一款新型太陽能無線超高頻閱讀器的設(shè)計(jì)

田 野，張紅雨

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

射頻識(shí)別技術(shù)[1]是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)通信的頻段來劃分，可以分成低頻、高頻、超高頻和微波等射頻識(shí)別系統(tǒng)。目前市場上存在的超高頻閱讀器總是擺脫不了與上位機(jī)之間的物理連線，物理連線主要用于供電和數(shù)據(jù)交換，在某些特殊場合，這些物理連線十分不方便，比如工作于戶外的UHF閱讀器。在這樣的背景下，本文基于UHF協(xié)議ISO/IEC18000-6C，結(jié)合太陽能充電技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款太陽能無線UHF閱讀器，它能夠工作于戶外，與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通信。該閱讀器能夠在USB充電和太陽能電池板充電兩者間自由切換，在有可接入電源時(shí)，通過USB充電；沒有可接入電源時(shí)，即在戶外時(shí)，通過太陽能給鋰電池充電。藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)閱讀器與上位機(jī)的無線通信。本文詳細(xì)介紹閱讀器的實(shí)現(xiàn)過程，主要工作有閱讀器模塊的設(shè)計(jì)、電源管理模塊的設(shè)計(jì)、PIE編碼和 Miller序列解碼的軟件實(shí)現(xiàn)、μCOS-II實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作。

1 太陽能無線UHF閱讀器硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 整體框圖設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體框圖

如圖1所示，系統(tǒng)硬件整體框圖由3個(gè)模塊組成：無線通信模塊(藍(lán)牙模塊)、閱讀器模塊和電源管理模塊。藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)閱讀器與上位機(jī)的無線通信，接收上位接發(fā)送的命令，同時(shí)向上位機(jī)傳送讀到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。閱讀器模塊完成命令的PIE編碼和射頻信號(hào)的發(fā)送、標(biāo)簽反射波的解調(diào)和Miller序列的解碼、電池電壓的檢查和掉電喚醒。電源管理模塊主要完成太陽能的采集、USB充電、鋰電池的升壓以及產(chǎn)生電池電壓檢測信號(hào)。

1.2 無線通信模塊

本次設(shè)計(jì)的無線通信模塊采用HC-05串口藍(lán)牙模組[2]，它采用藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。配對(duì)時(shí)電流為30 mA～40 mA，配對(duì)完畢不通信時(shí)電流消耗為2 mA～8 mA，通信時(shí)消耗電流8 mA，通信距離約10 m。藍(lán)牙模塊串口TXD接閱讀器模塊RXD，藍(lán)牙RXD接閱讀器模塊TXD，并接上共地線。

1.3 閱讀器模塊設(shè)計(jì)

閱讀器模塊主要分成兩部分：基帶數(shù)據(jù)處理和射頻信號(hào)收發(fā)。

基帶數(shù)據(jù)處理部分主要完成命令的發(fā)送和標(biāo)簽返回信息的解碼。發(fā)送的命令采用PIE編碼，標(biāo)簽返回信息的編碼格式可以為副載波 FM0基帶或者M(jìn)iller[3]副載波調(diào)制序列。

射頻部分完成基帶信號(hào)的調(diào)制、調(diào)制信號(hào)的發(fā)射、標(biāo)簽反射信號(hào)的解調(diào)和放大。信號(hào)的發(fā)送過程：由RF合成器SI4133產(chǎn)生915 MHz載波，基帶信號(hào)通過 ADI公司的射頻開關(guān)器件ADG198實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)的OOK調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過RF2162實(shí)現(xiàn)功率放大。功放RF2162為發(fā)熱器件，所以在硬件布板時(shí)應(yīng)該處理好RF2162的散熱，軟件設(shè)計(jì)上也要做好RF2162的保護(hù)，讓其工作一段時(shí)間后關(guān)閉一段時(shí)間。放大后的射頻信號(hào)經(jīng)過微帶線完成50 Ω阻抗匹配，由天線發(fā)送出去。

信號(hào)的接收過程：接收電路采用UHF讀寫器解調(diào)電路專利[4]，標(biāo)簽反射信號(hào)經(jīng)過50 Ω微帶線，單端信號(hào)變雙端信號(hào)，如圖2所示，雙端信號(hào)相位相差180°。在接收信號(hào)過程中，一直有載波發(fā)送（給標(biāo)簽提供能量），所以接收信號(hào)和915 MHz載波分成兩路在二極管上實(shí)現(xiàn)混頻解調(diào)，再分別經(jīng)過LC濾波，成為兩路相位差為180°的差分信號(hào)，經(jīng)過差分放大，最后經(jīng)過電壓比較芯片MAX942，解調(diào)出標(biāo)簽返回的FM0或Miller序列。

圖2 閱讀器模塊

本設(shè)計(jì)采用ARM7芯片LPC2138[5]處理基帶信號(hào)。通過調(diào)節(jié)PWM定時(shí)器的輸出波形周期和脈寬實(shí)現(xiàn)PIE波形的產(chǎn)生。通過定時(shí)器0的捕獲通道0捕獲FM0或Miller序列，并配合軟件解碼。

1.4 電源管理模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，閱讀器每天連續(xù)讀卡時(shí)間約為2 h（其余時(shí)間待機(jī)，功耗較低），每小時(shí)功耗為 330 mW，鋰電池充滿一次電需工作10天。因此，選擇6 800 mAH的鋰電池作為儲(chǔ)能裝置。根據(jù)太陽能電池板的工作效率和當(dāng)?shù)靥柟獾恼斩?，選擇10 W的太陽能電池板作為太陽能采集設(shè)備。

電源管理模塊的具體要求為：(1)可以用USB對(duì)電池充電，也可以用太陽能電池板對(duì)電池充電，當(dāng)用USB充電時(shí)，切斷太陽能電池板充電回路。(2)電源管理模塊向外提供穩(wěn)定的+5 V電壓，所以需對(duì)鋰電池進(jìn)行升壓穩(wěn)壓。(3)MCU需時(shí)刻監(jiān)測電池電量，如果電池電量低于一定額度(3 V)，需強(qiáng)制使系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式。(4)當(dāng)電池電壓恢復(fù)到正常值(3.9 V)后，將系統(tǒng)從掉電模式換醒。電源管理模塊電路圖如圖3、圖4所示。

圖3 電源管理模塊a

太陽能充電電路以CN3722[6]為核心，它采用恒定電壓跟蹤法(CVT[7])，能最大效率地利用太陽能。通過電阻RCS設(shè)定恒流充電時(shí)充電電流的大小，本次設(shè)計(jì)恒流充電電流為1 A。該芯片能夠?qū)︿囯姵貙?shí)現(xiàn)三段充電法充電。USB充電芯片采用TP4056，按要求，有USB充電時(shí)，斷開太陽能充電電路，如圖4所示，采用PMOS來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有 USB 充電時(shí)，Q3：Vg=5 V，Vs＜4.2 V(鋰電池最大電壓)，Q3截止。同理，有USB充電時(shí)，Q1也截止，USB為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。由于電池電源不穩(wěn)定，所以還要加上一個(gè)DC-DC升壓電路SP6641B-5，為閱讀器模塊提供穩(wěn)定的5 V輸入電壓。

圖4 電源管理模塊b

LPC的AD0.0引腳接圖4所示的 VADC，引腳 P0.1接OP輸出EINT0，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電池電壓監(jiān)測。當(dāng)電壓低于1.5 V(鋰電池電壓低于 3 V被分壓)時(shí)，設(shè)置 P0.1接收高電平中斷，系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式。而當(dāng)電池電壓高于3.9 V時(shí)，OP的輸出EINT0將輸出高電平，產(chǎn)生EINT0中斷，將系統(tǒng)從掉電模式喚醒。3.9 V和3 V有0.9 V的窗口，從而避免監(jiān)測誤差使系統(tǒng)頻繁地在正常模式和掉電模式間切換。

2 太陽能無線UHF閱讀器軟件設(shè)計(jì)

2.1 PIE編碼和Miller序列解碼

關(guān)于基帶信號(hào)處理，關(guān)鍵是PIE碼的產(chǎn)生和Miller序列的解碼。

根據(jù)ISO18000-6C協(xié)議，Tari為詢問機(jī)向標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)（PIE碼）的基準(zhǔn)時(shí)間間隔，即數(shù)據(jù)0的持續(xù)時(shí)間。PW為Tari時(shí)間間隔中，低電平所持續(xù)的時(shí)間。本設(shè)計(jì)選擇Tari為 6.25 μs，PW 為 3.125 μs。數(shù)據(jù)1的周期為12.5 μs，PW為3.125 μs。為了方便通過PWM產(chǎn)生波形，將數(shù)據(jù)1的波形分成 6.25 μs高電平再加上數(shù)據(jù) 0的波形。LPC2138的 PWM5(引腳P0.21)作為 PWM輸出。寄存器PWMMR0設(shè)置PIE序列周期，PWMMR5設(shè)置下降沿的位置。在PWM中斷處理程序中更新寄存器PWMMR0和PWMMR1的值來產(chǎn)生下一個(gè)PIE序列。

標(biāo)簽發(fā)射回的信息符合FM0編碼規(guī)則：(1)在每位數(shù)據(jù)邊界倒轉(zhuǎn)相位。(2)數(shù)據(jù)0在其中間有一個(gè)相位倒轉(zhuǎn)。一般一個(gè)FM0碼用一個(gè)副載波表示，但有時(shí)為了降低信號(hào)檢測誤碼率，可以用2、4或者8個(gè)副載波表示一個(gè)FM0碼，稱之為Miller副載波調(diào)制技術(shù)。閱讀器發(fā)送query命令時(shí)選擇副載波數(shù)，本設(shè)計(jì)采用M=2。Miller2碼的規(guī)則：每個(gè)數(shù)據(jù)序列用兩個(gè)副載波周期表示，數(shù)據(jù)0的副載波周期不發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)1的副載波周期發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)，兩個(gè)數(shù)據(jù)0邊界要發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)。在本設(shè)計(jì)中將query中的TRext位設(shè)為1，這樣每次從標(biāo)簽中返回 Miller序列時(shí)，都有 16個(gè)前導(dǎo) 0加上 010111(前同步碼)，通過檢測前導(dǎo)序列來判斷是否已經(jīng)開始反射數(shù)據(jù)。

通過LPC2138定時(shí)器0的捕獲功能和狀態(tài)機(jī)完成Miller2序列的檢測。研究Miller2序列發(fā)現(xiàn)，Miller2序列下降沿的時(shí)間間隔只有圖5所示的兩種情況：T或者1.5T(T為 Tari=6.25 μs)。通過定時(shí)器 0的捕獲通道 0捕獲Miller序列的下降沿，并在中斷處理程序中讀取當(dāng)前定時(shí)器快照的計(jì)數(shù)值，求出與上次計(jì)數(shù)值的差值。然后通過圖6所示的狀態(tài)機(jī)，就能夠解碼標(biāo)簽反射的Miller2序列。如圖6所示，Sx為起始狀態(tài)，a/b(a:輸入，b:輸出)箭頭指向從初態(tài)到次態(tài)。

圖5 Miller序列示意圖

圖6 解碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

LPC2138接收Miller2序列的引腳為P0.2，設(shè)置該引腳捕獲下降沿，下降沿到來時(shí)，進(jìn)入中斷處理程序，讀取捕獲寄存器CR0的值。計(jì)算出與上次下降沿之間的差值a，將差值存入 FIFO（全局?jǐn)?shù)組）中，在沒有下降沿捕獲時(shí)，處理器執(zhí)行解碼程序。本設(shè)計(jì)采用邊接收編解碼的方法。這是因?yàn)?，根?jù)ISO18000-6C協(xié)議，命令間有時(shí)限要求，若接收完Miller2序列后，再進(jìn)行解碼，可能會(huì)破壞這種時(shí)限。

2.2 ISO18000-6C命令和多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 ISO18000-6C命令

完成了PIE碼發(fā)送和標(biāo)簽返回Miller2副載波的解碼，就能夠很容易地實(shí)現(xiàn)ISO18000-6C規(guī)定的所有命令。根據(jù)協(xié)議，命令分為三類：選擇命令(select)、盤存命令(query、queryadjust、ACK 等)和訪問命令(Read、Write、Lock、BlockWrite、BlockErase)。根據(jù)協(xié)議中命令的格式，分別予以實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

μCOS-II[8]是一款搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，應(yīng)用十分廣泛，將其移植到LPC2138也十分容易。本設(shè)計(jì)要求閱讀器有以下功能：多卡訪問（盤存）、單卡訪問、低電壓監(jiān)測。多卡訪問操作即批量讀卡；單卡訪問即對(duì)一張卡進(jìn)行讀/寫、鎖定和批量訪問等操作；低電壓監(jiān)測實(shí)現(xiàn)檢測電池電壓的功能，當(dāng)電池電壓低于門限電壓下限時(shí)，讓閱讀器工作于掉電模式，待電池電壓恢復(fù)到門限電壓上限時(shí)將系統(tǒng)喚醒。

創(chuàng)建 3 個(gè)用戶任務(wù)：MainTask、Tag_Inventory、Tag_Operate， 創(chuàng)建 2個(gè)信號(hào)量：Semp_Invent和 Semp_Operate。MainTask任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，設(shè)為5，完成電壓檢測和操作模式的選擇；任務(wù)Tag_Inventory優(yōu)先級(jí)為6，完成多卡訪問；任務(wù)Tag_Operate優(yōu)先級(jí)為7，完成單卡訪問。當(dāng)進(jìn)入MainTask任務(wù)后，馬上獲取2個(gè)信號(hào)量，使用case語句實(shí)現(xiàn)任務(wù)選擇，選擇到某項(xiàng)任務(wù)后，釋放該任務(wù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)量，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。在任務(wù)中，先獲取相應(yīng)信號(hào)量，如OSSemPend(Semp_Invent,0,&err)，然后執(zhí)行該任務(wù)，最后釋放信號(hào)量OSSemPost(Semp_Read)。

主任務(wù)中有兩項(xiàng)功能：(1)完成對(duì)系統(tǒng)電壓的檢查。當(dāng)電壓小于3.0 V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式，之后，只有當(dāng)系統(tǒng)電壓大于3.9 V后，才可通過外部中斷將系統(tǒng)喚醒。(2)讀卡模式選擇。選擇多卡訪問模式時(shí)，系統(tǒng)盤存完附近的UHF卡的EPC后返回主任務(wù)。選擇單卡訪問模式時(shí)，可以對(duì)單張UHF卡執(zhí)行讀、寫、鎖定、塊讀和塊寫等操作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

連接好太陽能電池板、電源管理模塊、閱讀器模塊、和無線通信模塊，消耗鋰電池的電能，直至系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式，然后將設(shè)備置于陽光充足的戶外，采取適當(dāng)?shù)纳岷头浪胧?。充電一段時(shí)間后，上位機(jī)藍(lán)牙設(shè)備匹配閱讀器藍(lán)牙模塊，匹配成功后，向閱讀器發(fā)送盤存命令，太陽能無線超高頻閱讀器能夠正確讀出多張標(biāo)簽的EPC （只 讀 EPC最后16 bit）：FFAB、FF09、FFA9、FF22、FF6C、FF37。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

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