的高线性度,最大限度地减少了射频信号的失真。

1.3 射频功率放大器PF01411B

PF01411B用做放大R2000的TX端输出信号,使其满足最大功率的输出要求。PF01411B的主要特性为:高增益:三级放大,输入功率0 dBm;高效率:输出功率在35.5dBm时可达45%;增益控制范围宽:典型值可达70dB。

1.4 射频数控衰减器HMC273

HMC273用做衰减R2000的TX端输出信号,功率校正用。

1.5 Impinj Indy R2000 UHF RFID读写器芯片

R2000是新一代UHF频段RFID读写器SoC芯片,符合EPC global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C国际标准,内部集成ASK调制解调器、滤波器、功放、FPGA等模块。

1.6 微处理单元AT91SAM7S256

该器件是32位微控制器,大大提升了微控制器的实时性能,整合了全套安全运行功能,包括由片上RC振荡器计时的监视器、电源以及闪存的硬件保护等。此外,该器件在最差条件下可以30 MHz的速度进行单时钟周期访问。

2 电源模块和外设

电源模块提供5 V,3.3 V,1.8 V的电压,和外设做在同一块底板上。适配器输出的12 V直流电压通过单片开关电源LM2676转换成5 V,如图2所示,其他所需电压值通过LM1117系列LDO产生,如图3所示。外设只提供以太网口、USB口、串口。

 

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T91SAM7S256自带以太网MAC,只需选用一片PHY,这里选DM9161AEP,电路如图4所示。

PHY和MAC的接口采用RMII接口,以太网接口采用集成了网络变压器的HR911105A,增加信号传输的可靠性。USB的接口电路如图5所示,由于AT91SAM7S256芯片自带USB控制器,这部分电路相对简单,只需按照ATMEL的参考电路进行设计即可。串口电路如图6所示,其中一个用做调试,在没有显示设备的情况下,启动信息等可以从这个串口打印输出到Windows中的超级终端上,方便设计前期的调试过程。

 

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3 系统软件设计主程序

读写器在主机监控下进行工作,该系统与主机之间形成主从通信模式。主控模块上电完成正常初始化过程后,就进入等待状态,等主机发来指令,当接收到主机指令后,按照主控程序进行相应的工作。处理完毕后,将所得信息送往主机。主程序流程如框图7所示。

 

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4 小结

本文采用Impinj最新的R2000进行UHF RFID设计,可支持多协议兼容,标签处理速度高达每秒400多张,此超高频射频识别系统尤其适用于物流、供应链领域。实验表明,以此为核心的读写器防碰撞性能好、高级DRM算法支持每秒处理400个标签。这些特性减小了设备的开发复杂度,缩短了设备的研发周期,提高了系统性能,加快了设备的上市时间。

结语

关于R2000芯片的相关介绍就到这了,希望通过本文能让你对R2000芯片有更深的认识,如有不足之处欢迎指正。

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