一種手持式超高頻RFID閱讀器的設(shè)計(jì)

彭梅,鄭步生

摘 ?要： 設(shè)計(jì)了一種基于AS3992的手持式超高頻RFID閱讀器。閱讀器的射頻收發(fā)電路由AS3992內(nèi)部集成的射頻模擬前端和協(xié)議處理系統(tǒng)構(gòu)成，基帶控制由S3C2440建立的最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)AS3992射頻模塊電路進(jìn)行了介紹，針對(duì)天線設(shè)計(jì)了阻抗匹配電路，對(duì)S3C2440外圍電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了Linux系統(tǒng)下各硬件的驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序，最后對(duì)設(shè)計(jì)的閱讀器進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明，閱讀器能支持ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，并且具備了可手持、發(fā)射頻率可調(diào)、功能易擴(kuò)展等特點(diǎn)，滿足智能物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的需求，有非常好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線射頻識(shí)別； ISO/IEC 18000?6C； AS3992； Linux； 超高頻閱讀器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710.6?34； TP391.4 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）23?0080?04

Design of a handheld UHF RFID reader

PENG Mei，ZHENG Bu?sheng

（College of Electronic Information Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： A handheld UHF RFID reader was designed based on AS3992. Reader′s RF transceiver circuit is composed of RF analog front?end and protocol processing system， which are integrated in AS3992. The baseband is controlled by minimum system established by S3C2440. In this paper， AS3992 RF module circuit is introduced in detail. The impedance matching circuit for antenna， peripheral circuits for S3C2440， as well as drive program and application program for hardwares under Linux system were designed. The reader was tested and analyzed. The results show that the reader which can support the ISO/IEC 18000?6C protocol has the characteristics such as handheld， frequency adjustment and easy expansion of function. The reader which can meet the intelligent IoT market′s demand has very good prospects.

Keywords： RFID； ISO/IEC 18000?6C； AS3992； Linux； UHF reader

0 ?引 ?言

RFID（Radio Frequency Identification）是一種利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合原理來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸信息傳遞的技術(shù)。RFID可以在低頻、高頻、超高頻、微波等頻段工作，其中超高頻頻段RFID具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、讀取快等顯著特點(diǎn)，具有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值[1]。目前常見(jiàn)的超高頻閱讀器均為固定式閱讀器，如文獻(xiàn)[2?5]所述。而隨著應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)手持式閱讀器的需求越來(lái)越大，手持式閱讀器必將成為一種趨勢(shì)。目前關(guān)于手持式閱讀器的文獻(xiàn)資料相對(duì)較少，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的手持式閱讀器其射頻部分采用Chipcon公司的CC1100芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片沒(méi)有集成ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，重新實(shí)現(xiàn)該協(xié)議不僅工作量大，而且不能完全滿足協(xié)議射頻鏈路的要求；此外該論文沒(méi)有涉及到基于Linux系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)以及電源供電等方面的內(nèi)容。

基于以上現(xiàn)狀，本手持式閱讀器采用完全集成ISO/IEC 18000?6C協(xié)議的AS3992芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，閱讀器的開(kāi)發(fā)難度和復(fù)雜度都有所降低，而且有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。本閱讀器采用3.7 V鋰電池供電，解決了手持式閱讀器電源供電問(wèn)題。閱讀器可通過(guò)UART串口與PC機(jī)通信，通用性強(qiáng)；同時(shí)用戶也可直接通過(guò)顯示屏上的應(yīng)用程序?qū)﹂喿x器進(jìn)行操作，非常便利。

1 ?手持機(jī)方案設(shè)計(jì)

手持式超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)分為應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層以及底層硬件。應(yīng)用層由應(yīng)用程序和超高頻模塊程序構(gòu)成；操作系統(tǒng)層移植了Linux系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)發(fā)硬件驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)底層硬件；底層硬件包括主控模塊和超高頻讀/寫(xiě)模塊，其中超高頻讀/寫(xiě)模塊包括RFID基站芯片及其外圍電路、RFID天線、電子標(biāo)簽等。閱讀器工作流程為主控制器通過(guò)接收用戶在手持機(jī)應(yīng)用程序上設(shè)置的命令，控制RFID基站芯片對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫(xiě)，讀取結(jié)果可實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上，同時(shí)標(biāo)簽信息將被存入存儲(chǔ)器或者通過(guò)UART接口存儲(chǔ)到PC機(jī)上。系統(tǒng)總體硬件框圖如圖1所示。

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圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

2 ?硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?主要芯片選取

閱讀器主控制器選用三星公司的微處理器芯片S3C2440。該芯片采用ARM920T內(nèi)核，具有高性能、低成本和低功耗等特點(diǎn)，其核心處理器包含了MMU（內(nèi)存管理單元），可移植Linux操作系統(tǒng)，有助于整個(gè)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

超高頻讀寫(xiě)模塊選用奧地利微電子公司的超高頻RFID閱讀器專(zhuān)用芯片AS3992作為RFID基站芯片。AS3992內(nèi)部集成了完整的射頻信號(hào)調(diào)制/解調(diào)模塊、高性能 VCO，CRC碼校驗(yàn)?zāi)K、6C協(xié)議支持模塊等。

2.2 ?主控制器與外圍電路設(shè)計(jì)

主控制器及其外圍電路主要包括S3C2440最小系統(tǒng)[7]、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、S3C2440與AS3992通信模塊、電源模塊。存儲(chǔ)模塊分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，主存采用SDRAM類(lèi)芯片HY57V561621F，輔存包括NAND FLASH類(lèi)芯片K9F1208和NOR FLASH類(lèi)芯片SST39VF1601；其中NAND FLASH用于存放板載Linux操作系統(tǒng)，NOR FLASH用于存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序BootLoader。顯示模塊采用分辨率為[800×400]的7寸LCD顯示屏。S3C2440與AS3992采用并行通信方式，S3C2440的GPIO管腳（GPG0～GPG7）與AS3992的8位數(shù)據(jù)線（IO0～I(xiàn)O7）相連。除此之外還有CLK，CLKSYS，IRQ，EN等信號(hào)線的連接。其中CLK為并行時(shí)鐘，CLKSYS為AS3992提供給S3C2440的參考時(shí)鐘信號(hào)，AS3992通過(guò)IRQ中斷信號(hào)以外部中斷方式通知S3C2440存取數(shù)據(jù)，EN為使能引腳。

手持式閱讀器區(qū)別于固定式閱讀器的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是電源模塊的設(shè)計(jì)。由于本閱讀器需要為S3C2440，AS3992，放大器等芯片提供3.3 V，4.5 V和5 V三種電壓，因此采用一節(jié)容量為4 000 mAh的3.7 V鋰電池供電，通過(guò)升壓和降壓方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換；同時(shí)采用鋰電池線性充電管理芯片BQ24070實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電管理。

2.3 ?超高頻讀/寫(xiě)模塊電路設(shè)計(jì)

閱讀器發(fā)射部分主要由AS3992發(fā)射鏈路、巴倫、功率放大器、LC低通濾波器和定向耦合器組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?；鶐?shù)字信號(hào)寫(xiě)入AS3992的FIFO寄存器，在芯片內(nèi)部先后經(jīng)過(guò)PIE編碼、ASK調(diào)制、濾波和信號(hào)放大等步驟；然后從AS3992芯片差分輸出到巴倫的平衡端，巴倫將功率相等相位相反的平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端不平衡信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的不平衡信號(hào)由增益約為33 dB的功率放大器SPA?2118進(jìn)行放大，通過(guò)LFCN1000低通濾波器濾除不需要的信號(hào)成分和高頻噪聲，輸入到耦合度為5 dB的定向耦合器；信號(hào)從定向耦合器的直通端經(jīng)由收發(fā)一體式天線輻射出去[8]。閱讀器接收部分主要由定向耦合器、巴倫、AS3992接收鏈路部分組成。天線接收的信號(hào)，由定向耦合器的耦合端輸出，經(jīng)過(guò)不平衡到平衡轉(zhuǎn)換后進(jìn)入AS3992的差分接收端；AS3992內(nèi)部集成了I/Q兩路結(jié)構(gòu)的零中頻接收機(jī)，克服了傳統(tǒng)零中頻接收機(jī)的零點(diǎn)效應(yīng)，性能可靠；信號(hào)在AS3992芯片中經(jīng)過(guò)ASK解調(diào)、FM0解碼校驗(yàn)等操作后，存入AS3992的FIFO寄存器。

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圖2 超高頻讀/寫(xiě)模塊電路

根據(jù)ISO/IEC 18000?6C協(xié)議規(guī)定[9]，閱讀器在接收標(biāo)簽信息時(shí)，將不斷發(fā)射連續(xù)載波以給標(biāo)簽提供能量。這樣在閱讀器接收的同時(shí)，由于硬件設(shè)計(jì)不能滿足要求，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的載波泄露，從而降低接收信號(hào)信噪比，使得閱讀器識(shí)別距離下降，解調(diào)誤碼率增加，最終導(dǎo)致閱讀器整體性能下降。載波泄漏從硬件方面分析原因有：定向耦合器隔離度不夠造成信號(hào)從隔離端泄漏，天線阻抗不匹配導(dǎo)致回波損耗增大，環(huán)境反射產(chǎn)生載波回傳等[10]。因本系統(tǒng)所采用天線的特性阻抗為[（52+j8） ?Ω，]所以根據(jù)Smith圓圖原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了[π]型阻抗匹配電路[11]，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行掃描測(cè)試。結(jié)果對(duì)比如圖3所示，在0.8～1.0 GHz頻段，回波損耗明顯減小，且在0.9 GHz頻點(diǎn)處S11（回波損耗特性參數(shù)）值降低到-55 dB。因此，本文設(shè)計(jì)的阻抗匹配電路工作在超高頻頻段（840～960 MHz）時(shí)，因天線阻抗不匹配造成的回波損耗明顯減少，有助于降低載波泄漏，從而提高超高頻閱讀器整體性能。

3 ?閱讀器軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)閱讀器多功能以及手持式等特點(diǎn)，本閱讀器在S3C2440上移植了Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux 2.6。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：第一部分是基于Linux系統(tǒng)應(yīng)用程序及底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；第二部分是超高頻模塊軟件設(shè)計(jì)。

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圖3 系統(tǒng)S11掃描對(duì)比圖

3.1 ?系統(tǒng)應(yīng)用程序及底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

由于嵌入式系統(tǒng)需要高性能、輕量級(jí)的GUI（圖形用戶界面）系統(tǒng)，因此本文移植了應(yīng)用廣泛的Qt圖形庫(kù)Library 4.7，并基于該圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)用戶應(yīng)用程序。應(yīng)用程序主要包括三個(gè)功能：閱讀器參數(shù)設(shè)置、標(biāo)簽掃描和標(biāo)簽信息存儲(chǔ)。其中參數(shù)設(shè)置功能實(shí)現(xiàn)用戶與閱讀器交互，用于獲取用戶設(shè)置的頻率、掃描時(shí)間等參數(shù)；標(biāo)簽掃描功能實(shí)現(xiàn)閱讀器與標(biāo)簽的命令交互，用于標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)；標(biāo)簽信息存儲(chǔ)功能用于管理標(biāo)簽信息。用戶界面程序的工作頻率參數(shù)可手動(dòng)輸入，掃描時(shí)間參數(shù)可在下拉菜單中選擇，應(yīng)用程序根據(jù)設(shè)定值配置相關(guān)寄存器，對(duì)閱讀器工作方式、功耗模式、編碼方式、調(diào)制方式、工作頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其中發(fā)射頻率可調(diào)通過(guò)配置AS3992的PLL（鎖相環(huán)）等寄存器實(shí)現(xiàn)。用戶設(shè)置掃描開(kāi)始后，閱讀器啟動(dòng)標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)過(guò)程，將盤(pán)點(diǎn)成功的標(biāo)簽信息存儲(chǔ)并顯示在用戶界面上。

Linux系統(tǒng)將存儲(chǔ)器和外設(shè)分為3個(gè)基礎(chǔ)大類(lèi)：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是指那些必須以有序的字符流方式進(jìn)行訪問(wèn)的設(shè)備，塊設(shè)備可以用任意順序進(jìn)行訪問(wèn)。本系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)涉及的硬件包括AS3992芯片、LCD顯示屏、觸摸屏等。以上幾種硬件設(shè)備在Linux系統(tǒng)中均屬于一般的字符型設(shè)備，只需移植相應(yīng)的串口、并口、顯示屏、觸摸屏等字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[12]。

3.2 ?超高頻模塊軟件

超高頻模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括超高頻模塊工作模式配置、標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、功耗模式設(shè)置等。

AS3992有兩種工作模式：正常工作模式（Normal Mode）和直接模式（Direct Mode）。正常工作模式下，芯片內(nèi)部完全集成ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，主控器只需操作AS3992的24 B FIFO寄存器。此外，正常工作模式下AS3992還支持23種直接命令控制，如6C協(xié)議中需要實(shí)現(xiàn)的命令Query、QueryRep、ACK、ReqRN等都能通過(guò)相應(yīng)的命令號(hào)實(shí)現(xiàn)。而直接模式下，該芯片只集成了ISO/IEC 18000?6A/B協(xié)議的射頻鏈路部分，編解碼校驗(yàn)等需要在主控器中實(shí)現(xiàn)[13]。本文設(shè)計(jì)的閱讀器針對(duì)ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，因此配置為正常工作模式。

閱讀器盤(pán)點(diǎn)標(biāo)簽即閱讀器對(duì)標(biāo)簽EPC碼讀取，分為單標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)和多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)。由于多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)涉及到系統(tǒng)的防碰撞處理[14]，本文重點(diǎn)對(duì)其軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)的多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)程序流程如圖4所示。首先發(fā)送Select命令選擇射頻場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)簽群，之后通過(guò)發(fā)送含有[Q]值的Query命令對(duì)標(biāo)簽群?jiǎn)?dòng)一個(gè)盤(pán)點(diǎn)周期（起始[Q]值預(yù)設(shè)為4），然后不斷發(fā)送QueryRep和ACK命令對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，正確識(shí)別的標(biāo)簽序列號(hào)及信息被記錄在存儲(chǔ)器中，并在界面程序上顯示。在盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中，QueryRep和ACK命令需重復(fù)執(zhí)行[N]次[（N=2Q-1）]來(lái)完成一輪盤(pán)點(diǎn)。如果盤(pán)點(diǎn)結(jié)束查詢到?jīng)_突時(shí)隙數(shù)為0，則退出標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)過(guò)程；否則閱讀器將根據(jù)每一輪盤(pán)點(diǎn)的成功時(shí)隙、沖突時(shí)隙、空時(shí)隙的數(shù)量調(diào)用防碰撞算法自動(dòng)調(diào)整[Q]值，重新開(kāi)始一輪盤(pán)點(diǎn)。

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圖4 閱讀器盤(pán)點(diǎn)多標(biāo)簽流程

AS3992功耗模式大致分為掉電模式、正常模式和待機(jī)模式。AS3992正常工作時(shí)處于正常模式，各個(gè)模塊在此模式中都正常工作，功率消耗較大。而掉電模式和待機(jī)模式時(shí)，PLL和數(shù)據(jù)模塊都停止工作，屬于低功耗模式。AS3992三種模式的轉(zhuǎn)換通過(guò)控制芯片狀態(tài)寄存器STBY位和EN引腳的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。模式轉(zhuǎn)換方案流程為：讀/寫(xiě)模塊上電后，復(fù)位EN進(jìn)入掉電模式；接收應(yīng)用程序指令后，置位EN進(jìn)入待機(jī)模式；此后，系統(tǒng)不停監(jiān)聽(tīng)是否有標(biāo)簽進(jìn)入到射頻場(chǎng)內(nèi)，若識(shí)別到標(biāo)簽，則置STBY為低，進(jìn)入正常模式盤(pán)點(diǎn)標(biāo)簽；盤(pán)點(diǎn)完成后，置STBY為高，同時(shí)復(fù)位EN，重新進(jìn)入掉電模式等待指令。該方案只在標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場(chǎng)內(nèi)時(shí)工作在正常模式，其余情況停留在掉電或者待機(jī)模式，有利于降低AS3992模塊的功耗。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試與分析

按照《800/900 MHz頻段RFID技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定》，通過(guò)AV4062型頻譜分析儀、增益為8 dBi的圓極化天線和符合ISO/IEC 18000?6C協(xié)議的20個(gè)標(biāo)簽對(duì)本文實(shí)現(xiàn)的手持式閱讀器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括閱讀器射頻參數(shù)、閱讀器對(duì)標(biāo)簽的EPC碼盤(pán)點(diǎn)測(cè)試等。在距離閱讀器天線1 m處，測(cè)得閱讀器發(fā)射信號(hào)功率為10.0 dBm，中心頻率為866.8 MHz，頻譜如圖5所示，掃描前后應(yīng)用程序界面如圖6所示，EPC碼的讀取測(cè)試結(jié)果如表1所示。

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圖5 距離閱讀器天線1 m處頻譜圖

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圖6 掃描前后應(yīng)用程序界面圖

測(cè)試結(jié)果分析：由于閱讀器發(fā)射的電磁波在空間傳播時(shí)，其能量會(huì)隨著距離的增加而耗散，所以導(dǎo)致閱讀器的讀取成功率下降。此外，閱讀器讀取成功率還與閱讀器天線和標(biāo)簽天線的特性有關(guān)。由圖5可以看出，閱讀器正常工作時(shí)頻率處于840～960 MHz之間，且能正確讀取符合ISO/IEC 18000?6C協(xié)議的標(biāo)簽，證明閱讀器處于正常工作狀態(tài)，且滿足超高頻閱讀器要求。

表1 不同距離時(shí)的盤(pán)點(diǎn)成功次數(shù)

[距離 /m＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；盤(pán)點(diǎn)成功次數(shù)＼&；20＼&；19＼&；17＼&；13＼&；10＼&；]

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AS3992芯片的手持式超高頻RFID閱讀器。此閱讀器滿足ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，可通過(guò)LCD顯示屏直接將標(biāo)簽信息呈現(xiàn)給用戶。閱讀器采用容量為4 000 mAh的3.7 V可充電式鋰電池供電，并且發(fā)射頻率可調(diào)（840～960 MHz）。此外，閱讀器移植了Linux操作系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行更加合理高效，同時(shí)便于其他功能的擴(kuò)展。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足手持式超高頻RFID閱讀器的要求，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

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[12] 李青青.RFID防碰撞算法研究[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2012.

[13] 余忠毅.基于ARM11處理器的超高頻RFID閱讀器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

Linux系統(tǒng)將存儲(chǔ)器和外設(shè)分為3個(gè)基礎(chǔ)大類(lèi)：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是指那些必須以有序的字符流方式進(jìn)行訪問(wèn)的設(shè)備，塊設(shè)備可以用任意順序進(jìn)行訪問(wèn)。本系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)涉及的硬件包括AS3992芯片、LCD顯示屏、觸摸屏等。以上幾種硬件設(shè)備在Linux系統(tǒng)中均屬于一般的字符型設(shè)備，只需移植相應(yīng)的串口、并口、顯示屏、觸摸屏等字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[12]。

3.2 ?超高頻模塊軟件

超高頻模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括超高頻模塊工作模式配置、標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、功耗模式設(shè)置等。

AS3992有兩種工作模式：正常工作模式（Normal Mode）和直接模式（Direct Mode）。正常工作模式下，芯片內(nèi)部完全集成ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，主控器只需操作AS3992的24 B FIFO寄存器。此外，正常工作模式下AS3992還支持23種直接命令控制，如6C協(xié)議中需要實(shí)現(xiàn)的命令Query、QueryRep、ACK、ReqRN等都能通過(guò)相應(yīng)的命令號(hào)實(shí)現(xiàn)。而直接模式下，該芯片只集成了ISO/IEC 18000?6A/B協(xié)議的射頻鏈路部分，編解碼校驗(yàn)等需要在主控器中實(shí)現(xiàn)[13]。本文設(shè)計(jì)的閱讀器針對(duì)ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，因此配置為正常工作模式。

閱讀器盤(pán)點(diǎn)標(biāo)簽即閱讀器對(duì)標(biāo)簽EPC碼讀取，分為單標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)和多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)。由于多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)涉及到系統(tǒng)的防碰撞處理[14]，本文重點(diǎn)對(duì)其軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)的多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)程序流程如圖4所示。首先發(fā)送Select命令選擇射頻場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)簽群，之后通過(guò)發(fā)送含有[Q]值的Query命令對(duì)標(biāo)簽群?jiǎn)?dòng)一個(gè)盤(pán)點(diǎn)周期（起始[Q]值預(yù)設(shè)為4），然后不斷發(fā)送QueryRep和ACK命令對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，正確識(shí)別的標(biāo)簽序列號(hào)及信息被記錄在存儲(chǔ)器中，并在界面程序上顯示。在盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中，QueryRep和ACK命令需重復(fù)執(zhí)行[N]次[（N=2Q-1）]來(lái)完成一輪盤(pán)點(diǎn)。如果盤(pán)點(diǎn)結(jié)束查詢到?jīng)_突時(shí)隙數(shù)為0，則退出標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)過(guò)程；否則閱讀器將根據(jù)每一輪盤(pán)點(diǎn)的成功時(shí)隙、沖突時(shí)隙、空時(shí)隙的數(shù)量調(diào)用防碰撞算法自動(dòng)調(diào)整[Q]值，重新開(kāi)始一輪盤(pán)點(diǎn)。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼20t4.tif>；

圖4 閱讀器盤(pán)點(diǎn)多標(biāo)簽流程

AS3992功耗模式大致分為掉電模式、正常模式和待機(jī)模式。AS3992正常工作時(shí)處于正常模式，各個(gè)模塊在此模式中都正常工作，功率消耗較大。而掉電模式和待機(jī)模式時(shí)，PLL和數(shù)據(jù)模塊都停止工作，屬于低功耗模式。AS3992三種模式的轉(zhuǎn)換通過(guò)控制芯片狀態(tài)寄存器STBY位和EN引腳的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。模式轉(zhuǎn)換方案流程為：讀/寫(xiě)模塊上電后，復(fù)位EN進(jìn)入掉電模式；接收應(yīng)用程序指令后，置位EN進(jìn)入待機(jī)模式；此后，系統(tǒng)不停監(jiān)聽(tīng)是否有標(biāo)簽進(jìn)入到射頻場(chǎng)內(nèi)，若識(shí)別到標(biāo)簽，則置STBY為低，進(jìn)入正常模式盤(pán)點(diǎn)標(biāo)簽；盤(pán)點(diǎn)完成后，置STBY為高，同時(shí)復(fù)位EN，重新進(jìn)入掉電模式等待指令。該方案只在標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場(chǎng)內(nèi)時(shí)工作在正常模式，其余情況停留在掉電或者待機(jī)模式，有利于降低AS3992模塊的功耗。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試與分析

按照《800/900 MHz頻段RFID技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定》，通過(guò)AV4062型頻譜分析儀、增益為8 dBi的圓極化天線和符合ISO/IEC 18000?6C協(xié)議的20個(gè)標(biāo)簽對(duì)本文實(shí)現(xiàn)的手持式閱讀器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括閱讀器射頻參數(shù)、閱讀器對(duì)標(biāo)簽的EPC碼盤(pán)點(diǎn)測(cè)試等。在距離閱讀器天線1 m處，測(cè)得閱讀器發(fā)射信號(hào)功率為10.0 dBm，中心頻率為866.8 MHz，頻譜如圖5所示，掃描前后應(yīng)用程序界面如圖6所示，EPC碼的讀取測(cè)試結(jié)果如表1所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼20t5.tif>；

圖5 距離閱讀器天線1 m處頻譜圖

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼20t6.tif>；

圖6 掃描前后應(yīng)用程序界面圖

測(cè)試結(jié)果分析：由于閱讀器發(fā)射的電磁波在空間傳播時(shí)，其能量會(huì)隨著距離的增加而耗散，所以導(dǎo)致閱讀器的讀取成功率下降。此外，閱讀器讀取成功率還與閱讀器天線和標(biāo)簽天線的特性有關(guān)。由圖5可以看出，閱讀器正常工作時(shí)頻率處于840～960 MHz之間，且能正確讀取符合ISO/IEC 18000?6C協(xié)議的標(biāo)簽，證明閱讀器處于正常工作狀態(tài)，且滿足超高頻閱讀器要求。

表1 不同距離時(shí)的盤(pán)點(diǎn)成功次數(shù)

[距離 /m＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；盤(pán)點(diǎn)成功次數(shù)＼&；20＼&；19＼&；17＼&；13＼&；10＼&；]

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AS3992芯片的手持式超高頻RFID閱讀器。此閱讀器滿足ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，可通過(guò)LCD顯示屏直接將標(biāo)簽信息呈現(xiàn)給用戶。閱讀器采用容量為4 000 mAh的3.7 V可充電式鋰電池供電，并且發(fā)射頻率可調(diào)（840～960 MHz）。此外，閱讀器移植了Linux操作系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行更加合理高效，同時(shí)便于其他功能的擴(kuò)展。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足手持式超高頻RFID閱讀器的要求，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)錄.物聯(lián)網(wǎng)中射頻識(shí)別技術(shù)的研究[D].昆明：云南大學(xué)，2013.

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Linux系統(tǒng)將存儲(chǔ)器和外設(shè)分為3個(gè)基礎(chǔ)大類(lèi)：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是指那些必須以有序的字符流方式進(jìn)行訪問(wèn)的設(shè)備，塊設(shè)備可以用任意順序進(jìn)行訪問(wèn)。本系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)涉及的硬件包括AS3992芯片、LCD顯示屏、觸摸屏等。以上幾種硬件設(shè)備在Linux系統(tǒng)中均屬于一般的字符型設(shè)備，只需移植相應(yīng)的串口、并口、顯示屏、觸摸屏等字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[12]。

3.2 ?超高頻模塊軟件

超高頻模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括超高頻模塊工作模式配置、標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、功耗模式設(shè)置等。

AS3992有兩種工作模式：正常工作模式（Normal Mode）和直接模式（Direct Mode）。正常工作模式下，芯片內(nèi)部完全集成ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，主控器只需操作AS3992的24 B FIFO寄存器。此外，正常工作模式下AS3992還支持23種直接命令控制，如6C協(xié)議中需要實(shí)現(xiàn)的命令Query、QueryRep、ACK、ReqRN等都能通過(guò)相應(yīng)的命令號(hào)實(shí)現(xiàn)。而直接模式下，該芯片只集成了ISO/IEC 18000?6A/B協(xié)議的射頻鏈路部分，編解碼校驗(yàn)等需要在主控器中實(shí)現(xiàn)[13]。本文設(shè)計(jì)的閱讀器針對(duì)ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，因此配置為正常工作模式。

閱讀器盤(pán)點(diǎn)標(biāo)簽即閱讀器對(duì)標(biāo)簽EPC碼讀取，分為單標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)和多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)。由于多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)涉及到系統(tǒng)的防碰撞處理[14]，本文重點(diǎn)對(duì)其軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)的多標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)程序流程如圖4所示。首先發(fā)送Select命令選擇射頻場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)簽群，之后通過(guò)發(fā)送含有[Q]值的Query命令對(duì)標(biāo)簽群?jiǎn)?dòng)一個(gè)盤(pán)點(diǎn)周期（起始[Q]值預(yù)設(shè)為4），然后不斷發(fā)送QueryRep和ACK命令對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，正確識(shí)別的標(biāo)簽序列號(hào)及信息被記錄在存儲(chǔ)器中，并在界面程序上顯示。在盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中，QueryRep和ACK命令需重復(fù)執(zhí)行[N]次[（N=2Q-1）]來(lái)完成一輪盤(pán)點(diǎn)。如果盤(pán)點(diǎn)結(jié)束查詢到?jīng)_突時(shí)隙數(shù)為0，則退出標(biāo)簽盤(pán)點(diǎn)過(guò)程；否則閱讀器將根據(jù)每一輪盤(pán)點(diǎn)的成功時(shí)隙、沖突時(shí)隙、空時(shí)隙的數(shù)量調(diào)用防碰撞算法自動(dòng)調(diào)整[Q]值，重新開(kāi)始一輪盤(pán)點(diǎn)。

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圖4 閱讀器盤(pán)點(diǎn)多標(biāo)簽流程

AS3992功耗模式大致分為掉電模式、正常模式和待機(jī)模式。AS3992正常工作時(shí)處于正常模式，各個(gè)模塊在此模式中都正常工作，功率消耗較大。而掉電模式和待機(jī)模式時(shí)，PLL和數(shù)據(jù)模塊都停止工作，屬于低功耗模式。AS3992三種模式的轉(zhuǎn)換通過(guò)控制芯片狀態(tài)寄存器STBY位和EN引腳的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。模式轉(zhuǎn)換方案流程為：讀/寫(xiě)模塊上電后，復(fù)位EN進(jìn)入掉電模式；接收應(yīng)用程序指令后，置位EN進(jìn)入待機(jī)模式；此后，系統(tǒng)不停監(jiān)聽(tīng)是否有標(biāo)簽進(jìn)入到射頻場(chǎng)內(nèi)，若識(shí)別到標(biāo)簽，則置STBY為低，進(jìn)入正常模式盤(pán)點(diǎn)標(biāo)簽；盤(pán)點(diǎn)完成后，置STBY為高，同時(shí)復(fù)位EN，重新進(jìn)入掉電模式等待指令。該方案只在標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場(chǎng)內(nèi)時(shí)工作在正常模式，其余情況停留在掉電或者待機(jī)模式，有利于降低AS3992模塊的功耗。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試與分析

按照《800/900 MHz頻段RFID技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定》，通過(guò)AV4062型頻譜分析儀、增益為8 dBi的圓極化天線和符合ISO/IEC 18000?6C協(xié)議的20個(gè)標(biāo)簽對(duì)本文實(shí)現(xiàn)的手持式閱讀器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括閱讀器射頻參數(shù)、閱讀器對(duì)標(biāo)簽的EPC碼盤(pán)點(diǎn)測(cè)試等。在距離閱讀器天線1 m處，測(cè)得閱讀器發(fā)射信號(hào)功率為10.0 dBm，中心頻率為866.8 MHz，頻譜如圖5所示，掃描前后應(yīng)用程序界面如圖6所示，EPC碼的讀取測(cè)試結(jié)果如表1所示。

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圖5 距離閱讀器天線1 m處頻譜圖

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圖6 掃描前后應(yīng)用程序界面圖

測(cè)試結(jié)果分析：由于閱讀器發(fā)射的電磁波在空間傳播時(shí)，其能量會(huì)隨著距離的增加而耗散，所以導(dǎo)致閱讀器的讀取成功率下降。此外，閱讀器讀取成功率還與閱讀器天線和標(biāo)簽天線的特性有關(guān)。由圖5可以看出，閱讀器正常工作時(shí)頻率處于840～960 MHz之間，且能正確讀取符合ISO/IEC 18000?6C協(xié)議的標(biāo)簽，證明閱讀器處于正常工作狀態(tài)，且滿足超高頻閱讀器要求。

表1 不同距離時(shí)的盤(pán)點(diǎn)成功次數(shù)

[距離 /m＼&；1＼&；2＼&；3＼&；4＼&；5＼&；盤(pán)點(diǎn)成功次數(shù)＼&；20＼&；19＼&；17＼&；13＼&；10＼&；]

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AS3992芯片的手持式超高頻RFID閱讀器。此閱讀器滿足ISO/IEC 18000?6C協(xié)議，可通過(guò)LCD顯示屏直接將標(biāo)簽信息呈現(xiàn)給用戶。閱讀器采用容量為4 000 mAh的3.7 V可充電式鋰電池供電，并且發(fā)射頻率可調(diào)（840～960 MHz）。此外，閱讀器移植了Linux操作系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行更加合理高效，同時(shí)便于其他功能的擴(kuò)展。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足手持式超高頻RFID閱讀器的要求，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

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[6] 謝方樂(lè).基于ARM和μClinux的UHF RFID手持機(jī)設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

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[8] 劉宏偉，李成.ISO/IEC 18000?6C簡(jiǎn)析[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2007（7）：21?24.

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[10] 田龍.天線自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2013.

[11] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[12] 李青青.RFID防碰撞算法研究[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2012.

[13] 余忠毅.基于ARM11處理器的超高頻RFID閱讀器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.