UHF讀寫器設(shè)計中的FM0解碼技術(shù)

梁飛，張紅雨，陳友平

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731）

RFID（radio frequency identification）技術(shù)是指以識別和數(shù)據(jù)交換為目的，利用感應(yīng)、無線電波或微波進(jìn)行非接觸雙向通信的自動識別技術(shù)，利用這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對所有物理對象的追蹤和管理[1-2]。2006年EPC global（全球產(chǎn)品電子代碼管理中心）納入ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，批準(zhǔn)了新標(biāo)準(zhǔn)EPC Gen2，用于900 MHz左右的UHF的RFID技術(shù)規(guī)范[3]，現(xiàn)在被我國作為第1類第2代UHF RFID 860 MHz-960 MHz通信協(xié)議。UHF頻段RFID系統(tǒng)具有讀寫速度快、存儲容量大、識別距離遠(yuǎn)、成本低、尺寸小等特點(diǎn)，更適合未來物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用，也為實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供可能。因此超高頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展是當(dāng)今RFID系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)[4]。這里所提出的UHF讀寫器是基于EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的，閱讀器對標(biāo)簽的讀寫是通過發(fā)送射頻能量和對回波檢測來實(shí)現(xiàn)的，其中由標(biāo)簽返回給閱讀器數(shù)據(jù)發(fā)送采用FM0編碼格式。

1 FM0編碼原理

FM0（即Bi-Phase Space）編碼的全稱為雙相間隔碼編碼。在一個位窗內(nèi)采用電平變化表示邏輯。如果電平從位窗的起始處翻轉(zhuǎn)，則表示邏輯“1”。如果電平除了在位窗的起始處翻轉(zhuǎn)，還在位窗中間翻轉(zhuǎn)則表示邏輯“0”。根據(jù)FM0編碼的規(guī)則可以發(fā)現(xiàn)無論傳送的數(shù)據(jù)是0還是1，在位窗的起始處都需要發(fā)生跳變[5]，如圖1所示。

圖1 FM0編碼示意圖Fig.1 Schematic dragram of FM0 decoding

根據(jù)EPC Gen2協(xié)議規(guī)定，從標(biāo)簽接收到的數(shù)據(jù)都是FM0編碼格式，是以前同步碼開始的，前同步由2部分構(gòu)成：前12個前導(dǎo)零與之后的6位特定位。需要注意的是在前同步碼中有1位發(fā)生了偏移（即應(yīng)發(fā)生相轉(zhuǎn)化但實(shí)際上沒有），表示為“V”，用于區(qū)分前同步碼與數(shù)據(jù)碼，前同步碼之后為收到的數(shù)據(jù)[6-7]，如圖2所示。

圖2 FM0前同步碼Fig.2 FM0 preamble code

2 UHF讀寫器讀寫原理

根據(jù)EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)，該UHF讀寫器屬于半雙工通信，遵循讀寫器先發(fā)言（RTF）原則，即標(biāo)簽是否需要返回信號建立在有沒有接收到并正確解調(diào)出讀寫器發(fā)來的指令。系統(tǒng)開始工作時，先由讀寫器通過射頻模塊進(jìn)行調(diào)制，發(fā)出一系列的讀標(biāo)簽指令，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器響應(yīng)區(qū)域時，接收到射頻能量，開始解調(diào)讀寫器的指令，只有正確得到讀指令后，標(biāo)簽才會將自己的ID信息等數(shù)據(jù)通過反向散射方式回發(fā)給讀寫器。讀寫器將收到的反向散射信號解調(diào)成基帶信號之后再送到處理器中進(jìn)行解碼處理[8]。

標(biāo)簽主要由射頻接口（天線、數(shù)據(jù)調(diào)制、解調(diào)、電源電路）、控制邏輯及EEPROM存儲器3個模塊構(gòu)成，調(diào)制解調(diào)模塊完成對發(fā)送接收信號的調(diào)制解調(diào)，能量檢測電路通過天線線圈接收到電壓后給控制中心提供穩(wěn)定的電壓?？刂七壿嬘蓻_突檢測、讀寫控制、存取控制、EEPROM接口控制和RF接口控制部分組成，主要負(fù)責(zé)處理與外部通信協(xié)議和與讀寫EEPROM[9]。

采用高性能的ARM7的LPC2103進(jìn)行解碼，采用12 MHz外部晶振，該芯片可內(nèi)部倍頻，內(nèi)部時鐘工作在60 MHz的頻率上，完全滿足高速下的解碼需求。LPC2103有2個32位的捕獲比較器，具有多達(dá)7路捕獲通道。采用LPC2103的定時器T0和相應(yīng)的捕獲引腳，在輸入信號發(fā)生上跳變或者下跳變時捕獲定時器值，并產(chǎn)生中斷將該定時器值取出進(jìn)行判斷，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖Fig.3 System block diagram

3 FM0解碼

根據(jù)FM0解碼的特點(diǎn)，目前常見的解碼方法是：根據(jù)起始處的上升沿或下降沿以及位窗中的采樣點(diǎn)來判斷出此位窗所表示的數(shù)據(jù)。設(shè)定一個位窗時間長度為T，1）位窗起始處為下降沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數(shù)據(jù)“0”，采樣為0則位窗表示數(shù)據(jù)“1”；2）位窗起始處為上升沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數(shù)據(jù)“1”，采樣為0則位窗表示數(shù)據(jù)“0”[10]。

這種方法的缺點(diǎn)很明顯。因?yàn)閁HF頻段頻率很高，當(dāng)在接收過程中會出現(xiàn)頻率偏移的情況時，會造成位寬時間T較大的變化，而程序仍以固定的時間間隔3/4T去解碼，所以每次都會發(fā)生一定的偏移，根據(jù)協(xié)議，UHF讀寫器將接收到標(biāo)簽傳送過來的1個128字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣在解碼過程中，將出現(xiàn)累積偏移過多導(dǎo)致漏讀或多讀情況，從而產(chǎn)生誤判。

通過讀寫器命令設(shè)置，可以使標(biāo)簽返回數(shù)據(jù)采用160 Kb/s的速率[7]，在FM0碼相鄰兩個邊沿之間的間隔只可能有3種情況：0.5T、T、1.5T。在12 MHz的外部時鐘下，“0”的高半位寬“H”和低半位寬“H”為3.125 μs，捕獲出的定時器計數(shù)值為0x25左右，記為0.5T；收到1個“0”或者1個“1”的位寬為6.25 μs，捕獲出的定時器計數(shù)值為0x4B左右，記為T；在前同步碼中，“V”的位寬為9.375 μs，捕獲出的定時器計數(shù)值為0x70左右，記為1.5T。解碼流程圖如圖4所示。

圖4 解碼流程圖Fig.4 Flow chart of decoding

根據(jù)FM0碼特點(diǎn)，當(dāng)捕獲到一個“H”或者“L”時，要判斷這個0.5T是“0”的前半位還是后半位。是前半位時，要等待下一個0.5T結(jié)合成1個“0”；是后半位時，要與之前剩余的半位結(jié)合成“0”。捕獲到1個T寬度的數(shù)據(jù)時，則記為“1”。

在進(jìn)行對接收到的FM0碼解碼時，因?yàn)闆]有同步信號，所以必須要先對數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，也就是要先解碼到連續(xù)的12個“0”與之后的1010V1前同步碼數(shù)據(jù)[7]，才能對后面真正需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。在解前同步碼時，前12個“0”按照2個0.5T組成1個“0”的原則，要有連續(xù)的24個0.5T出現(xiàn)才會進(jìn)行下面的解碼，不然就會返回重新開始統(tǒng)計12個“0”。在之后解碼1010V1時，要注意一個特殊的位“V”，當(dāng)捕獲到一個1.5T寬度的數(shù)據(jù)時，才記為“V”；在此期間，只要解碼出一位有錯誤，則返回重新開始統(tǒng)計12個“0”。只有前同步碼全部正確解出時，才能進(jìn)行對需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，依據(jù)捕獲到的寬度是0.5T還是1T來判斷是“0”的半位還是一個完整的“1”。

在EPC Gen2使用中，根據(jù)讀寫器發(fā)送命令的不同，標(biāo)簽返回的FM0碼里或者存在CRC5，或者存在CRC16，或者沒有校驗(yàn)，有CRC的碼在解碼完成后都要進(jìn)行CRC校驗(yàn)。當(dāng)檢測到結(jié)束位時，CRC校驗(yàn)正確，則本次通信正常，可以進(jìn)行下一步的通信。

在實(shí)際運(yùn)用中，讀寫器接收回路上會出現(xiàn)發(fā)送回路泄露過來的很多雜波信號以及一些毛刺，會有連續(xù)多個“0”出現(xiàn)，會形成連續(xù)的24個寬度為0.5T的間隔，可能會誤判成前同步碼開始，但后續(xù)的前同步碼解碼過程在出現(xiàn)1.5T寬的“V”時會出錯，在進(jìn)行校驗(yàn)或檢測停止位時也可能會出現(xiàn)錯誤，這時也要重新搜索前同步碼。

4 結(jié)束語

在UHF讀寫器設(shè)計中，關(guān)鍵問題就是對接收到的解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確解碼，既要解決信號頻率的偏移，也要能在高速通信過程中，快速正確解碼，采用這種解碼方法可以在對FM0碼捕獲位寬的同時進(jìn)行同步解碼，速度比較快，而且由于對載波頻率的變化不敏感，故讀卡成功率高。

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