一種射頻識別閱讀器模塊的製作方法

2023-06-12 12:43:56

專利名稱：一種射頻識別閱讀器模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及射頻識別技術領域，尤其涉及一種射頻識別閱讀器模塊。
背景技術：
RFID (Radio Frequency Identification，射頻識別)技術是一種非接觸式標籤信息識別技術，RFID系統主要由閱讀器、電子標籤和天線組成，其利用無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，達到識別目標的目的，識別工作無需人工幹預，可工作於各種環境。現有技術的超高頻RFID閱讀器一般分為兩種一種是固定式閱讀器，另一種是手持閱讀器。固定式結構複雜，價格昂貴，用於遠距離讀寫操作，使用非常的不方便；手持式設備，操作簡單，方便便攜，有著廣泛的實用性，但是由於尺寸等問題，限制了手持式閱讀器的清點性能和穩定性，特別是在小尺寸情況下，一般為了控制單板的面積，通常採用單路解調的接收方式，在使用過程中難免存在盲區，大大降低了手持式閱讀器的性能。性能下降的本質原因在於閱讀器模塊接收解調方法的問題。接收電路的接收方法是閱讀器模塊的核心， 而小尺寸閱讀器模塊是手持式閱讀器的重要組成部分，因此，在保證尺寸的前提下，如何改進接收電路的接收方法是手持式閱讀器目前面臨的主要問題。

實用新型內容本實用新型解決的技術問題是提供一種射頻識別閱讀器模塊，提高手持式閱讀器模塊識別標籤的接收解調性能。為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種射頻識別閱讀器模塊，包括通信控制單元、射頻信號接收單元和射頻信號發送單元，其中，所述射頻信號接收單元進一步包括分時正交解調接收電路，所述分時正交解調接收電路用於，對接收主鏈路上接收到的電子標籤信號進行分時IQ正交解調，並輸出解調後的差分基帶信號。此外，所述分時正交解調接收電路包括接收主鏈路上的0°直通網絡和90°移相網絡，所述通信控制單元通過分時切換所述0°直通網絡和90°移相網絡，使在兩個不同分時時解調出來的信號正交，從而實現分時IQ正交解調。此外，所述90°移相網絡包括射頻開關和90°移相網絡通道；所述0°直通網絡包括射頻開關和0°通道；所述通信控制單元通過控制所述射頻開關，選通所述90°移相網絡或者選通所述 0°直通網絡。此外，所述90°移相網絡通道由微帶線、電感和電容組成。此外，所述分時正交解調接收電路還包括兩個移相網絡電橋和兩個下混頻器；所述90°移相網絡和0°直通網絡分別通過射頻開關與所述兩個移相網絡電橋及下混頻器相連；[0015]所述移相網絡電橋的一端產生90°相移，另一端為0°直通端；所述下混頻器用於將射頻接收信號與本地本振信號混頻，並輸出差分的基帶信號。此外，所述射頻信號接收單元還包括接收基帶處理單元，所述接收基帶處理單元進一步包括濾波網絡、差分放大器和比較器；所述濾波網絡、差分放大器和比較器分別用於，對下混頻後的差分基帶信號依次進行濾波、差分放大和比較器整形處理。此外，所述射頻信號發送單元進一步包括鎖相環、預放大器、功率放大器、環形器和天線；所述射頻信號發送單元用於，在發送射頻信號時，將鎖相環輸出的本振信號經過預放大器進入功率放大器，再通過調製功率放大器的偏置管腳，產生移幅鍵控信號，通過環形器後由天線輻射出去。本實用新型為手持式閱讀器設備提供了成本較低，尺寸更小，性能穩定的閱讀器模塊及接收解調方法。與現有技術相比，本實用新型改進了電子標籤信號接收解調方式，減少盲區，增大了覆蓋範圍，並壓縮了器件佔用的面積，大大降低了 RFID手持閱讀設備的成本，且保證在小尺寸情況下性能穩定。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分， 本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中圖1為本實用新型的閱讀器模塊的組成示意框圖；圖2為本實用新型的分時IQ解調接收電路的示意框圖；圖3為本實用新型的射頻信號發送單元的示意框圖。
具體實施方式
本實用新型的主要目的是提出一種閱讀器模塊，採用超高頻RFID分時動態IQ (即矢量分解)正交解調的接收方法，可以消除盲區，提高手持式閱讀器識別標籤的性能，並且閱讀器的尺寸保持不變。考慮到手持式閱讀器對清點速度要求並不高，因此，在保持單路接收的情況下，通過增加一個相移網絡就可以實現正交IQ解調，並在解調之後進行差分輸出，這樣，在工作的情況下，可進行分時切換清點，從而有效的減小了閱讀器模塊的盲區。為實現上述目的，本實用新型具體採用如下技術方案1)本實用新型的超高頻RFID閱讀器模塊，主要由通信控制單元、射頻信號接收單元和射頻信號發送單元，其中，所述的通信控制單元、射頻信號發送單元和射頻信號接收單元優選採用分立元器件。2)通信控制單元可由ARM單片機(MCU)、RS232接口和3. 3V直流電源接口構成。通信控制單元主要負責將發送的基帶信號調製到射頻頻段，處理標籤返回的協議信號和接收電路的IQ解調分時切換，並將處理的標籤結果上傳給上位機。3)射頻信號接收單元主要由分時正交解調接收電路和接收基帶處理電路構成。分時正交解調接收電路主要採用射頻開關、兩個正交的移相網絡、兩個移相網絡電橋和兩個混頻器構成。其中，本實用新型首次提出了分時動態IQ正交解調接收的做法，其核心在於在射頻接收主鏈路中增加兩個射頻開關，用於切換90°移相網絡和0°直通網絡。通過分時切換所述0°直通網絡和90°移相網絡，使在兩個不同分時時解調出來的信號正交，從而實現分時IQ正交解調。然後分別進入移相網絡電橋，該移相網絡電橋分成兩路，一路為 90°相移，一路為0°相移，分別通過射頻開關進入下混頻器與本振信號混頻，形成差分信號輸出，再經過差分放大器放大和比較器比較整形，得到的數位訊號直接輸入ARM單片機進行軟體解碼。4)射頻信號發送單元，主要由鎖相環直接鎖定到需要的頻點，經過預放大器和功率放大器，為了節約成本，發送基帶信號直接加載到功率放大器的偏置管腳，控制功率輸出，進而達到信號調製的目的。功率放大器輸出的射頻調製信號經過環形器後直接通過天線發送出去。為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下文中將結合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互任意組合。圖1示出了本實用新型的閱讀器模塊，如圖1所示，主要由通信控制單元、射頻信號發送單元和射頻信號接收單元構成。通信控制單元由ARM單片機、RS232接口、3. 3V電源接口構成。ARM單片機為該閱讀器模塊的核心，主要用於編碼輸出、對載波的調整、對接收電子標籤數據信號的解碼校驗判斷、實現閱讀器模塊與上位機的數據交換，採用ARM單片機使閱讀器模塊在實際應用中更加靈活，方便協議的優化，提高閱讀器模塊穩定性。射頻信號接收單元中，分時動態IQ正交解調電路是該部分的核心，現有小尺寸閱讀器模塊中都是採用單路解調方式(I路解調或者Q路解調)，該方式在實際應用中盲區較多，本專利在保持原有尺寸同時在原有電路基礎上只增加一個90°移相網絡，通過分時切換的方式，實現了 IQ正交解調，有效地減少了閱讀器模塊覆蓋的盲區。結合圖1所示，本實用新型的工作原理描述如下鎖相環輸出902MHz (兆赫) 928MHz本振信號，經過預放大器進入功率放大器， 通過單片機的調製信號調製功率放大器的偏置管腳，產生幅度調製ASK信號，最後通過環形器後由天線輻射出去，進而實現閱讀器模塊和標籤的交互。當標籤收到天線輻射發出的信號後，標籤會根據閱讀器模塊發送的命令返回相應的信號，在接收電子標籤返回信號時，對接收主鏈路進行分時動態IQ正交解調，解調出來的I路差分信號或者Q路差分信號，經過濾波網絡，通過差分信號放大器處理後由比較器整形送給ARM單片機解碼，完成整個接收標籤信號的過程。如圖2所示，本實用新型的射頻信號接收單元是由兩個射頻開關、90°移相網絡、 0°直通網絡、兩個移相網絡電橋及兩個下混頻器構成。在兩個射頻開關之間加上一個 90°的移相網絡，和一個0°直通的網絡。其中，90°移相網絡中包括90°移相網絡通道， 該90 °移相網絡通道可由微帶線、電感、電容分立元件組成，用於將接收到的標籤信號相移 90°。移相網絡電橋是採用專門的90°電橋，一端產生90°相移，一端為0°直通端。結合圖2所示，當控制線「控制1」和「控制2」為低電平時，射頻開關選通0°直通網路，接收到的標籤信號與本地本振信號混頻後輸出的信號為正交信號的I路，其中I+和 Γ是差分的有利於抗幹擾，具體算法公式如下I+路信號
Γ ArpCOS(ωκρ + θ)χ AloCOS(ωιο -90°)
=^ ArfAlo [cOS(aRFt + θ + mLOt - 90°) + COS{mRFt + θ-ωιο + 90α)}
LPF 1
=-ARFALOCOS(e + W)Γ路信號
I_: ArfCOS(coRFt + θ-90°)χ ALOCOS(aLOt)
=^ArfAlo[cOS(aRFt + θ-90°+ ωιο ) + COS{mRFt + 汐-90° -ωιο )}
LPF 1
=-ARFALOCOS(e-W)當控制線「控制1」和「控制2」為高電平時，開關選通90°相移網路，接收到標籤信號相移90°，然後與本地本振信號進行混頻，混頻後輸出的信號為正交信號的Q路，其中 Q+和Q-也是差分的，具體算法公式如下Q+路信號
Q+ ARFCOS{mRFt + θ-90°)χ AloCOS (o)LOt -90°)
=全 ArfAlo [cOS{mRFt + 汐-90° - mLOt + 90°) + COS{mRFt + 汐-90° - mLOt + 90°)]
LPF 1
=~ARPALOCOS(e)Q-路信號
Q-: ARFCOS(aRFt + ^-90°-90°)AloCOS(ioLOt)
=^ArfAlo[cOS(aRFt + Θ-900-90° + mLOt) + COS{mRFt + 汐-90° -90° -mLOt)}
LPF 1
=-ARFALOCOS(e-\W)上述公式中，ωKF是標籤信號返回信號頻率，是本振信號的頻率，且等於ωκρ，θ是本振信號和標籤返回信號的相位差，Akf和分別是標籤返回信號和本振信號的幅度。若只是採用其中的一種接收方式(I路接收或Q路接收)，標籤在個別的地方就會存在盲區，在θ剛好等於0°時，I路解調出來標籤信號幅度正好為0，此時閱讀器模塊認為沒有標籤在覆蓋範圍內，即盲區出現了(該標籤漏讀)，若此時切換到Q路來解調，會發現θ =0°時是能夠檢測到標籤信號，解調出幅度為ΑΚΡΧΑω/2，標籤在同樣一個位置上，使用不同的接收電路得到結果是不同的，只有將這兩種接收方式結合在一起才可以有效地避免標籤漏讀的問題，即盲區問題。由上述分析可以得到，在保持單路接收的情況下，只增加一個相移網絡就可以實現正交IQ解調，並且解調之後是差分輸出，在工作的情況下，進行分時切換清點，有效的減小了閱讀器模塊的盲區。如圖3所示，本實用新型的射頻信號發送單元由鎖相環、預放大器和功率放大器構成，鎖相環由ARM單片機的控制，鎖定輸出902MHZ 928MHz之間的頻點，輸出的信號通過預放大器進入功率放大器，ARM單片機DAC (Digital to Analog Converter，數模轉換器)輸出的基帶信號通過基帶的處理，直接控制功率放大器的偏置管腳，形成移幅鍵控 (Amplitude Shift Keyed，簡稱為ASK)信號，通過環形器發送出去，此電路都是採用的獨立元件搭建的，保證性能的前提下，極大簡化了電路，降低了成本。此外，本實用新型的超高頻閱讀器模塊各個單元採用分立元器件，設置在一個電路板上，各個單元已經極大的優化了電路，大幅縮小了板子的面積，僅保留RS232接口、電源供電接口和天線口，使用時接上天線和電源後，就可以完成對標籤數據的讀取了，所讀數據通過RS232傳到上位機。以上僅為本實用新型的優選實施案例而已，並不用於限制本實用新型，本實用新型還可有其他多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本實用新型做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。
權利要求1.一種射頻識別閱讀器模塊，其特徵在於，包括通信控制單元、射頻信號接收單元和射頻信號發送單元，其中，所述射頻信號接收單元進一步包括分時正交解調接收電路，所述分時正交解調接收電路用於，對接收主鏈路上接收到的電子標籤信號進行分時IQ正交解調，並輸出解調後的差分基帶信號。
2.如權利要求1所述的射頻識別閱讀器模塊，其特徵在於，所述分時正交解調接收電路包括接收主鏈路上的0°直通網絡和90°移相網絡， 所述通信控制單元通過分時切換所述0°直通網絡和90°移相網絡，使在兩個不同分時時解調出來的信號正交，從而實現分時IQ正交解調。
3.如權利要求2所述的射頻識別閱讀器模塊，其特徵在於， 所述90°移相網絡包括射頻開關和90°移相網絡通道； 所述0°直通網絡包括射頻開關和0°通道；所述通信控制單元通過控制所述射頻開關，選通所述90°移相網絡或者選通所述0° 直通網絡。
4.如權利要求3所述的射頻識別閱讀器模塊，其特徵在於， 所述90°移相網絡通道由微帶線、電感和電容組成。
5.如權利要求3所述的射頻識別閱讀器模塊，其特徵在於，所述分時正交解調接收電路還包括兩個移相網絡電橋和兩個下混頻器；所述90°移相網絡和0°直通網絡分別通過射頻開關與所述兩個移相網絡電橋及下混頻器相連；所述移相網絡電橋的一端產生90°相移，另一端為0°直通端；所述下混頻器用於將射頻接收信號與本地本振信號混頻，並輸出差分的基帶信號。
6.如權利要求1、2、3、4或5之任一項所述的射頻識別閱讀器模塊，其特徵在於， 所述射頻信號接收單元還包括接收基帶處理單元，所述接收基帶處理單元進一步包括濾波網絡、差分放大器和比較器；所述濾波網絡、差分放大器和比較器分別用於，對下混頻後的差分基帶信號依次進行濾波、差分放大和比較器整形處理。
7.如權利要求6所述的射頻識別閱讀器模塊，其特徵在於，所述射頻信號發送單元進一步包括鎖相環、預放大器、功率放大器、環形器和天線； 所述射頻信號發送單元用於，在發送射頻信號時，將鎖相環輸出的本振信號經過預放大器進入功率放大器，再通過調製功率放大器的偏置管腳，產生移幅鍵控信號，通過環形器後由天線輻射出去。
專利摘要本實用新型公開了一種射頻識別閱讀器模塊，包括通信控制單元、射頻信號接收單元和射頻信號發送單元，其中，射頻信號接收單元進一步包括分時正交解調接收電路，分時正交解調接收電路用於，對接收主鏈路上接收到的電子標籤信號進行分時IQ正交解調，並輸出解調後的基帶差分信號。本實用新型改進了電子標籤信號接收解調方式，減少盲區，增大了覆蓋範圍，並壓縮了器件佔用的面積，大大降低了RFID手持閱讀設備的成本。
文檔編號G06K7/00GK202196417SQ201120167779
公開日2012年4月18日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者曹誠, 王永剛, 王芳, 王金龍, 賈旭峰 申請人:中興通訊股份有限公司