超高頻RFID讀寫器設(shè)計

肖菊蘭，張紅雨

（電子科技大學(xué) 電工學(xué)院，四川 成都 610054）

射頻身份識別（RFID,Radio Frequency Identification），是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它主要由讀寫器和標(biāo)簽組成，具有讀寫距離遠(yuǎn)、使用壽命高、讀寫方便、快捷等優(yōu)點。隨著RFID技術(shù)的深入研究，RFID系列電子產(chǎn)品逐漸應(yīng)用到千家萬戶，UHF是超高頻段，此頻段讀寫器讀寫距離遠(yuǎn)、讀寫速度快，已應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理、航空管理和后勤管理等行業(yè)。

本文介紹一種UHF頻段的RFID讀寫器設(shè)計，單片機采用飛利浦的LPC2103，設(shè)計簡單，基于ISO/IEC 18000-6C協(xié)議，可以做到多標(biāo)簽環(huán)境下成功識別標(biāo)簽并與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本文對協(xié)議做了大體介紹，闡述了整個系統(tǒng)設(shè)計的硬件架構(gòu)，重點介紹了軟件設(shè)計中的數(shù)據(jù)基帶處理部分，對防碰撞部分、脈沖間隔編碼（PIE編碼）和雙向間隔解碼（FM0解碼）做了詳細(xì)介紹。

1 ISO/IEC 18000-6C協(xié)議

1.1 ISO/IEC 18000-6C協(xié)議簡介

ISO/IEC 18000是基于物品管理的射頻識別（RFID）的國際標(biāo)準(zhǔn)，按工作頻率的不同分為7部分，第6部分頻率為860～930 MHz[1]，即 UHF頻段。 ISO/IEC 18000-6系列標(biāo)準(zhǔn)包括了 ISO/IEC 18000-6A，ISO/IEC 18000-6B 和 ISO/IEC 18000-6C三種類型，6B主要應(yīng)用于交通領(lǐng)域，6C主要應(yīng)用于物流、生產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域。由于生產(chǎn)銷售的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過B類，C類有逐步替代B類的趨勢，成為目前RFID研究的熱點[2]。

ISO/IEC 18000-6C協(xié)議規(guī)定了讀寫器與標(biāo)簽的物理和邏輯要求，采用讀寫器先發(fā)言的形式。表1為此規(guī)定的讀寫器和標(biāo)簽通信部分參數(shù)。

讀寫器與標(biāo)簽通信過程中讀寫器的狀態(tài)分為Select、Inventory和Access 3個狀態(tài)，而標(biāo)簽狀態(tài)則分為Ready、Arbitrate、Reply 等 7 個狀態(tài)[3]。

1.2 防碰撞算法

ISO/IEC 18000-6C協(xié)議采用隨機槽時隙防碰撞算法，標(biāo)簽用槽計數(shù)器值決定與讀寫器通信與否，讀寫器用QueryRep來設(shè)置標(biāo)簽槽時隙計數(shù)器的值，用QueryAdjust設(shè)置Q值大小，從而決定標(biāo)簽槽時隙計數(shù)器的范圍，圖1為選擇Q值的算法。

表1 讀寫器與標(biāo)簽通信主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of communication between reader and tag

圖1 Q值選擇算法流程Fig.1 The process of Q's value selection algorithm

圖1中參數(shù)Q、Qfp和C均為正整數(shù)，信息幀長度為F=2^Q-1,Q是動態(tài)變化的，初值取round（Qfp）。一個時隙后，若該時隙是沖突時隙，則將Qfp加上參數(shù)C；若是空閑時隙，則將Qfp減去參數(shù)C；若是成功時隙，則Qfp保持不變。閱讀器根據(jù)新的Q=round（Qfp）來決定是繼續(xù)發(fā)送下一個時隙還是重新開啟一個新的幀[4]。

2 讀寫器硬件設(shè)計

讀寫器射頻前端設(shè)計中發(fā)射通路采用射頻芯片，接收通路采用I、Q相干解調(diào)[5]，利用兩級放大器和比較器，其系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of system hardware design

依據(jù)協(xié)議，擬定了此設(shè)計中讀寫器與標(biāo)簽通信的主要參數(shù)，如表2所示。

表2 設(shè)計中讀寫器與標(biāo)簽通信的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of communication between reader and tag of the design

為保證能夠達(dá)到預(yù)期通信參數(shù)，設(shè)計選用飛利浦的LPC2103，此芯片價格便宜，帶串口，資源非常豐富，具有8 K RAM，32 K Flash，32 bit和 16 bit的定時器，30 個可用 I/O口，時鐘頻率最高可達(dá)70 MHz。

射頻發(fā)送芯片選用SI4031，此芯片是一款可編程的鎖相環(huán)芯片，低功耗，支持FSK、GFSK和OOK調(diào)制，數(shù)據(jù)率為1～128 Kb/s，可以通過數(shù)字編程控制其輸出頻率，在240～930 MHz的頻率范圍內(nèi)的跳頻操作。接收回路采用相關(guān)解調(diào)，并用分離元件搭建解調(diào)電路，I、Q兩路返回信息依次經(jīng)過惰性電路、濾波電路，再經(jīng)過兩級具有恒流源補償?shù)牟罘址糯箅娐穂5]，最后經(jīng)過比較器，完成解調(diào)。微處理器和發(fā)送通路部分電路分別如圖3和圖4所示。

3 讀寫器軟件設(shè)計

3.1 數(shù)字基帶處理模塊

數(shù)字基帶處理模塊是整個軟件設(shè)計的核心，它包括編解碼、數(shù)據(jù)分析、防碰撞等部分，數(shù)字基帶處理部分基本框圖如圖5所示。

3.2 讀寫器防碰撞流程

數(shù)字基帶處理部分中，防碰撞部分是重中之重，也是整個讀寫器設(shè)計的關(guān)鍵部分。此設(shè)計中采用隨機槽時隙仲裁防碰撞算法，解決了讀寫器在多標(biāo)簽環(huán)境下無法識別標(biāo)簽的問題，圖6為讀寫器防碰撞大體流程。

3.3 讀寫器PIE編碼設(shè)計

PIE（Pulse interval encoding）編碼，即脈沖間隔編碼，通過定義脈沖下降沿之間的不同時間寬度來表示數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)中定義一個名稱為“Tari”的時間間隔，也成為基準(zhǔn)時間間隔，該時間段為相鄰兩個脈沖下降沿的時間寬度，持續(xù)時間為25 μs。此設(shè)計中數(shù)據(jù)0和1的PIE編碼與“Tari”時間按段的關(guān)系如表3所示。設(shè)計中使用定時器進(jìn)行較精確的PIE編碼[6]。

PIE編碼過程：首先設(shè)置編碼邏輯，即定時器中的值大于等于T時輸出為1，小于T時為輸出0，然后等待編碼信號來臨。在編碼信號來臨后，從FIFO中取數(shù)據(jù)，如果為0，則設(shè)置定時器值為2T，時鐘每來一次做自減運算；數(shù)據(jù)為1時則設(shè)置定時器中的值為4T，時鐘每來一次做自減運算。

圖3 微處理器電路Fig.3 MCU circuit

圖4 發(fā)送電路Fig.4 Send circuit

圖5 數(shù)字基帶處理部分基本框圖Fig.5 Basic block diagram of digital baseband

3.4 讀寫器解碼設(shè)計

FM0（Bi-Phase Space）解碼，即雙相間隔解碼，工作原理是在一個位窗內(nèi)采用電平變化來表示邏輯。如果電平只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”，如圖7所示。一個位窗的持續(xù)時間是25 μs。

圖6 讀寫器防碰撞大體流程Fig.6 Main process of reader anti_collision

表3 數(shù)據(jù)0和1與“Tari”的關(guān)系Tab.3 Relation of data 0 and 1 with“Tari”

圖7 FM0解碼示意圖Fig.7 Sketch map of FM0 decode

FM0解碼大體過程：首先讀寫器同時對I和Q兩路信號進(jìn)行采樣，利用狀態(tài)機檢測返回幀頭的正確性，讀寫器根據(jù)幀頭的正確性來決定對I或Q路信號進(jìn)行解碼。針對FM0編碼的特點可知，F(xiàn)M0每個數(shù)據(jù)單元的起始處發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由此可以根據(jù)起始處的上升沿或下降沿以及位窗中的采樣點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，一種情況是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”；另一種情況是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”[7]。

4 結(jié)束語

本文中設(shè)計主芯片采用LPC2103與Si4031，硬件電路簡單易于實現(xiàn)；基于ISO/IEC 18000-6C，利用防碰撞算法設(shè)計實現(xiàn)了UHF頻段讀寫器在多標(biāo)簽環(huán)境下順利與標(biāo)簽進(jìn)行通信，增強了讀寫器的讀寫性能；最后通過簡單分析，介紹了PIE編碼和FM0解碼的過程。

[1] 劉宏偉,李成.ISO/IEC 18000-6C簡析[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2007（7）：17-20.LIU Hong-wei，LI Cheng.ISO/IEC 18000-6C sketch and analyse[J].Information Technology&Standardization，2007（7）：17-20.

[2] 林曦,王敬超,張春.符合ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的 UHF RFID 讀寫器設(shè)計[J].半導(dǎo)體技術(shù),2008,33（9）:817-820.LIN Xi,WANG Jing-chao,ZHANG Chun.Design of an UHF RFID interrogator based on ISO/IEC 18000-6C[J].Semiconductor Technology,2008,33（9）:817-820.

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[5] 余堯.超高頻RFID射頻前端的研究與設(shè)計[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.

[6] 單承贛,梁華東,焦宗東.ISO18000-6中的FM0編碼和PIE編碼的編碼技術(shù)[C]//亞太射頻識別技術(shù)協(xié)會.國際RFID技術(shù)高峰論壇會論文集，2006:10-12.

[7] 王海峰，王敬超，張春，等.一種超高頻RFID讀寫器設(shè)計[J].微計算機信息,2008,24（8）:233-235.WANG Hai-feng,WANG Jing-chao,ZHANG Chun，et al.Design of an UHF RFID Interrogator[J].Control&Automation,2008,24（8）:233-235.