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UHFRFID 篇1

近年来,无线通信技术得到了迅速发展。射频识别RFID(Radio Frequency Identification)作为一种新兴的自动化识别技术已经广泛应用于物流管理、门禁管理等多个领域,有广泛的应用前景和巨大的市场价值。其基本原理是利用射频信号的反射传输,实现读写器与标签之间的通信[1]。

一个典型的RFID系统包括读写器、标签、后台计算机等[2],功率放大器是RFID系统的最后一级,它负责将基带电路传送来的调制信号放大,然后通过天线发射出去。由于功率放大器存在非线性失真等非理想因素,而且是系统中功耗最大的器件,故必须仔细设计,以免影响发射信号质量。

目前功率放大器市场上较为流行的工艺是砷化镓(Ga As)工艺,它具有良好的高频特性,但价格昂贵。随着便携式设备的广泛应用,低压、低成本、高效率IC(Integrated Circuit)成为技术研究的重点。现今CMOS工艺的截止频率能达到100 GHz以上,显示了良好的高频特性。而其工艺简单、价格便宜、易于与其他模块集成的特点,也使得CMOS功率放大器得到了广泛的研究和应用,现在已经有研究人员设计了60 GHz的功率放大器[3,4]。

本文采用台积电的CMOS工艺(TSMC0.18rf),实现了一款用于RFID读写器的功率放大器,工作频段为902 MHz~928 MHz。系统采用幅移键控调制方式(ASK),为了保证线性度,同时兼顾效率,故放大器工作在AB类。功率放大器饱和输出功率为17.8 d Bm,功率附加效率达到了40%,输出1 d B压缩点为15.4 d Bm,小信号增益28.7 d B。

2电路设计

本文描述的功率放大器如图1所示。

由于单级放大不能提供足够大的增益,故采用两级放大结构以保证输出功率;为了保证功率放大器的线性度与效率,第一级偏置在A类,第二级工作在AB类。两级放大器的工作电源Vdd都是1.8 V。第一级MOS管上串联的电阻R1和电容C2能够提高功率放大器低频下的稳定性[5];L1、C1、Cd1构成输入匹配网络,其中Cd1也起隔直电容的作用;Cd2、L2、C4、C5构成输出匹配网络,用于抑制高次谐波分量,同时将天线负载转换为输出级最佳匹配负载;L3、L4分别是第一级和第二级的源级键合线;RFC1和RFC2分别是第一级和第二级的扼流圈RFC(RF Choke)。

深亚微米工艺下,MOS管的击穿电压值低。由于AB类功率放大器工作时的漏极电压可达2倍电源电压,容易使得MOS栅漏极电压超过击穿电压,所以,为了防止MOS管被击穿,第二级采用共源共栅(Cascode)结构。同时,由于Cascode结构的隔离作用,能够增加前后级的隔离度,进而增加功率放大器的稳定性。

3 版图设计

在Cadence Virtuoso环境下设计了版图,版图尺寸为760μm×450μm。在版图设计时,需要注意以下问题:

(1)由于功率放大器饱和工作时,流经放大级的电流比较大,因此必须要考虑源极、漏极金属走线的宽度。在TSMC 0.18rf工艺下,M1-M5的电流(DC)能力为1 m A/μm(110℃)。因此在设计第二级时,需要采用多个MOS管并联的方式以增加源极、漏极金属宽度,防止因电流过大而造成金属熔断。

(2)在功率放大器中,MOS管源极键合线(bond-wire)严重影响了输出功率的大小,同时由于产生的源极反馈会对功率放大器的稳定性产生影响,所以必须尽量减小键合线电感量。通过增加PAD数量,使多根键合线并联,这样可以显著地减小寄生电感量。排版时应尽量让地线和电源线交叉平行,相同信号线垂直走向,这样有利于减小走线之间的互感。

(3)由于功率放大器的干扰信号能够通过衬底严重影响LNA等其他电路模块,因此在版图设计时一定要添加足够的保护环,以减小对其他模块的影响[6,7]。并且,由于功率放大器是最大热源,在系统版图设计时,需要注意功放模块与其他差分对模块之间的距离,以减小由于受热不均而造成的失配。

(4)功率放大器第一级和第二级的接地点要有足够的距离,这样能够减少两级之间的串扰,从而进一步减小键合线的影响[8]。

4 前后仿真结果对比与讨论

对版图提取寄生参数的后仿真结果如图2所示。在915 MHz处,输出饱和功率为19 d Bm,输入1 d B压缩点-13.6 d Bm,输出1 d B压缩点17.6 d Bm,功率增益为31 d B,1 d B压缩点功率附加效率PAE为38%;输入驻波比S11=-19 d B,输出端由于采用最大功率匹配,所以S22=-5.7 d B。同时K因子大于2,Bf因子也大于0,显示了良好的稳定性。

造成后仿真结果变差的原因主要是走线寄生电阻、电感等改变了管子的偏置状态,导致电流减小,放大能力减弱,同时也造成了输出匹配点的变化。为了解决偏置电流减小的问题,可以增加偏置电流的控制电路,以调节偏置电流大小,补偿由于寄生参数造成的损失。在集成系统中,可以通过数字部分控制多个电流源开关,从而达到控制偏置电流的目的。由于片内电感Q值太低,所以将匹配网络放在芯片外部,同时方便调谐。

在系统应用中,由于采用单端结构,所以在功率放大器前需要有一个差分转单端D2S(Differential to Single)的模块将混频器(Mixer)送过来的差分信号转换成单端信号。但D2S的线性度比较差,会影响整体的线性度,同时由于单端放大器对偶次谐波没有抑制作用,故有干扰信号通过衬底影响其他模块。因此,在实际应用中,采用差分放大器、内部集成巴伦(Balun)或者使用外部巴伦是较为常见的使用形式。

5 流片测试结果

投片并绑定后,用Agilent E5071C网络分析仪和N9010A频谱分析仪进行测试。调整匹配网络后的测试结果如图3所示。

从测试结果看出,输入输出端口在915 MHz附近达到了很好的匹配效果,其中S11=-18 d B,S22=-20 d B,如图(a)所示。同时测得功率放大器在915 MHz有饱和输出功率17.8 d Bm,小信号功率增益为28.7 d B。输入1 d B压缩点为-12.4 d Bm,输出1d B压缩点为15.4 d Bm,如图(b)和图(c)所示。在功率放大器饱和输出时,电流源提供的直流电流为82 m A,求得饱和时的功率附加效率为40%。

功率增益、PAE等与后仿真有较大恶化,原因在于绑定线、寄生电阻等会消耗电压余度。PCB版图绘制不佳,也会造成功率放大器性能恶化。

参考文献

[1]EPC Radio-Frequency Identity Protocols:class-1 Genera-tion-2 UHF RFID,Protocol for Communications at860 MHz～960 MHz,Version 1.0.9,2005(1).

[2]Daniel Mark Dobkin.The RF in RFID:Passive UHF RFIDin Practice[M].Newnes,2007.

[3]COHEN E.60 GHz 45 nm PA for linear OFDM signal withpredistortion correction achieving 6.1%PAE and-28 dBEVM[C].//Radio Frequency Integrated Circuits Symposium,2009:35-38.

[4]RACZKOWSKI K.50-to-67 GHz ESD-Protected poweramplifiers in digital 45 nm LP CMOS[C].//InternationalSolid State Circuits Conference,2009:382-384.

[5]Steve C.C.RF power amplifiers for wireless communications[M].London,Artech House,2002.

[6]Li R.Key issues in RF/RFIC circuit design[M].Peking:High Education Press,2007(6).

[7]KANG J,YOON J.A highly linear and efficient differentialCMOS power amplifier with harmonic control[J].IEEE J.Solid-State Circuits,vol.41,no.6:1314-1322,2006(6).

UHFRFID 篇2

随着网络、通信和信息安全等技术的发展,射频识别(RFID)技术及其应用系统被应用于自动识别物品、获取相关数据,已被广泛应用于社会的各行各业。以其特有的优势,成为21世纪最有发展前途的信息技术之一[1]。物流业在电子商务及计算机网络技术的带领下,已经作为一个朝阳产业正在崛起,并成为社会“第三利润源泉”[2]。在激烈的市场竞争中,配送活动的及时性和服务优质化,以及仓储管理信息化等方面的要求越来越高。在满足商务服务高质量的同时,还需要考虑物流成本的最小化,尤其要求针对医药配送具有多品种、小批量和多批次等业务特点,与此同时,医药配送的及时性与否,直接关系到人的生命安危。因此,如何利用信息技术为医药物流打造一个快速、准确、及时、便捷的配送服务极为重要。近年来超高频段(UHF)RFID技术的深入研究为医药物流配送服务提供了技术保障[3]。

1 RFID技术分析

无线射频识别技术RFID是一种利用射频通信实现非接触式数据传输的技术,通常在RFID芯片中配有小容量的数据存储空间,与RFID读写器配合使用,具有通信双向性及自动识别的特性。按照工作频率的不同,RFID 标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波(uwave)等不同种类。通过射频信号,它能够被用于目标对象的自动识别并获取相关数据。目前国际上采用的四种频率所对应的波段分别为低频(125KHz)、高频(13.54MHz)、超高频(850MHz～910MFz)和微波(2.45GHz)[4]。各频段的RFID 技术的应用状况各有不同,其中超高频段的RFID技术是当前国际上的研究热点,它具有识别距离远、识别速度快和使用寿命长等优点,受到生产、交通、物流等应用领域的青睐。随着物联网技术及物流业的迅速发展,UHF RFID技术得以广泛应用,相应产业迅速发展,据统计,2009年UHF的应用占RFID的17.5%,2010年增加到了27.3%[5]。

2 实现原理

2.1 RFID的基本组成部分

一般来说,一个RFID系统至少包含三部分,分别是天线(Antenna)、RFID标签(Tag)和读写器(Reader)。天线用于在读写器和标签间传递射频信号[6]。标签是附着在物体上被用于标识目标对象,每个标签具有唯一的电子编码,由芯片及耦合元件组成。读写器用于读取标签信息的设备,可设计为固定式或手持式。

2.2 空中接口协议

标签与读写器之间的通信,必须要遵循一定的规范,即空中接口协议。在物理层和媒体接入控制MAC(Media Access Control)层中,数据通信在协议的规范下有序进行。在物理层中,包含数据的帧结构定义,调制/解调,编码/解码,链路时序等, MAC 层包含链路时序,交互流程, 防碰撞算法及安全加密算法等。当前超高频RFID 空中接口协议主要是EPC协议[6]。

2.3 RFID技术的基本工作原理

RFID技术的基本原理是通过微波照射到标签之后,反射回波,反射回波里加载了标签芯片的信息,而信息加载过程也是由标签芯片实现的。其具体工作过程为:读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号,当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流,并获得能量被激活,标签通过调整其天线的反射系数对读写器作出响应,将向后散射信号反射回读写器[7]。标签可以看作一个有限状态机,它包括休眠、待命、识别ID、读写数据等几种状态,而其状态的改变依据是读写器发送的指令。具体如图1所示。

当读写器在开启后,发射一段860MHz—910MHz频率范围的载波信号,激活在有效距离范围内的标签。标签通过阅读器的RF电磁场获得工作电源能量,并通过反向散射调制射频载波的幅度来响应读写器发送的指令,其指令包含带调制的命令信息,标签在得到指令后,通过芯片解调出信号指令,执行指令。读写器在发送完带调制的命令信息后,转而发送未调制的载波信号,提供为标签供电、为标签后向散射信号提供载波或为零中频接收机提供本振等功能。

读写器在获取标签的信息后,将信息进行解码,通过串口将数据传递到后端数据存储处理模块,通过网络发送到服务器,实现具有电子标签物品与应用系统之间的无缝连接。

读写器获取标签信息的过程中,遵循了EPC协议规范,在链路时序中,协议规定了读写器发送的不同指令以及请求与响应之间的时间间隔。协议规范了数据帧结构,指定反向数据速率,编码方式等。此外,信号调制方式也是协议规范的范畴, 阅读器使用DSB-ASK,SSB -ASK,或者PR-ASK 调制方式与标签进行通信,标签能够对三种调制类型进行解调[8]。

3 RFID技术在医药物流仓储管理中的实现

仓储管理是医药物流中的一个重要环节,主要包含药品的入库管理、库存管理及出库管理等。在入库管理过程中,首先,系统指示操作员去识别接收的药品和数量,通过无线手持设备,随时查看跟踪药品的仓库库存,或者操作员设备上的药品和数量。这一步包括了药品的整理以及药品数据与收货单信息的比较。此后,系统根据预先定义好的上架规则,选出最优的仓位,指示操作员将药品上架。对于出货处理流程,出货系统处理出货资料,系统依照出货的要求为装货计划、提货、发运等处理流程提供合适的资料。所以这些处理流程,都是通过无线通信的方式,应用RFID技术实现。在入库出库环节可以利用RFID portal系统实现批量的入库出库数据采集与确认工作,不仅大大提高作业效率,还可以提高物流中心的信息化层次。RFID技术的应用,替代了之前的单据作业,作业数据信息在无线环境下实时上传与系统共享,提高作业效率的同时提高作业的准确性,基本实现电子化仓储管理操作。

具体实现流程如图2所示。

工作过程如下:

1) 在配置中心的出口和入口处建立一个RFID快速通道,实现库房高效管理、进出货物高速自动记录,形成一个完整的基于RFID自动识别技术的管理系统。

2) 由于UHF的RFID是非触摸式,以RFID卡片读卡器及电子标签之间的通信及能量感应方式,以反向散射耦合,雷达原理模型,发射出去的电磁波,碰到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规律。因此需要在出入口处建立一个RFID区域,当带有UHF的医药标签传送到此区域时,RFID读卡器可以批量、动态、透明地实时采集,并且不拆包装把物品信息记录下来[9]。

3) 由于RFID读卡器发射一特定频率的无线电波能量给UHF标签,驱动标签电路将内部的数据送出,此时读卡器依序接收解读数据送到网关节点,网关可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。

4) 管理系统的应用程序收到了网关传输的数据后做出相应的处理,如图3所示。

图3所示 RFID物流管理系统设计的具体管理与控制概述如下:

首先,传送与控制。在各传输区域设置分流口,用于整件药品及拆包后的药品的货物分流,在分流口前,在主线上设有RFID区域,当带有标签箱子经过区域,采集到上面的数据,自动跟随箱子前进,在分流前主线及分流口的支线上皆设有光电物位检测传感器,当箱子到达系统分流口时自动判断,该箱标签信息是否符合去该分路,如果是,启动斜轮分流装置将该箱子送向分流支路;如果不是,继续将该箱子在主线上送向下一分流口,以此类推,自动进行分流控制。当箱子的标签不清或者脱落等读取异常时,或不属于本次分流的箱子,本系统将该箱子自动送向主线末端剔除,以便人工处理。

其次,监控与管理,监控系统是连接物流管理及控制系统的枢纽,对整个输送系统各设备运行状态进行全方位的监控,并提供各种操作接口,方便操作员对相关设备进行控制,一方面可与底层运行设备进行实时通信,采集设备运行的各项数据,监控设备的状态。另一方面与客户现有物流管理系统做系统接口,从WMS和WCS系统接收任务信息,根据上层管理系统的数字信息进行逻辑判断,确定物流周转箱及产品的物流路向,并且将分路信息下发给指定的物流设备,指挥设备按照正确的路线执行。

系统部分程序代码如下:

static void Main()

{ Application.Run(new UHF());}

…

{public partial class UHF : Form //系统接口初始化

{ public UHF()

{ InitializeComponent();

sp1.Open();

leddriver = CreateFile(″LED1:″, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, IntPtr.Zero, OPEN_EXISTING, 0, IntPtr.Zero);

DeviceIoControl(leddriver, IO_CTL_RFID_UHF_ON, null, 0, null, 0, 0, IntPtr.Zero);

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)

{ if (button1.Text == ″开始读取″)

{ m = 0;

button1.Text = ″结束″;

timer1.Enabled = true; }

else

{ button1.Text = ″开始读取″;

timer1.Enabled = false; }

} int m = 0;

private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)

{ string str = ZHTO16(write16(dm(″20020000″), sp1));

if (str.Length>=88&&str.Substring(0, 28)== ″426567696E20526F756E642E0D0A″)

{ m = 0;

textBox1.Text = ZHTOAC(ZH16(str.Substring(30, 56))); }

else {

m++; if (m > 10)

{ textBox1.Text = ″Count: Fre:. M″; m = 0;…

以上代码,主要实现了指示灯的初始化以及对设备的读取控制。

4 应用测试

本文对该RFID 系统进行了测试,把带有UHF标签药品靠近UHF读卡器,打开RFID演示软件右上角的“开始读取”,由于该标签库里注册了胰岛素,因此,此时在RFID演示软件上可以看到,成功扫描胰岛素。如图4所示。

5 结 语

以信息流控制、跟踪、引导物流是现代化物流管理的重要特征和手段,物流配送的质量、速度和准确度如何,成为制约物流管理和物流信息化的重要环节。通过将无线网络与终端技术结合,应用RFID 技术,实现作业效率准确率提高、员工负荷减少、数据实时等特点,与制药企业的商品仓储现实有机结合,实现了对药品仓储操作的可靠管理、信息的实时记录,实现了人与物、设备、系统的相连,提高医药物流管理的及时性、准确性、快速性。

摘要：结合无线物联网技术,充分利用射频通信实现的非接触式数据采集技术对物流配送中的药品进行识别记录,以提高物流配送的效率和准确度。结合医药物流仓储管理的特殊性,提出应用RFID技术对医药仓储过程进行管理,实现使用基于UHF频段的RFID技术在仓储中心现有系统的应用,保证数据的完整性,优化内部业务流程,提高了配送中心的敏捷化及物流中心的信息化层次。

关键词：UHF,RFID,医药物流,物联网,系统

参考文献

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[6]王英.UHF频段RFID读写器研究与实现[D].合肥:合肥工业大学,2010.

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