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多网共存平台的切换单元设计
王宇佳，李书芳**
作者简介：王宇佳（1986-），男，无，无线通信
通信联系人：李书芳（1960-），女，教授，无线通信
（北京邮电大学 信息与通信工程学院）
5 摘要：对于 RFID 读写器多网共存环境下性能测试平台中所使用的射频切换单元，传统方法
上使用的往往是依赖于手动连接切换射频链路，使用手动连接的方式切换射频链路测试时间
长，且易带来人为的失误以及测试结果的低重复性。本文主要目的是为测试 RFID 读写器多
网共存环境下性能测试平台提供一种切换速度快、可靠性高、抗干扰能力强、控制方法简便
的射频单元，避免由于使用分离器件手动测试的方法以及使用标准程控开关单元等方法所带10
来的相应缺点。
关键词：射频识别；射频单元；多网共存
中图分类号：
The design of RF switch unit used in Coexistence of 15
multi-platform of RFID
WANG Yujia, LI Shufang
(Beijing University of Post and Telecommunication)
Abstract: For RFID reader in the coexistence of multiple networks environment testing platform,
the traditional method is often dependent on the manual switch to connect the RF link, using the 20
manual way to switch the radio link connection test need a long time and easily to bring human
errors, and test results is low paper aims to provide a RF switch unit of high
switching speed, high reliability , simple control method to RFID reader in coexistence network
performance testing platform . Avoiding the method of manually using separation test device and
the use of standard methods such as program-controlled switching unit. 25
Key words: RFID radio frequency unit multiple networks coexist
0 引言
射频识别(RFID)作为无线领域新崛起的一项应用技术，已被广泛应用于工业自动化、商
业自动化、交通运输管理等众多领域。UHF 频段的 RFID 系统以射频信号实现信息传播为主，30
射频信号进入空间会对其他无线网络的通信质量和传输可靠性产生影响。而对 RFID 系统来
说，其他通信网络的空间射频信号也会引入干扰，引起误码率升高，从而影响数据读取的准
确性。为了保证 RFID 网络能够有效地运转，且不对同频段和相邻频段的其他无线通信系统
产生可分辨的干扰，必须进行干扰的评估与协调。
2007 年 4 月，信息产业部发布《800／900MHz 射频识别(RFID)技术应用规定(试行)》[1]，35
在该文件中将 RFID 技术的具体使用频率规定为 840-845MHz 和 920-925MHz。从我国的实
际情况看，在 900MHz 频段上，GSM900MHz 系统采用的是 GMSK 的调制方式，对射频信
号引入的干扰较为敏感。那么在 GSM 和 RFID 两个无线网络重叠的情况下，两个系统之间
的相互干扰就成为用户能否具有一个良好的移动通信的通话质量和RFID系统能否稳定高效
地完成物品识别的关键因素[2][3]。 40
近年来，有关 RFID 技术的研究和应用发展迅速，目前主要侧重于研究 RFID 系统在不
同应用环境中的性能问题[4][5]，对于涉及 RFID 数据通信的一些基本问题研究较少。因此，
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对于目前 RFID 技术的研究，本论文的研究内容是对国内外射频测试系统的一项填补[6]。
1 切换单元功能及开发意义
对于 RFID 读写器多网共存环境下性能测试平台中所使用的射频切换单元，传统方法上45
使用的往往是依赖于手动连接切换射频链路，或者是使用设备供应商如 Agilent、R&S 等公
司所生产的标准程控开关单元;使用手动连接的方式切换射频链路测试时间长，且易带来人
为的失误以及测试结果的低重复性;使用标准的程控开关单元来组建 WCDMA/GSM 终端的
射频切换单元，其缺点是系统复杂程度过高同时投入资金巨大，使测试成本居高不下。因此，
鉴于上述缺点，提供一种切换速度快、可靠性高、抗干扰能力强、控制方法简便的用于 RFID50
读写器多网共存环境下性能测试平台的射频单元是十分必要的，从而避免由于使用分离器件
手动测试的方法以及使用标准程控开关单元等方法所带来的相应缺点。
本次课题的选择紧紧抓住专业方向，并结合实际应用，充分吸收国内外文献中所介绍的
自动测试系统设计经验，并严格按照国家标准以及国际相关标准的要求，完成 RFID 设备终
端多网共存环境下射频切换单元的设计和实现，以满足 RFID 读写器在多网共存环境下完成55
性能测试的需求。结合实验室开发的自动监测系统软件，形成一套类型覆盖全、测试迅速便
捷，并具有良好可复用性的自动测试平台。
2 切换单元的实现
切换单元是射频识别多网共存平台的核心部分，射频切换单元的性能直接影响到整个测
试系统的关键性能，如测试的准确性，一致性，测试系统的可靠性、易维护程度等等。高适60
应性超宽带开关矩阵作为射频切换单元的核心显得尤为重要。但由于射频切换单元通常需要
工作在微波频段，使得高适应性超宽带射频开关矩阵的设计和制造成为射频系统集成的难点
所在。
切换单元的设计具有如下几个显著的优点：
1）完全符合多网共存平台的设备测试要求的测试通路的实现。 65
2）通过器件的选择和优化，通路的匹配和隔离考虑来降低测试不确定度。
3）按照测试要求引入制定的信号，降低了测试的复杂度。
4）模块化的设计，能够比较好的应对未来可能发生的系统功能的增加、对不同频段测
试任务的支持等扩展要求。
切换单元外观设计 70
本切换单元主要由输入输出设备射频端口、射频同轴开关、环形器、衰减器、放大器、
耦合器、合路器以及控制电路板组成，各器件之间通过半刚性射频同轴电缆连接，使用内置
24V 直流电源模块供电，控制电路板通过 RS232 通讯接口接收由装有控制软件的 PC 机发送
的控制指令来控制内部各开关的闭合状态，同时向 PC 机反馈相应指令以确认开关闭合状态
是否正确。通过对各个射频开关闭合状态的控制实现各测试链路的搭建，以及不同测试链路75
之间的快速切换。切换单元的外部版面设计如图 1 和图 2 所示。
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图 1 切换单元正面图
Fig. 1 Switch Unit Front View
80
图 2 切换单元背面图
Fig. 2 Switch Unit BackView
切换单元的相应端口要连接不同的设备，以完成多网共存测试系统的测试要求，具体如
下：
1）ReaderOut/ReaderIn:读写器信号的输出/输入端口，连接信号读写器，完成信号的读85
入发送过程。
2）4440：频谱分析仪（Agilent E4440A）端口，通过此接口接收被测设备信号，以完
成相应测试项目的测试。
3）3408：连接泰克 3408 实时频谱分析仪的接口。泰克 3408 实时频谱分析仪是一款新
型高性能 DC-8GHz 实时频谱分析仪，提供了 36MHz 宽的实时触发和捕获功能，其分辨率90
提高了 2000 倍，可以有效分析功率和频率随时间变化情况。通过 RSA3408A，工程师可以
查看以前不知道存在的 RF 信号不稳定性和瞬变。
4）5500out/in：衰落端口。连接的衰落设备可以将干扰信号进行相应的衰落。
5）IE:连接干扰设备端口。可以连接上特定的干扰设备（如手机）。
6）SG:连接信号发生器端口。信号发生器可以提供我们所需频率的干扰信号。 95
切换单元内部结构及切换原理
切换单元的硬件组成及外围端口如图 3 所示：
SG1
5500out1
5500in2
5500out2
5500in1
ReaderOut
ReaderIn
GTEM
3408
4440
IE1
IE3
IE2
S1
1
2
3
1
2
1
1
1
1
1
S2
S3
S4
S6
S15
S9
S11
S13
S14
2
2
2
2
2
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
R2
R3
R4
3合1合路器
单向器2
环形器 放大器2
S12
1
2
3
4
放大器1
1
S5
2
TAG
3dB定向耦合器1
R1
SG2
单向器1
3
1
S7
2
4
10dB定向耦合器
衰减器2
衰减器1
1
S10
2
衰减器3
20dB定向耦合器
1
S8
2
R6
R7
2合1合路器
图 3切换单元原理图 100
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Fig. 3 Switching unit schematic
PC 机发送的控制指令通过 RS232 通讯接口传送到控制电路板，进而控制切换单元内部
各开关的闭合状态。通过对各个射频开关闭合状态的控制实现各测试链路的搭建，以及不同
测试链路之间的快速切换。各个开关的开闭，起到了不同的作用，本切换单元的基本原理如
下所述。 105
开关 S1 是本切换单元的核心开关，它控制的四条链路是分别可以实现不同功能的四条
链路，如当接通 S11 时，读入的标签信号经环形器、定向耦合器的端口 3 输出至 S11，从而
仪表可以直接测定读入信号。S2 只是起到选择不同测试仪表的功能。开关 S3 起到选择不同
的信号（包括读写器信号，SG2 的干扰信号，IE2 的干扰信号）传送给衰减器，S11 决定是
否将 S3 输出信号引入衰落器，之后传送给 3 合 1 合路器。而 SG1 和 IE1 的信号通 S15 的选110
择让其进入衰减直至进入 3 合 1 合路器。IE3 信号通过 S9 与 S10 配合使用决定是否将其引
入衰减，再输出给 3 合 1 合路器。这样 3 合 1 合路器通过不同开关（S4、S6、S8）的开闭
可以引入不同路的干扰信号，从而输出不同的干扰信号。再将干扰信号通过 S14，以决定是
否将其放大，再经过 20dB 定向耦合器，将信号分配给 S1 一部分，可以让仪表只测定干扰
信号的情况。20dB 定向耦合器的另一路输出分配给 2 合 1 合路器，再经 2 合 1 合路器的另115
一端输入为读写器的读出信号，这样 2 合 1 合路器就起到了将读出信号引入干扰的目的，再
通过 S7 的选择，以决定是否将其直接测定或者再混入标签信号后测定。
3 控制电路板的设计
由于切换单元的开光采用的是压控开关，如何快速控制其开闭是很重要的任务。基于以
上需要，我使用 protel2004 开发了切换单元控制电路板。控制电路板可以说是切换单元的核120
心部件，它的性能好坏直接决定了整个切换单元的切换速度，稳定度。因此控件电路板的合
理设计及其关键。
以下各小节主要描述了控制电路板的几大组成部分，阐述了控制电路板的主要工作原
理。
控制电路板芯片 125
本控制电路板的核心部分主要应用 MSP430 芯片，本电路主要使用了该芯片的 I/O 和数
字串口功能，即接收外部指令后，经过内部程序的运行判断，相应的 I/O 管脚输出电平，从
而使向相应的控制单元输出高电压。MSP430 管脚上留有与 JTAG 接口相连接的端口，芯片
的运行程序可以通过 JTAG 接口拷入 MSP430。如图 4 所示：
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图 4 MSP430原理图
Fig. 4 MSP430 schematic
供电部分设计
由于整个电路的输入只有一个 24V 的 power，要想将其降到 5V，需要将三个稳压芯片
串联，这样可以将电压降到 5V，直至 。 135
电路图如图 5 所示。
图 5 控制电路板电源部分的原理图
Fig. 5 The power part of the circuit board schematics
Power 经图中右边的外部电源相连接的端口输入电路，后经 LM7812 电压降到 12V，再140
经 LM7808 电压降到 8V，再经 LM7805,电压降到 5V，这时电路提供了 5V 的电压。5V 电
压再进入 LM1117 电压降为 。5V 网络再给 LED 电源指示灯供电，这样整个电路板的
供电部分设计完毕。
控制单元部分设计
控制电路板的最终目的是要控制切换单元的开关的开闭，但由于单片机管脚的输出电压145
达不到射频开关开闭所需电压，所以我们要将其进行电平转换，以达到我们所需要的 24V
电平。这就是控制单元的设计目的。本控制电路板由 20 个控制单元组成，所以控制电路板
的设计上限是可以同时控制 20 个开关。
控制单元的主要是由 MIC5207 与一个继电器组成。
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1 端为使能端，即如果 MIC5207 导通，使能端输入高电平，就可使继电器导通。6、11、150
16 接地，8、9 端接导通后的输出电压，导通后可以将 4、13 端输出 24V 电压 。如图 6 所
示：
图 6 控制单元原理图
Fig. 6 Control unit schematic 155
4 结论
本文给出了RFID读写器多网共存环境下性能测试平台中所使用的射频切换单元的设计
方法，该设计方法可广泛应用于其他平台下的射频切换单元的设计，在自动化测试系统领域
具有广泛的指导意义。
[参考文献] (References)160
[1] 工信部，工信部无[2007]205 号.关于发布 800/900 频段射频识别(RFID)技术应用试行规定的通知，2007
[2] Hong W J，Kan R T，Li S Compatibility of UHF-RFID to GSM[J].2007 4th International
Symposium on Electromagnetic Compatibility ：63-66
[3] 洪卫军,李书芳．UHF 频段 RFID 系统与其它无线网络的电磁兼容性研究[J].中兴通讯.：11-13.
[4] 郑平标，侯海永．RFID 技术在仓储管理系统中的应用[J]．现代物流，2005：12 165
[5] Peter Nemeth,Lajos Tom,lamas RFID in supply chains[C]， ICM 2006 IEEE 3rd
International Conference 011 Mechatronics，2006：263
[6] 宋起柱. RFID 技术及电磁兼容性研究[J]. 中国无线电. 2005：12
