摘要：本文讨论了一种基于AS3991芯片的超高频（HUF）Gen2 RFID 读写器设计方案。该读写器工作频率的范围为860MHz-960MHz，并且它符合ISO18000-6C（EPC Gen2 专门用于物联网物流管理）的主流标准。本文给出了RF设计要点，软件实现方案，防冲突算法的设计程序。
关键词：RFID 读写器；Gen2；超高频;防冲突;
中图分类号：TJ430.3+8文献标识码：A
UHF读写器在以RFID和WSN为核心的物联网系统中是主流的感知部件，如何设计高性价比的UHF读写器是摆在RFID设计工程师面前的一道难题。虽然现在国际、国内市场上有一些有品牌的超高频RFID读写器，但其设计方案各有千秋，应用时的稳定性、可靠性仍有待改进。因此，怎样能设计出性能稳定、性价比高、适应市场需求的超高频RFID读写器是一个值得探讨的问题。
AS3991在设计，调试时玄机不少.主要是国内没有全面的关于IC的技术支持与培训,技术文件过于简单,也没有关于应用的指导性文件.大家习惯在Demo的基础上进行摸索,这实际上是个学习与进步的过程。超高频读写器芯片的AS3990/AS3991是一个综合模拟前端和协议处理的系统，符合ISO18000 - 6C 900MHz的RFID读写器系统。AS3991的封装形式为64脚QFN封装。它具有集成度高的特点，芯片内集成了接收电路、发送电路、协议转换单元、连接MCU（微控制器）的8 bit并行接口或SPI串行接口等。
接收电路包括混频器、自动增益控制、低通和高通滤波器、PM和AM解调器、低级解码以及CRC校验等部分。发送电路包括幅移键控或相移键控调制，自动产生帧同步、引导码、CRC校验码，以及低阶数据编码、PM和AM调制器。协议转换单元将来自MCU接口的数据自动转换成标准协议数据帧，或将接收的数据帧转换成MCU能接收的数据格式。芯片具有2种工作模式，完全支持ISO18000-6C(EPC Gen2)空中接口协议，兼容ISO18000-6A/B协议。芯片具有并行接口或串行接口2种数据接口方式，方便与MCU进行数据通信。
1 读写器PCB的设计
PCB板多层层压板总厚度和层数等参数受到板材特性限制。特殊板材一般可提供的不同厚度的板材品種有限，因而设计者在PCB设计过程中必须靠虑板材特性参数、PCB加工工艺的限制。读写器的射频性能取决于PCB板材介电常数与设计相符合。射频设计的版图50Ω微带传输线，务必保证特性阻抗的正确。
FR4板材有各种厚度，适用于多层层压的板材品种齐全，表1以FR4板材为例给出一种多层板层压结构和板材厚度分配参数。
工作在1GHz以下的PCB可以选用FR4，成本低、多层压制板工艺成熟。如信号入出阻抗较低（50欧姆），在布线时需要严格考虑传输线特性阻抗和线间耦合，缺点是不同厂家以及不同批生产的FR4板材掺杂不同,介电常数不同（4.2-5.4）且不稳定。
1.1 射频无源器件的选用
阻容器件的选用：
表2 贴片电阻的电特性
贴片电容，电阻的选用要注意其频率特性以及固有电感对读写器射频性能的影响。见图4所示。
1.2 SMD 晶体振荡器的选用
晶体振荡器在保持系统时间和频率方面非常重要。与体积较大的前代产品相比，温补晶体振荡器(TCXO)和炉控晶体振荡器(OCXO)等现代晶体振荡器具更高的性能。除了努力实现更精确的频率输出和更低功耗外，晶体振荡器还将继续向更小体积的方向发展。许多采用表面贴(SMT)封装的产品可以通过拾放和自动操作设备放置在电路板上。
DS0321SW SMD 晶体振荡器的参数见图5所示：
2 系统软件设计
2．1 主程序
若系统在PC机的监控下工作，则系统与PC机之间是主从通信模式。系统收到Pc机的命令便进入初始化状态，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PC机。主程序流程见图6。
2.2驱动软件的设计
硬件驱动软件编写程序采用C 语言，主要采用模块化编程思想。系统主程序为一个完整的RFID 读写器系统，其用来控制硬件电路每个模块的工作状态和工作模式，协调整个读写器读写过程的工作。这个读写器硬件驱动的主程序主要可以分为以下几个部分：串口通信程序，读写标签程序，防冲突程序，数据处理程序等。图7为读写电子标签的主程序流程图：
挑选数值非零的标签则应转换成仲裁状态,并等待发出查询调整或查询命令。
询问机采用的是三个基本操作来管理标签群，即选择、盘存、访问。每个操作均由一个或一个以上的命令组成。三个基本操作的定义如下：
2.3 防冲突算法的设计
防冲突系统，主要是应用在EPC-global的射频识别系统（EPC tag and reader）中，也就是说冲突的层面主要发生在Reader和Tag之间。那为什么发生“冲突”呢？所谓的冲突指的是当Reader和Tag相互沟通时，再同一时间点，有两张甚至是两张以上的标签同时发射或同时接收，因而破坏了信号的完整性，使双方的信号判读错误或者是无法判读。我们所说的“RFID防冲突系统算法” 就是为了尽量降低两个标签可能同时通信而相互损害对方信号的可能性。
防冲突算法的原则如下：
(1) 选择: 读写器选择标签群以便于盘存和访问的过程。询问机可以用一个或多个的选择命令在盘存之前选择特定的标签群。
(2) 盘存: 询问机识别标签的过程。询问机在四个通话的其中一个通话中传输查询命令,开始一个盘存周期, 一个或多个的标签可以应答, 询问机检查某个标签应答, 请求该标签发出PC、EPC 和CRC-16。
(3) 访问: 询问机与各标签交易的过程，即读取或写入标签。访问前必须要对标签进行识别, 访问由多个命令组成。
若多个标签应答，读卡器通过检测和解决波形的冲突, 可以解决其中一个标签发
来的16bit 密钥, 其他未解决的标签会收到错误的16bit 密钥, 并返回仲裁状态。
防碰撞算法的组成见图8所示。
3 结论
本文设计的基于奥地利微电子的AS3991 RFID超高频读写器，符合SO/IEC18000-6C 协议规定的数据传输通信。该读写器充分结合了软硬件的优势，可以实现对EPC Gen-2电子标签的读写操作。使用圆极化Gain为9dbi的阵列天线，读标签距离可以到6m，写标签距离可以到1.5m。多标签集密使用时抗冲突性能良好，可以同时读取50 个电子标签。该读写器可以通过串口与上位PC机相连并传输数据。该读写器具有成本低、灵敏度高、IC集成了部分协议，有利于减少编程数量、通信稳定、操作简单等优点，在物流行业的应用前景十分广阔，对RFID 的推广和普及也具有重要意义。
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