超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器設計

文章出處：http://m.overnightmodel.com 作者：張曉鵬，朱云龍，羅海波   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月15日

    引 言 

    射頻識別(RFID，RadioFrequency Iden tiFication) 技術是一種新興的自動識別技術。它是利用無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，以達到目標識別并交換數(shù)據(jù)的目的?？捎脕砀櫤凸芾韼缀跛械奈锢韺ο?，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理、防偽及軍事等眾多領域都有廣泛的應用前景。按照工作頻段的不同，RFID系統(tǒng)還可以分為低頻(135kHz以下)、高頻(13. 56MHz)、超高頻( 860～960MHz) 和微波( 2. 4GHz以上) 等幾類。目前大多數(shù)RFID系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng)，但超高頻(UHF) 頻段的RFID系統(tǒng)具有操作距離遠、通訊速度快、成本低、尺寸小等優(yōu)點，更適合未來物流、供應鏈領域的應用，也為實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供了可能。因此超高頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展是當前RFID系統(tǒng)發(fā)展的重點。本文介紹了符合ISO1800026標準的超高頻RFID電子標簽主要特點、結構、工作原理及讀寫方法，提出了相應讀寫器的解決方案，重點闡述了讀寫器的硬件設計及軟件程序流程。實際應用結果表明該讀寫器具有以下特點：讀寫速度快(單個標簽64bit/6ms)、識別率高，識別距離遠(≥4m)。

    標簽工作原理及特性

    工作原理

    RFID系統(tǒng)一般由讀寫器和標簽(或稱應答器、電子標簽、智能標簽) 及天線組成。本文采用某公司的UCODEHSL標簽，符合ISO18000-4與ISO18000-6標準，本身無電源，靠讀寫器的射頻場獲得能源，采用負載調(diào)制方式，工作頻段為UHF或2. 45GHz。工作原理如圖1所示。

    PC機通過RS232接口遠程控制讀寫器。讀寫器接到命令后，通過天線發(fā)送射頻命令實現(xiàn)對標簽的操作，同時接收標簽返回的數(shù)據(jù)。標簽靠其偶極子天線獲得能量，并由芯片( IC) 控制接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1：工作原理

    IC結構

    標簽IC主要由模擬、數(shù)據(jù)處理及EEPROM三個模塊構成，如圖2所示。

圖2：標簽IC結構

    模擬RF接口模塊為IC提供穩(wěn)定電壓，并將獲得的數(shù)據(jù)解調(diào)后供數(shù)據(jù)模塊處理，同時將數(shù)據(jù)調(diào)制后返回給讀寫器。數(shù)字處理模塊包括狀態(tài)轉換機、讀寫協(xié)議執(zhí)行、與EEPROM的數(shù)據(jù)交換處理等功能。

    存儲特性

    標簽內(nèi)置2048bit的EEPROM，分成64塊(block) ，每塊32bit。其中8byte為ID存儲空間，216byte為用戶存儲空間。每字節(jié)都有相應的鎖定位，該位被置“1”就不能再被改變?？梢酝ㄟ^LOCK命令將其鎖定，通過Query locK(查詢鎖定) 命令讀取鎖定位的狀態(tài)，鎖定位不允許被復位。Byte0～7被鎖定，為標簽的標識碼(Unique ID)。64bitUID包含50bit的獨立的串號，12bit的邊界碼和一個兩位的校驗碼。Byte 8～219是未鎖定空間，供用戶使用。Byte 220～223也是未鎖定的，作為寫操作完畢的標志bit或者用戶空間。

    標簽的讀寫

    命令格式
    讀寫器的命令格式
    讀寫器的命令格式如下：

    幀頭探測段是一個至少持續(xù)400Ls的穩(wěn)定無調(diào)制載波(相當于16bit數(shù)據(jù)的傳輸) ；幀頭是9bit的NRZ格式的manchester“O”，即：010101010101010101；開始符是用來標記有效數(shù)據(jù)，原返回率采用5位的開始符(1100111010) ，4倍返回率采用開始符(11011100101) ；CRC采用16bit的CRC編碼。

    標簽的應答格式
    標簽的應答格式如下： 

    靜默是標簽持續(xù)2byte 的無反向散射(40kb/s的速率下相當于400Ls的持續(xù)時間) ；返回幀頭是：“00000101010101010101000110110001”；CRC采用16bit的CRC編碼。

    防沖突機制

    充電后的IC有三種主要數(shù)字狀態(tài)：準備(READY，初始狀態(tài)) ；識別( ID，標簽期望讀寫器識別的狀態(tài)) ；數(shù)據(jù)交換(DATE EXCHANGE，標簽已被識別狀態(tài))。

圖3：狀態(tài)轉換圖

    首先，標簽進入讀寫器的射頻場，從無電狀態(tài)進入準備狀態(tài)。讀寫器通過“組選擇”和“取消選擇”命令來選擇工作范圍內(nèi)處于準備狀態(tài)中所有或者部分的標簽，來參與沖突判斷過程。為解決沖突判斷問題，標簽內(nèi)部有兩個裝置：一個8bit的計數(shù)器；一個0或1的隨機數(shù)發(fā)生器。標簽進入ID狀態(tài)的同時把它的內(nèi)部計數(shù)器清“0”。它們中的一部分可以通過接345第3期張曉鵬，朱云龍等：超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器設計收“取消”命令重新回到準備狀態(tài)，其它處在識別狀態(tài)的標簽進入沖突判斷過程。被選中的標簽開始進行下面循環(huán)：

    ① 所有處于ID狀態(tài)并且內(nèi)部計數(shù)器為0的標簽將發(fā)送它們的UID。

    ②如果多于一個的標簽發(fā)送，讀寫器將發(fā)送失敗命令。

    ③ 所有收到失敗命令且內(nèi)部計數(shù)器不等于0的標簽將其計數(shù)器加1。收到失敗命令且內(nèi)部計數(shù)器等于0的標簽(剛剛發(fā)送過應答的標簽) 將產(chǎn)生一個“1”或“0”的隨機數(shù)，如果是“1”，它將自己的計數(shù)器加1；如果是“0”，就保持計數(shù)器為0并且再次發(fā)送它們的UID。

    ④如果有一個以上的標簽發(fā)送，將重復第2步操作；

    ⑤如果所有標簽都隨機選擇了“1”，則讀寫器收不到任何應答，它將發(fā)送成功命令，所有應答器的計數(shù)器減1，然后計數(shù)器等于0的應答器開始發(fā)送，接著重復第2步操作；

    ⑥如果只有一個標簽發(fā)送并且它的UID被正確接收，讀寫器將發(fā)送包含UID的數(shù)據(jù)讀命令，標簽正確接收該條命令后將進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，接著將發(fā)送它的數(shù)據(jù)。讀寫器將發(fā)送成功命令，使處于ID狀態(tài)的標簽的計數(shù)器減1；

    ⑦如果只有一個標簽的計數(shù)器等于1并且返回應答，則重復第5和第6步操作；如果有一個以上的標簽返回應答，則重復第2步操作；

    ⑧如果只有一個標簽返回應答，并且它的UID沒有被正確接收，讀寫器將發(fā)送一個重發(fā)命令。如果UID被正確接收，則重復第5步操作。如果UID被重復幾次的接收(這個次數(shù)可以基于系統(tǒng)所希望的錯誤處理標準來設定) ，就假定有一個以上的標簽在應答，重復第2步操作。

    系統(tǒng)硬件構成

    本系統(tǒng)選用W 77E58單片機作為主控模塊，與發(fā)射模塊和接收模塊、串口通信模塊共同構成射頻標簽的讀寫系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理如圖1中讀寫器部分所示。

    主控模塊

    主控模塊選擇W INBOND公司的W 77E58，它是一款高速、高集成、增強型內(nèi)核為8051的高性能單片機；內(nèi)置32kbit可重復編程的Flash EPROM，1kbit用MOV指令訪問的內(nèi)部SRAM(節(jié)省了16條數(shù)據(jù)/地址I/O口線) ，以及2個增強型全雙工串行口。使用W 77E58的系統(tǒng)速度要比傳統(tǒng)51系列單片機快2. 5倍左右。工作頻率為40MHz的W 77E58相當于100MHz左右的8051。

    發(fā)射模塊

    發(fā)射模塊由射頻調(diào)制/發(fā)射芯片和功率放大芯片組成。其原理如圖4所示。調(diào)制/發(fā)射芯片選用MotorolA公司的MC33493，它是由鎖相環(huán)調(diào)諧的UHF頻段調(diào)制/發(fā)射芯片，采用OOK或FSK調(diào)制，具有集成的VCO、環(huán)路濾波器、可調(diào)的輸出功率，工作頻段可選擇315～434或868～928MHz。工作頻段由BAND(3) 管腳控制、調(diào)制方式則由MODE (14) 管腳設定。RFOUT(10) 管腳的輸出頻率F(oUt) = F(Y1)×[Ratio] (PLL )。

圖4：發(fā)射模塊

    本設計中BAND(3) 管腳置低電平，選用868～928MHz的頻段；工作頻率設定在915MHz，f(Y1) = 915MHz/64= 14. 297MHz；MODE (14) 管腳置低電平，采用OOK調(diào)制方式；DATACL K(1)、DATA(2)、ENABL E (13) 管腳分別為時鐘、數(shù)據(jù)輸入和芯片工作開關，由單片機來控制。

    為了提高系統(tǒng)的發(fā)射功率，本設計選用了RFMicroDevice 公司的RF2132功率放大芯片對MC33493輸出的射頻信號進行功率放大；RF2132是一種高功率、高效率的線性放大器，具有29dBm的線性輸出功率。

    接收模塊

    接收模塊由射頻接收/解調(diào)芯片和信號放大芯片組成。原理如圖5所示。射頻接收/解調(diào)芯片選用MotorolA公司的MC33593，它是一種由鎖相環(huán)調(diào)諧的UHF頻段低功率射頻接收/解調(diào)芯片，工作頻帶在868～928MHz，中頻帶寬為500kHz，采用OOK或FSK調(diào)制，由DMDAT(13) 管腳設定。具有集成的VCO、環(huán)路濾波器。

    本設計中DMDAT(13) 管腳置低電平，采用OOK調(diào)制。晶體振蕩器的頻率選擇與MC33493相同。系統(tǒng)時鐘(11)、數(shù)據(jù)接口(15、16) 及輸入控制開關(14) 由單片機控制。

    為了提高系統(tǒng)的接收靈敏度，本設計在天線和射頻接收/解調(diào)器之間增加了一套射頻信號放大電路，主要由RF2173組成，其功能是用于對天線接收到的射頻信號進行放大，以提高MC33593輸入射頻信號的信號強度；RF2173具有最大32dB的增益。

圖5：接收模塊

    串口通信模塊

    讀寫器采用RS232接口與計算機通信，電平轉換芯片用ICL232。通過該接口計算機向讀寫器發(fā)送讀、寫標簽等命令，讀寫器可把結果回送給計算機。

    系統(tǒng)軟件設計

    主程序

    由于系統(tǒng)在PC機的監(jiān)控下工作，兩者之間為主從通信方式。主控模塊上電完成正常初始化過程后，便進入等待狀態(tài)，等PC機發(fā)來指令。當接收到PC機指令后，轉去處理相應的程序。處理完畢后執(zhí)行結果信息返回PC機。主程序框圖如圖6所示。

圖6：接收模塊

    防沖突程序 

    在讀寫器天線所覆蓋的范圍之內(nèi)有多個標簽存在時，讀寫器發(fā)送命令后，會引起響應沖突，從而導致通信失敗。當讀寫器檢測到?jīng)_突后，可使用命令來處理存在的沖突。通過發(fā)送命令可以記錄讀寫器天線覆蓋范圍內(nèi)的標簽的UID，然后利用UID的唯一性，讀寫器和各個標簽分別建立獨立的通道進行通信，從而消除沖突。讀寫器首先發(fā)送命令給標簽，在命令的數(shù)據(jù)域和參數(shù)域中分別包含UID的掩碼和掩碼的長度，傳送給標簽的掩碼要求是整字節(jié)，如果此掩碼不是整字節(jié)的話將自動在高位補零。通過設置標志域的相應標志位，讀寫器可以設置接收標簽響應的時隙為3或6，在各時隙中，讀寫器都可以接收標簽返回的UID，讀寫器通過發(fā)送結束信號的UID和當前時隙序號的最低4bit加命令數(shù)據(jù)域中的掩碼進行比較，如果不匹配則無應答，如果匹配將送回自己的UID。在某一時隙可能出現(xiàn)多個標簽同時做出響應，這時讀寫器要記下沖突的標簽掩碼和時隙計數(shù)器的值，以做進一步?jīng)_突處理。流程圖如圖7。

圖7：接收模塊

    結束語

    本文設計的超高頻射頻識別讀寫器能夠讀寫UCODE HSL 系列多種標簽，讀寫速度最快(從單個標簽上平均讀取64bit，耗時不超過6ms每多取32bit耗時累加1ms；每單個標簽上平均寫入32bit，耗時不超過25ms每多寫入32bit耗時累加25ms) ，讀寫距離(≥4m) ，有效地解決了多標簽防沖撞問題，此超高頻射頻識別系統(tǒng)尤其適用于物流、供應鏈領域。