解密RFID读写器系统

2020-04-28 10:20:26 42

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无线通信技术的发展,对无线通信芯片的要求越来越高,既要求通信质量,也要求通信距离。无线通信系统的通信距离由多方面因素决定,在射频芯片方面主要受限于接受机灵敏度和发射机输出功率两大因素。无线通信系统一方面要求发射机输出功率满足通信协议要求,另一方面要求发射机输出功率可以精确调节以满足通信场景要求。

但是目前现有的射频识别(RFID)读写器输出功率大小无法精确控制、输出功率调节步长无法精确控制,并且射频识别读写器工作环境温度要满足-40℃到85℃工业要求,随着工作温度的变化,系统输出功率会发生很大变化,目前的功率调节方案无法解决温度对功率的影响。



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首先,为了更好的了解RFID读写器系统,我们需要清楚原超高频射频识别通信系统的原理,如上图所示,超高频(UHF)射频识别(RFID)通信系统由RFID读写器和RFID标签两大部分组成。RFID读写器是有源系统,可以直接外接电源供电,标签是无源系统,无法直接外接电源供电。RFID读写器通过天线向空间发射电磁波,RFID标签通过线圈接收空间电磁波并转化成电能给自己供电。


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在实际应用场景中,标签和RFID读写器两者之间的距离不确定。当两者之间距离较远时,由于电磁波空间长距离衰减大,要求RFID读写器能够发射大功率电磁波,以便能够激活标签,保证两者正常通信。当两者之间距离较近时,由于电磁波空间短距离衰减小,要求RFID读写器能够发射小功率电磁波,能够顺利激活标签,同时减少读写器系统功耗。这就要求RFID读写器输出功率可以调节,以满足不同距离通信应用场景。

在了解RFID读写器的基本原理后,我们再来看看在这项专利中的RFID读写器系统是如何的。


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如上图就是该专利发明的RFID读写器系统的原理图,在传统方案的基础上增加了如下功能:

1)增加了功率耦合器(Coupler)和功率检测器,用于检测RFID读写器输出功率,并以输出电压的形式送给主控制器,主控制器检测输出电压大小,准确计算读写器输出功率。

2)在传统功率粗调的基础上,在数字基带端增加了功率细调寄存器:DBB_Gain< N:0 >,当RFID读写器发射单载波信号时,数字基带送给基频DAC的数字码增益精确可调。

由于该专利中的功率校准技术工作原理分为功率粗校准和实时功率精校准两大部分,因此,结合下图中的RFID读写器系统的流程图来对于这两大部分进行详细的介绍。

对于功率粗校准,由于业界要求RFID读写器输出功率调节范围:15dBm--30dBm,因此调节步长为1dBm,调节精度为+-0.5dBm。其次,配置功率细调寄存器:DBB_Gain< N:0 >为中间值,通过配置片内功率放大器增益寄存器:PA_Gain< N:0 >和上混频器增益寄存器:Mixer_Gain< N:0 >,找到一组最佳配置组合使RFID读写输出功率最接近15dBm。

接着重复上述步骤,依次找到不同的配置组合,使RFID读写器输出功率分别最接近16dBm/17dBm/… /30dBm。当RFID读写器输出功率为15dBm/16dBm/… /30dBm时,把分别对应的片内功率放大器增益寄存器:PA_Gain< N:0 >和上混频器增益寄存器:Mixer_Gain< N:0 >,存储在主控制器里面。主控制器根据需要,配置RFID读写器不同输出功率,上位机软件直接调用不同功率对应的寄存器组合进行配置,完成RFID读写器输出功率粗调。


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而实时功率精校准就更加复杂一些,首先需要根据主控制器的需求,配置片内功率放大器增益寄存器:PA_Gain< N:0 >和上混频器增益寄存器:Mixer_Gain< N:0 >,此时RFID读写器输出功率和目标值有一定的偏差,该偏差随温度变化而变化,造成RFID读写器输出功率偏差。

对于功率细调寄存器而言,DBB_Gain< N:0 >越大,系统输出功率越大。其调节步长可以很小:<0.05dBm,调节范围:+-3dBm,完全可以补偿各种因素导致的功率偏差。同时功率耦合器把RFID读写器外部功率放大器输出功率耦合给功率检测器芯片,避免功率检测器和外部功率放大器直接相连,影响外部功率放大器工作和效率。功率检测器检测RFID读写器输出功率,并以输出电压的形式反映RFID读写器输出功率大小,RFID输出功率越大,功率检测器输出电压越高。

接着通过测量RFID读写器输出功率和功率检测器的输出电压,可以得到两者对应表,根据该对应表可以拟合出两者的对应公式,将该公式存储在主控制器里面,供上位机软件调用计算使用。

功率检测器的输出电压送给主控制器,主控制通过内部ADC采样计算出该电压具体值,软件根据功率和电压的拟合公式,计算出RFID读写器实际输出功率值。上位机软件对比RFID实际输出功率值和目标值:如果计算得出的RFID实际输出功率值小于目标值,则增加功率细调寄存器DBB_Gain< N:0 >的值,如果计算的RFID输出功率值大于目标值,则减少功率细调寄存器DBB_Gain< N:0 >的值,直至两者差异小于系统规定的误差容限,校准暂停。

最后,当工作环境温度变化时,RFID读写器输出功率会发生变化,一旦输出功率偏离目标值超过误差容限时,校准功能被触发,重复上述校准过程,实现RFID读写器输出功率实时校准,减少温度对功率的影响。


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