基于物流倉儲管理的RFID讀寫器設計
文章出處：http://hz-huyue.com 作者：語馨 收編 人氣： 發表時間：2011年10月21日
RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術是一種利用無線射頻通信實現遠距離識別的非接觸自動識別技術。與現代物流領域普遍使用的條碼技術相比，它在讀寫距離、保密性、智能化、環境適應能力以及使用壽命方面都有顯著的優勢。
目前，世界范圍內針對RFID的物流應用存在兩種編碼體系，一種是日本UID(Ubiquitous ID)中心提出的UID編碼體系，另一種是美國EPC(Electronic Production Code，電子產品代碼)環球協會提出的EPC電子產品編碼標準。這兩種標準在所使用的無線頻段、信息位數和應用領域等方面都有所不同。而我國還沒有自己正式的標準，但是有關RFID在900MHz頻段應用的電磁檢測工作已經基本完成，我國最為關心的是I
SOl8000~6標準。本質上EPC標準和 IS018000并不矛盾，對于物流應用，EPC標準則更為完善。
另外，對于物流應用來說，成本是企業最關心的問題。在滿足需要的前提下，選擇最低成本是首當其沖的。UHF(915MHz)射頻工作距離大概在10m左右，已經能夠滿足物流應用的需求，而且成本要比微波段低得多。特別是UHF射頻允許采用相對較小的方向性天線，這將使讀寫器的輻射波束定向到一個特定的區域，這種特點使讀寫器能夠抵御來自于其他讀寫器或發射機的潛在干擾。
鑒于上述情況，為了促進RFID系統在我國物流倉儲管理領域的大規模應用，本文提出了一種基于物流倉儲管理應用的讀寫器設計方法。該讀寫器的設計參照 EPC標準，采用915MHz工作頻率，以某公司的RFID標簽芯片的讀寫為目標，電路設計簡單，應用靈活，生產成本低廉。
1 標簽功能簡介
本設計所采用的標簽為工作在860MHz～960MHz的長距離無源標簽，符合IS018000-6標準，工作距離可達8.4m(具體視天線情況而定)，尤其適用于美國物流供應鏈管理和后勤保障系統。該標簽主要有如下特點：
(1)通過RF前端的模擬電路將天線接收能量部分轉化為電量，為內部電路供電。
(2)內部包含有16位CRC(循環冗余校驗)編碼，具有很高的數據完整性。
(3)擁有快速防沖突機制，運用自身防沖突算法實現了真正的內部沖突判斷以及防沖突。
(4)采用64位EPC編碼，且內部包含216字節用戶自定義存儲空間。
當標簽進入RF區域后，標簽被激活。如果RF區域信號強度達到標簽工作能量的需要，則標簽進入準備工作狀態，等待接收讀寫器發送的指令。標簽接收以及發送的數據都將經過CRC進行差錯校驗。同時，還通過曼徹斯特編碼以及FM0編碼對數據進行進一步的保護，以此來保證數據的安全性。讀寫器通過外部命令結合標簽內部防沖突算法來實現多個標簽數據的同時讀取與寫入。
2 RFID讀寫器設計
2．1 硬件設計
RFID讀寫器應用在倉儲管理中，除完成簡單的射頻信號收發處理之外，還需要連接上層倉庫管理系統(Warehouse Management System，WMS)，將接收到的標簽信息傳送到WMs中，以便于系統完成倉庫的入庫、盤點、出庫管理等操作。同時，將物品的貨位等信息通過WMS寫入物品標簽。所以讀寫器總體結構包括四個模塊：接收/發送模塊、控制模塊、對外接口模塊和供電管理模塊。射頻電路的發送和接收模塊均由射頻信號形成和信號處理兩個單元組成，射頻功率放大器對已形成的射頻信號進行功率放大，線性放大器對所接收到的射頻信號進行線性放大。所選芯片如表1所示。
在射頻電路設計中，防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，是非常重要的環節。要選擇介電常數公差小的基材，并對電路的射頻部分和數字部分進行分塊處理。射頻部分應盡量使用SMT(表帖式)元件，減少過孔，并在表面加接地金屬屏蔽層。各模塊具體設計如下所述。
．1 接收/發送模塊
接收/發送模塊功能框圖如圖1所示。收/發及調制解調芯片選用TI公司的TRF6901，功率放大芯片選用Freescale半導體器件公司的 MW4IC915GMBR1芯片，線性信號放大芯片選用RF微器件公司的RF2132。TRF6901芯片內部集成了完整的射頻接收和發送電路，可以組成一個半雙工射頻收發電路。其工作頻率可以通過編程進行微調，頻率范圍為860MHz~930MHz。MW4IC915是為GSM應用而設計的一款寬頻帶功率放大芯片，它采用了Freeseale公司最新的大電壓LDMOSIC技術，可以工作在750MHz～1000MHz頻段內，線性性能幾乎覆蓋整個應用頻段。RF2132是砷化鎵異質結器件(HBT)，能夠很好地滿足射頻電路對放大功率、效率以及供電電壓的要求。
本設計中各芯片工作頻率為915MHz。TRF6901調制方式為OOK，這可通過將內部B寄存器第4位置零來實現。
TRF6901將所需發送信號通過 PA引腳送至MW4IC915的REIN引腳，對信號進行功率放大之后，由天線發射出去；天線接收來的信號通過RF2132對其進行線性信號放大，之后進 TRF6901的LNA引腳，由TRF6901對接收信號進行處理，完成讀寫器前端的數據交換任務。
2．1．2 對外接口模塊
圖2所示的對外接口模塊為電平轉換電路，主要器件為ICL232。ICL232芯片完成讀寫器內部TTL電平與RS-232電平的轉換，通過連接標準9針串口與外部計算機連接。它是一款符合EIA RS-232標準和V28規范的雙向RS-232發送，接收接口芯片，負責完成電路的TTL/CMOS電平到標準串口電平的轉換，并能通過滯后改善數據接收的噪聲抑制。引腳l與3之間接1μF電容，引腳2通過1μF電容接5V電源，三個引腳構成+5V電平到+1OV電平的轉換電路；引腳4與5之間接1μF 電容，引腳6通過lμF電容接地，三個引腳構成+IOV電平到-10V電平的轉換電路。
2．1．3 控制模塊
控制模塊結構如圖3所示。讀寫器內部控制任務主要由W77E58芯片完成，它是一款兼容8051的8位CMOS快速MCU。同8051相比，它減少了機器指令執行時間以及存儲周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持無外部存儲元件的片上1KBSRAM，節約了更多的I/O引腳。它擁有四個8位I/O端口和一個附加的4位I/O口以及等待狀態控制信號，三個16位定時，計數器，12個兩中斷優先級的中斷源，兩個加強型全雙工串行通信端口以及可編程看門狗定時器；只需外加復位、晶體振蕩電路和供電電路即可。
本設計中，W77E58工作頻率為40MHz。它的P1口連接TRF6901各個控制引腳，完成對收發芯片的控制并提供數據傳輸所需時鐘信號等；串口1連接TRF6901的數據收發端，實現數據的串行通信。MCU串口0連接芯片ICL232，通過異步通信完成數據傳輸，只要設定W77E58串口1工作在方式l，選擇與計算機同樣的波特率即可。該部分設計主要集中在程序設計部分，將Pl口當作普通I/O口用即可。
2．1．4 供電管理模塊
供電管理模塊電路原理圖如圖4所示。LM317T是一個三端電壓調節裝置，通過改變可變電阻R6的值，可提供1.2V～37V的供電電壓。同時提供IC負載過電保護。供電管理模塊電路的輸入端與輸出端均并聯一個適合于濾除低頻噪聲的鉭電容和一個適合于濾除高頻噪聲的獨石電容，以提高電源的品質。
2．2 軟件設計
讀寫器軟件設計主要包括主程序設計和標簽讀寫防沖突程序設計兩部分。
2．2．1 主程序設計
讀寫器應用在物流儲管理中，需要連接上層WMS系統，所以讀寫器工作在PC機監控之下，PC機與讀寫器以主從方式通信。如圖5所示，本設計中由于收發芯片內部工作方式通過外部引腳連接MCU對內部寄存器編程進行控制，所以主程序中還包含工作方式修改程序，提高了讀寫器應用的靈活性；同時還包括RSSI (信號強度檢測)，大大改善了讀取數據的正確性。MCU在完成了正常的上電復位以及初始化過程之后，PC機提示用戶是否要進行內部工作方式設定及修改，如果需要，則轉去處理工作方式修改程序，否則MCU進入準備工作狀態，準備接收PC機發送的相關執行指令。MCU接收到指令后轉去處理相關程序。處理完畢，返回結果信息并再次進入等待狀態。
．2．2 防沖突程序設計
防沖突程序設計是讀寫器程序設計中的一個重要組成部分。當讀寫器進入工作狀態時，在其天線覆蓋范圍內的所有標簽將被激活，處于等待狀態，隨時準備響應讀寫器指令操作，這就造成了標簽讀寫沖突。為了解決這一問題。標簽內部設計了自帶防沖突機制，只需利用相關的指令集輔助設計一種防沖突程序即可。防沖突程序流程圖如圖6所示。當處于激話狀態的標簽接收到讀寫器SELECT命令時，便發送自身UID給讀寫器。此時如果有一個以上的標簽同時發送UID，則讀寫器翔定沖突發生，發送FAIL命令給標簽，標簽通過內部防沖突算法對自身相關參數值進行修改。之后，符合條件的標簽將再次發送UID給讀寫器，由讀寫器判定沖突，重復上述操作，直到只有一個標簽符合條件，則跳出防沖突程序，進入標簽后續處理程序，同時，剩余標簽自動修改自身相關數值，為下一次讀取做準備；如果此時沒有符合條件的標簽，則讀寫器發送SUCCESS命令，標簽修改自身參數，等待讀寫器檢測命令。
本文在深入分析當前RFID系統在物流倉儲管理領域應用背景的基礎上，提出了一種基于物流倉儲管理的讀寫器設計方法。該讀寫器設計簡單，應用靈活，生產成本低廉。今后將在實際的物流倉儲管理中應用該讀寫器，并針對實際應用中出現的讀寫速度、距離、保密性等方面的一些問題，對讀寫器設計做進一步的改進，以使其總體性能有大幅度的提高，促進RFID系統在我國物流倉儲管理領域的大規模應用。
