超高頻射頻識別系統讀寫器設計

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：張曉鵬，朱云龍，羅海波   人氣： 發表時間：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據通信，以達到目標識別并交換數據的目的。可用來跟蹤和管理幾乎所有的物理對象，在工業自動化、商業自動化、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RFID系統為低頻和高頻系統，但超高頻(UHF) 頻段的RFID系統具有操作距離遠、通訊速度快、成本低、尺寸小等優點，更適合未來物流、供應鏈領域的應用，也為實現“物聯網”提供了可能。因此超高頻RFID系統的發展是當前RFID系統發展的重點。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，通過天線發送射頻命令實現對標簽的操作，同時接收標簽返回的數據。標簽靠其偶極子天線獲得能量，并由芯片( IC) 控制接收、發送數據。

圖1：工作原理

    IC結構

    標簽IC主要由模擬、數據處理及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提供穩定電壓，并將獲得的數據解調后供數據模塊處理，同時將數據調制后返回給讀寫器。數字處理模塊包括狀態轉換機、讀寫協議執行、與EEPROM的數據交換處理等功能。

    存儲特性

    標簽內置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。每字節都有相應的鎖定位，該位被置“1”就不能再被改變。可以通過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，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400Ls的穩定無調制載波(相當于16bit數據的傳輸) ；幀頭是9bit的NRZ格式的manchester“O”，即：010101010101010101；開始符是用來標記有效數據，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2byte 的無反向散射(40kb/s的速率下相當于400Ls的持續時間) ；返回幀頭是：“00000101010101010101000110110001”；CRC采用16bit的CRC編碼。

    防沖突機制

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

圖3：狀態轉換圖

    首先，標簽進入讀寫器的射頻場，從無電狀態進入準備狀態。讀寫器通過“組選擇”和“取消選擇”命令來選擇工作范圍內處于準備狀態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，標簽內部有兩個裝置：一個8bit的計數器；一個0或1的隨機數發生器。標簽進入ID狀態的同時把它的內部計數器清“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讀寫器設計收“取消”命令重新回到準備狀態，其它處在識別狀態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：

    ① 所有處于ID狀態并且內部計數器為0的標簽將發送它們的UID。

    ②如果多于一個的標簽發送，讀寫器將發送失敗命令。

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

    ④如果有一個以上的標簽發送，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，它將發送成功命令，所有應答器的計數器減1，然后計數器等于0的應答器開始發送，接著重復第2步操作；

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

    ⑦如果只有一個標簽的計數器等于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，讀寫器將發送一個重發命令。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(這個次數可以基于系統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。

    系統硬件構成

    本系統選用W 77E58單片機作為主控模塊，與發射模塊和接收模塊、串口通信模塊共同構成射頻標簽的讀寫系統。系統硬件原理如圖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、增強型內核為8051的高性能單片機；內置32kbit可重復編程的Flash EPROM，1kbit用MOV指令訪問的內部SRAM(節省了16條數據/地址I/O口線) ，以及2個增強型全雙工串行口。使用W 77E58的系統速度要比傳統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。

    發射模塊

    發射模塊由射頻調制/發射芯片和功率放大芯片組成。其原理如圖4所示。調制/發射芯片選用MotorolA公司的MC33493，它是由鎖相環調諧的UHF頻段調制/發射芯片，采用OOK或FSK調制，具有集成的VCO、環路濾波器、可調的輸出功率，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調制方式；DATACL K(1)、DATA(2)、ENABL E (13) 管腳分別為時鐘、數據輸入和芯片工作開關，由單片機來控制。

    為了提高系統的發射功率，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/解調芯片和信號放大芯片組成。原理如圖5所示。射頻接收/解調芯片選用MotorolA公司的MC33593，它是一種由鎖相環調諧的UHF頻段低功率射頻接收/解調芯片，工作頻帶在868～928MHz，中頻帶寬為500kHz，采用OOK或FSK調制，由DMDAT(13) 管腳設定。具有集成的VCO、環路濾波器。

    本設計中DMDAT(13) 管腳置低電平，采用OOK調制。晶體振蕩器的頻率選擇與MC33493相同。系統時鐘(11)、數據接口(15、16) 及輸入控制開關(14) 由單片機控制。

    為了提高系統的接收靈敏度，本設計在天線和射頻接收/解調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送讀、寫標簽等命令，讀寫器可把結果回送給計算機。

    系統軟件設計

    主程序

    由于系統在PC機的監控下工作，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，等PC機發來指令。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有多個標簽存在時，讀寫器發送命令后，會引起響應沖突，從而導致通信失敗。當讀寫器檢測到沖突后，可使用命令來處理存在的沖突。通過發送命令可以記錄讀寫器天線覆蓋范圍內的標簽的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。讀寫器首先發送命令給標簽，在命令的數據域和參數域中分別包含UID的掩碼和掩碼的長度，傳送給標簽的掩碼要求是整字節，如果此掩碼不是整字節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，讀寫器通過發送結束信號的UID和當前時隙序號的最低4bit加命令數據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器的值，以做進一步沖突處理。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尤其適用于物流、供應鏈領域。