采用UHF射频卡读写器与MSP430处理器实现圆极化天线的设计
作者：杨文峻，吕云鹏
在当今的现代化社会，科技发展迅速，物品向小型化、微型化发展已经成为一种必然。本设计通过在指定的物品上挂载标签，采用UHF射频卡读写器作为控制核心对目标标签加以识别与读取，配合链接MSP430处理器及自制的圆极化天线，实现了物品的定位功能，并通过配合使用GSM模块，以短消息的方式告知主人物品的位置及安全信息。标签的信息可通过PC机键盘输入进行更改。UHF射频卡读写器中的防碰撞算法保证了标签读取的抗干扰性和稳定性，自制天线的高增益和优良性能为有效搜索范围提供了保障。
1 、原理分析与硬件电路图
1.1 整体原理结构图
按图1所示，整个系统由UHF射频读写器与天线、GSM模块、MSP430处理器、屏显设备及输入设备相连接而成。有效地实现了物品——系统——用户的紧密联接，从而达成了设计功能要求。
1.2 天线部分
1.2.1 天线的设计原理
根据腔模理论，微带贴片天线用带线或同轴探针激励时，电磁场在贴片和接地板间建立。矩形贴片可当成一个等效的开路边界的谐振腔，它四周为理想磁壁，周壁磁场等于零; 上下壁为理想电壁［4］。
贴片形状结构的不同会导致天线性能的迥异，在方形贴片对角线上像波导拐弯那样切掉一个45°的角。该分离单元就可以使馈电场形成两个空间正交简并模的谐振频率发生分离。为实现圆极化， 这两个模必须达到幅值相等、相位相差90°。相等幅值可以通过适当选择馈电位置实现，需选取馈电点选取位于切角贴片中心线上。90°相移的产生有两个因素，一个是馈电点位置，另一个是分离单元的尺寸。由腔模理论知微带贴片天线激励模可等效为一并联的RLC 谐振电路［5］。为了使电子标签在各个位置都能被识别，设计采用圆极化天线。微带天线的圆极化带宽近似与其Q值成反比，因此为了得到宽频带的圆极化微带天线，我们选择空气作为介质，既节约了成本也降低了天线的损耗，并且也能保证天线拥有良好的圆极化特性。用4个辅助支撑柱配合金属探针固定贴片，保证了贴片平整稳固的同时，让金属探针起到更好的馈电作用。通过仿真、测试，可以最终选定天线的特性及优化其性能。
1.2.2 天线的结构及尺寸
本设计天线为圆极化贴片天线，具体设计要求和参数性能如表1所示。
1.3 UHF射频读写器模块
1.3.1 UHF射频读写器基本原理
UHF系统结构如图3所示，读写器作为整个系统的重要组成部分，其基带处理性能的优劣将直接影响读写器性能的优劣。
读写器通过射频信号与标签进行通信，完成信息交换。在 UHF RFID 系统中，一般读写器先发送一条命令给电子标签，标签收到命令后进行应答响应。标签根据命令返回有用数据信息给读写器。读写器对标签返回信号处理后再传回上位机。
本设计中的UHF主要实现了以下几个功能：
（1）读写器与电子标签进行通信。读写器向电子标签发送命令，电子标签根据命令进行响应，返回有用数据。
（2）读写器与上位机进行通信。读写器通过特定接口与上位机相连接，如RS-232、USB、RJ45 等。上位机向读写器发送控制命令，控制读写器对标签的操作。读写器将标签返回的信息传回给上位机。
（3）读写器可以完成对多个标签的读写功能，实现了防碰撞处理。
（4）读写器具有数据校验的功能。能够对数据的正确性进行判断。
1.3.2 UHF射频读写器的硬件部分
射频模块是读写器射频信号处理模块，设计要解决的主要问题是抑制干扰，正确进行信号收发，射频模块的主要任务如下：
（1）根据协议要求发射一定功率的射频信号，激活工作区域内的无源标签并为其正常工作提供能量;
（2）将待发射的编码信号调制到射频，把数据和命令传送给标签;
（3）接收标签返回的射频信号并进行下变频处理;
（4）控制频率综合器进行跳频处理。本次设计中的UHF采用AS3992 射频芯片，AS3992支持 PM 调制和AM 调制，这样射频芯片在 I/Q 两路信号自动选择时不会出现通信的盲点，而且射频芯片还自带 A/D 转换电路，可以用于测量读写器的发射功率。
对于读写器的射频发射电路部分，AS3992 可以采用低功率线性输出模式或低功率差分输出模式，我们采用低功率线性输出模式。通过外部的功率放大器，将输出功率放大到 23dBm-30dBm 之间。AS3992 射频发射电路主要由耦合匹配电路、功率放大电路、差分转单端电路、滤波电路和定向耦合电路构成。输出匹配电路将解耦、差分转单端电路、匹配电路作为整体由匹配电路输出，输出匹配电路如图4所示，功率放大电路如图5所示。
UHF RFID 读写器可以使用两个天线，将接收和发送分开或者使用一个天线但需要射频隔离电路，考虑到使用射频隔离电路可以降低设计成本，所以采用了定向耦合器作为收发隔离电路，具体电路如图6所示。
RFID 读写器从功能模块上划分为射频模块和基带模块，缺少任何一个模块都不能构成完整的读写系统。基带模块主要功能如下：
（1）控制标签与读写器间的数据交换;
（2）执行单标签识别和防冲撞算法;
（3）与上位机软件进行通信，并执行从上位机软件发来的命令;
（4）控制读写器和标签间的身份验证;
（5）控制频率步进和发射信号功率。
基带模块由微处理器、通信接口电路、电源电路及辅助电路等部分组成。基带模块总体框图，如图7所示。
1.4 GSM模块
在本次设计中，MSP430F149单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令控制GSM模块实现各种无线通信功能。通过GSM模块与MSP430F149单片机的配合使用，我们可以将重要的信息在第一时间以短信的方式发送给用户，如果标签所标记的物件超出我们设定的安全范围，用户的手机将收到GSM模块发送的报警提醒信息，达到了防止失窃的目的;物品丢失后，用户也能收到包含丢失物品名称、丢失具体时间等信息的短信，方便用户找回失物。
1.5 PC输入导致显示模块
通过PC键盘输入，可以编写或修改电子标签所标记的物品信息，设置保护物品的安全范围，在实现寻物目的时，可以设定寻物范围，方便用户进行失物的搜索。并将这些设定的内容与信息在屏幕上显示，显示屏幕采用液晶触摸屏，显示清晰简洁操作方便，实现了人机界面友好的目的。
2、软件设计与流程
2.1 系统的软件整体
下面将介绍本次设计系统的软件部分，整体软件的设计思路如下图所示，软件主要包括三个部分：（1）UHF部分的防碰撞算法;（2）MSP430F149单片机整体控制程序;（3）GSM模块短信发送程序编写。
2.2 UHF读写器整体软件模块
读写器软件模块划分以及模块间结构关系如图8所示。
2.3 UHF防碰撞算法
读写器在没有采用多址访问控制机制的情况下，如果个能被同一读写器识别的多个电子标签同时处在读写器能够识别的范围内，电子标签将同时响应读写器的指令。信道会被电子标签争用，导致信号互相干扰，读写器不能正确接收数据，也不能准确识别电子标签信息。当多个电子标签使读写器发生判断错误，读写器会认为电子标签不在自己的作用范围内或无法读取信息，即发生了碰撞问题。
通过查阅相关资料，了解到目前广泛应用的防碰撞算法基本上都是 TDMA（Time Division MulTIple Access，时分多址）法。主要分为两类TDMA法：分别是基于ALOHA的防碰撞算法和基于二叉树的防碰撞算法，这两种算法在RFID系统中都有广泛的应用。在 RFID中ALOHA算法被分为：纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法、帧时隙ALOHA算法、动态帧时隙 ALOHA算法。本次设计的UHF读写器采用动态帧时隙 ALOHA算法。
读写器可以统计出一帧时隙中成功识别的时隙数Nr，发生碰撞的时隙数Nc，如果当前读写器周围的电子标签数为N，则剩余的电子标签数为N-Nr。 根据对动态帧时隙算法的分析可知，下一帧的时隙数为L1=N-Nr。通过查阅相关算法资料得知，电子标签的估计公式为：N=Nr+2.39Nc。
动态帧时隙 ALOHA 算法先初始化帧长F=M，M的值可根据实际情况设定;帧周期内初始化：Nc=Nr=0，Nc为碰撞时隙数，Nr 为正确接收时隙数。读写器发送带有帧时隙长度的指令，等待读写器识别范围内的电子标签响应指令。图5-3表示整个电子标签防碰撞算法的识别过程。
读写器对一帧中各个时隙进行检测，检测结果可分为三种情况：
（1）正确接收电子标签信息Nr+1;
（2）电子标签发生碰撞Nr+1;
（3）无电子标签应答信号。
在上述的三种情况中，每检测完一个时隙都要使时隙数M-1，如果时隙数M为0则判断Nc是否也为0，如果Nc也为0就表示没有电子标签发生碰撞且都被识别;如果Nc不为0则表示电子标签发生碰撞，根据Nc的大小重新调整M的值，对剩余电子标签进行读写，直到所有电子标签都被识别。
3 、系统测试与误差分析
3.1 天线仿真与测试结果（数据）
利用HFSS软件，我们仿真了天线，其仿真数据如下：
通过矢量网络测试仪测试，实际天线在0.92GHz处S11达到-17.5dB，其增益为8.7dB。通过旋转标签，测试天线的圆极化特性，发现无论标签如何放置，都可准确读取，确认圆极化特性良好。
3.2 UHF读写器测试结果
利用贴有电子标签的物品对UHF读写器的有效识别范围、标签识别个数以及灵敏度等性能进行测量，测量结果如下表所示。
3.3 GSM短信功能测试结果
GSM模块的挂载使系统人机交流更加丰富，智能化得到体现。
