兩種UHF RFID標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異對(duì)讀寫器設(shè)計(jì)的影響

2014-10-30 16:21:59李一春王效東

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2014年10期

李一春　王效東

摘要：為了設(shè)計(jì)讀取GB/T 29768-2013標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽的讀寫器，對(duì)ISO 18000-6C和GB/T 29768-2013兩種標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了影響讀寫器設(shè)計(jì)性能的若干問(wèn)題以及有針對(duì)性的FPGA解決辦法。

關(guān)鍵詞：UHF；RFID；EPC；超高頻讀寫器；GB/T 29768-2013

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）10-00-02

0 引言

由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布，于2014年5月1日實(shí)施的GB/T 29768-2013 《信息技術(shù) 射頻識(shí)別800/900 MHz空中接口協(xié)議》規(guī)定了840 ～845MHz和920 ～925 MHz頻段射頻識(shí)別系統(tǒng)空中接口的物理層和媒體訪問(wèn)控制層參數(shù)以及協(xié)議工作方式。該標(biāo)準(zhǔn)是由2011年頒布的國(guó)軍標(biāo)GJB 7377.1-2011《軍用射頻識(shí)別空中接口第一部分：800/900 MHz 參數(shù)》轉(zhuǎn)化而來(lái)，兩者在前向前導(dǎo)碼和反向鏈接頻率以及啟動(dòng)查詢和分類命令結(jié)構(gòu)有些差異，但是查詢機(jī)制兩者完全相同，它們的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽與符合ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)1的標(biāo)簽在媒體訪問(wèn)控制層和協(xié)議工作方式上有比較大的差異。所以目前這三種標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上可以分為兩類，為了適應(yīng)這種差異，在讀寫器軟件設(shè)計(jì)上需要有些對(duì)應(yīng)措施。

1 標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異

ISO 18000-6C標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，完整電子標(biāo)簽由USER、TID、 EPC和RESERVED四個(gè)Bank組成，其中EPC部分包含CRC 、PC 和EPC數(shù)據(jù)三個(gè)部分。CRC由標(biāo)簽本身自動(dòng)對(duì)PC和EPC兩部分計(jì)算得到，在寫標(biāo)簽時(shí)不需要特意單獨(dú)寫入CRC內(nèi)容。

圖1 ISO 18000-6C標(biāo)簽的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

GB/T 29768標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4如圖2所示，完整電子標(biāo)簽由也是用戶區(qū)、安全區(qū)、編碼區(qū)和標(biāo)簽信息區(qū)四個(gè)空間組成，其中編碼區(qū)由編碼長(zhǎng)度和編碼頭組成。

圖2 GB/T 29768標(biāo)簽的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

兩種標(biāo)簽構(gòu)成相似，但是在密集標(biāo)簽分群盤點(diǎn)方面，ISO 18000-6C標(biāo)簽的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)更容易在存儲(chǔ)空間有限的基于微控制器讀寫器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。

2 微控制器讀寫器解碼的可行性分析

在讀寫器設(shè)計(jì)中，通常采用微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的解碼識(shí)別，當(dāng)使用比較快的反向鏈接頻率時(shí)，標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)脈沖間隔只有幾微秒甚至更短，受微控制器處理速度限制，如果微控制器帶有時(shí)鐘定時(shí)器等中斷，處理這樣快速脈沖可能會(huì)因?yàn)橹袛嗾加米R(shí)別處理的時(shí)間從而丟失脈沖信號(hào)導(dǎo)致解碼失敗，因此不使用定時(shí)器中斷可以減少高反向鏈接頻率時(shí)的解碼失敗可能性。在盤點(diǎn)標(biāo)簽的解碼周期中，無(wú)論ISO 18000-6C還是GB/T 29768都規(guī)范了標(biāo)簽命令間隔，在ISO 18000-6C和GB/T 29768中都定義了相同的時(shí)間參數(shù)T2數(shù)值范圍3Tpri～20Tpri。超過(guò)規(guī)范時(shí)間，標(biāo)簽會(huì)反轉(zhuǎn)內(nèi)部標(biāo)志，在ISO 18000-6C中，因?yàn)榉聪蜴溄宇l率為40～640 kHz，相應(yīng)T2數(shù)值范圍最大允許值為500～32.5 μs，在GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)中反向鏈接頻率為64 ～640 kHz，相應(yīng)T2數(shù)值范圍最大允許值為325～32.5 μs，所以當(dāng)設(shè)計(jì)高速的反向鏈接頻率讀寫器時(shí)，使用微控制器解碼標(biāo)簽的過(guò)程中，沒(méi)法將剛剛解碼的標(biāo)簽傳給上位機(jī)以便騰出空間，只能先緩存在微控制器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間中。由于微控制器系統(tǒng)存儲(chǔ)空間容量有限，這限制了基于微控制器的讀寫器每輪最多識(shí)別標(biāo)簽的容量。如果期望使用帶有外部擴(kuò)展SDRAM的嵌入式控制系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)都帶有節(jié)拍定時(shí)器，存在中斷處理開(kāi)銷，這在識(shí)別高反向鏈接頻率標(biāo)簽是不可接受的，即使使用雙微控制器，其中一個(gè)控制器專用于標(biāo)簽識(shí)別，也會(huì)受指令執(zhí)行速度影響，不能設(shè)計(jì)出高反向鏈接速度的讀寫器。

3 標(biāo)簽分群解碼的實(shí)現(xiàn)比較

讀寫器還有緩存標(biāo)簽數(shù)據(jù)能力，以便轉(zhuǎn)給上位機(jī)控制器，受微控制器存儲(chǔ)容量的限制，設(shè)計(jì)中可以考慮把標(biāo)簽分群分批次識(shí)別來(lái)解決微控制器存儲(chǔ)容量的瓶頸。在分群方面，ISO18000-6C標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)GB/T 29768的標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有些優(yōu)勢(shì)。

ISO18000-6C標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（圖1），包含的CRC部分所占地址是固定在00h～0Fh這16個(gè)位空間處，分群所用SELECT命令構(gòu)成參見(jiàn)圖3所示。

Command Target Action MemBank Pointer Length Mask Truncate CRC-16

圖3 SELECT的命令構(gòu)成

對(duì)于隨機(jī)的或是編號(hào)成序列的一群標(biāo)簽，利用標(biāo)簽的CRC存放中的幾個(gè)位作為分群SELECT命令的掩碼Mask，結(jié)合指示位置的Pointer和指示匹配長(zhǎng)度的Length，如果用CRC的二進(jìn)制高三位，Pointre=00h，Length=03h，Mask依次可配置成000b～111b，可以把標(biāo)簽分成8個(gè)子群來(lái)進(jìn)行盤點(diǎn)，作為對(duì)比評(píng)估，如果用標(biāo)簽EPC部分做掩碼來(lái)分群，假如選標(biāo)簽大致成序列，而且選中的是序列的二進(jìn)制最低三位，那可以最均勻地分配出8個(gè)子群，但是如果在另外一個(gè)識(shí)別場(chǎng)合，標(biāo)簽群的序列號(hào)定義是新的格式，那就不幸可能標(biāo)簽全集中到一個(gè)群中，但是利用CRC部分的數(shù)據(jù)卻可以相對(duì)均勻地把成序列的標(biāo)簽群拆分。這方面的比較說(shuō)明了利用EPC部分位來(lái)分群的局限性，而利用CRC存放部分的數(shù)據(jù)位來(lái)分群可以在不確認(rèn)標(biāo)簽數(shù)據(jù)格式前提下，相對(duì)均勻的把標(biāo)簽分成小群。

GB/T 29768標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（圖2）缺少CRC部分，故編碼頭部分在GB/T 297683中沒(méi)有描述，通過(guò)參考GJB 7377-2011和GJB 7382-20115等類似標(biāo)準(zhǔn)，得知其不具有序列性質(zhì)，由于缺少固定位置相對(duì)隨機(jī)的的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，GB/T 29768標(biāo)簽分群能力大大弱于ISO 18000-6C標(biāo)簽，不利于存儲(chǔ)容量有限的微控制器的讀寫器盤點(diǎn)大群標(biāo)簽。

4 基于FPGA實(shí)現(xiàn)的讀寫器解決方案

前面分析了基于微控制器的讀寫器在實(shí)現(xiàn)高速盤點(diǎn)大群標(biāo)簽特別是盤點(diǎn)GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽的困境，如果采用并行操作的FPGA代替指令串行執(zhí)行的微控制器，利用FPGA設(shè)計(jì)多個(gè)并行工作的狀態(tài)機(jī)，通過(guò)先進(jìn)先出寄存器就可以在新命令發(fā)出過(guò)程中把前面命令獲得的標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)通過(guò)接口轉(zhuǎn)移到外部嵌入式控制器，不用進(jìn)行分群盤點(diǎn)方式就可以實(shí)現(xiàn)大容量的記錄處理。

基于FPGA代替微控制器的讀寫器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，其中FPGA中的控制狀態(tài)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它通過(guò)接口控制器、命令狀態(tài)機(jī)、解碼狀態(tài)機(jī)、頻率控制器、FIFO控制器等部分實(shí)現(xiàn)讀卡功能。

圖4 基于FPGA代替微控制器的讀寫器結(jié)構(gòu)框圖

接口控制器包含同步串行接口SPI從控制器，可以使FPGA通過(guò)SPI接口與外部嵌入式微控制器通訊，接受嵌入式控制器命令并返回得到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，是對(duì)外交互通道。

命令狀態(tài)機(jī)根據(jù)控制狀態(tài)機(jī)處理的接口命令和解碼狀態(tài)機(jī)解調(diào)的信息，把新的命令序列處理成串行數(shù)據(jù)送給外部數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而輸出IQ兩路模擬信號(hào)供給調(diào)制器。

解碼器把來(lái)自外部模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，根據(jù)解碼規(guī)則處理出標(biāo)簽信息，轉(zhuǎn)給控制狀態(tài)機(jī)去控制命令狀態(tài)機(jī)，并把需要輸出的數(shù)據(jù)放入FIFO存儲(chǔ)器中緩存，等待外部嵌入式控制器取走。

頻率控制器根據(jù)控制狀態(tài)機(jī)的命令，輸出相應(yīng)命令串驅(qū)動(dòng)外部頻率合成器產(chǎn)生所需要的射頻載波，再給后級(jí)調(diào)制解調(diào)輸出。

FPGA可以并行處理數(shù)據(jù)，在控制狀態(tài)機(jī)讓命令狀態(tài)機(jī)發(fā)送命令或是解碼狀態(tài)機(jī)在處理返回信息同時(shí)還可以處理接口控制器的事務(wù)，把前面緩沖在FIFO存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過(guò)接口傳給外部嵌入式控制器，外部的嵌入式控制器外掛大容量的SDRAM，其與FPGA之間的SPI通訊接口接口傳送的速率要高于標(biāo)簽響應(yīng)速率，所以只要外部嵌入式控制器與FPGA配合好，突發(fā)性地把FIFO存儲(chǔ)器中的緩沖數(shù)據(jù)取走，就能實(shí)現(xiàn)基于微控制器的讀寫器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高反向鏈接頻率下的巨大讀卡容量。

在基于FPGA的讀寫器中，設(shè)計(jì)為最高640 kHz的反向鏈接頻率時(shí)，因?yàn)椴僮鞯牟⑿行裕煌诨谖⒖刂破鞯闹噶罘绞?，處理前述?biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)中的T2參數(shù)沒(méi)有任何壓力，同時(shí)解碼處理方式是依靠模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入，可以對(duì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行濾波再進(jìn)行邊沿識(shí)別，利用相對(duì)微控制器更完善的識(shí)別判斷手段，提高對(duì)弱信噪比信號(hào)識(shí)別的成功率。而基于微控制器的讀寫器，最高處理反向鏈接速度是320 kHz，速度很快，因?yàn)樽R(shí)別代碼指令執(zhí)行需要時(shí)間，過(guò)短的數(shù)據(jù)間隔導(dǎo)致前面沒(méi)處理完成后面新數(shù)據(jù)就到達(dá)的狀況，這時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)丟失導(dǎo)致解碼失敗，另外一個(gè)性能限制是命令之間時(shí)間參數(shù)T2問(wèn)題，已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)沒(méi)有充足時(shí)間傳給上位機(jī)只能先放到RAM中緩存，容量受限。

5 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)GB/T 29768與 ISO18000-6C兩種標(biāo)簽的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異對(duì)比分析基礎(chǔ)上，分析了基于微控制器實(shí)現(xiàn)讀寫器的局限性和基于FPGA結(jié)構(gòu)的讀寫器實(shí)現(xiàn)的優(yōu)越性，當(dāng)然，后者開(kāi)發(fā)難度，器件成本、功耗和體積都會(huì)有所增加。在應(yīng)用場(chǎng)合，可以根據(jù)需求，有針對(duì)性地采用高性能或是適當(dāng)降低讀取指標(biāo)關(guān)注小體積低成本的方案。

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