超高頻RFID讀寫器設(shè)計(jì)

射頻身份識別(RFID，Radio Frequency Identification)，是一種非接觸式的自動(dòng)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(diǎn)。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(jì)，單片機(jī)采用飛利浦的LPC2103，設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)，重點(diǎn)介紹了軟件設(shè)計(jì)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(FMO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，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ISC／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(diǎn)。
    ISO／IEC18000-6C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)簽通信過程中濱寫器的狀態(tài)分為Select、Inventory和Access 3個(gè)狀態(tài)，而標(biāo)簽狀態(tài)則分為Ready、Arbitrate、Reply等7個(gè)狀態(tài)。
1．2 防碰撞算法
    ISO／IEC 18000-6C協(xié)議采用隨機(jī)槽時(shí)隙防碰撞算法，標(biāo)簽用槽計(jì)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(shí)隙計(jì)數(shù)器的值，用QueryAdjust設(shè)置Q值大小，從而決定標(biāo)簽槽時(shí)隙計(jì)數(shù)器的范圍，圖1為選擇Q值的算法。

    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(dòng)態(tài)變化的，初值取round(Qfp)。一個(gè)時(shí)隙后，若該時(shí)隙是沖突時(shí)隙，則將Qfp加上參數(shù)C；若是空閑時(shí)隙，則將Qfp減去參數(shù)C；若是成功時(shí)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(gè)時(shí)隙還是重新開啟一個(gè)新的幀。

2 讀寫器硬件設(shè)計(jì)
    讀寫器射頻前端設(shè)計(jì)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)，利用兩級放大器和比較器，其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

    為保證能夠達(dá)到預(yù)期通信參數(shù)，設(shè)計(jì)選用飛利浦的LPC2103，此芯片價(jià)格便宜，帶串口，資源非常豐富，具有8 KRAM，32 K Flash，32 bit和16 bit的定時(shí)器，30個(gè)可用I／O口，時(shí)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(bǔ)償?shù)牟罘址糯箅娐?，最后?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(jì)
3．1 數(shù)字基帶處理模塊
    數(shù)字基帶處理模塊是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)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(gè)讀寫器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。此設(shè)計(jì)中采用隨機(jī)槽時(shí)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(jì)
    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(shí)間寬度來表示數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)中定義一個(gè)名稱為“Tari”的時(shí)間間隔，也成為基準(zhǔn)時(shí)間間隔，該時(shí)間段為相鄰兩個(gè)脈沖下降沿的時(shí)間寬度，持續(xù)時(shí)間為25μs。此設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)0和1的PIE編碼與“Tari”時(shí)間按段的關(guān)系如表3所示。設(shè)計(jì)中使用定時(shí)器進(jìn)行較精確的PIE編碼。
    PIE編碼過程：首先設(shè)置編碼邏輯，即定時(shí)器中的值大于等于T時(shí)輸出為1，小于T時(shí)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(shí)器值為2T，時(shí)鐘每來一次做自減運(yùn)算；數(shù)據(jù)為1時(shí)則設(shè)置定時(shí)器中的值為4T，時(shí)鐘每來一次做自減運(yùn)算。
3．4 讀寫器解碼設(shè)計(jì)
    FMO(Bi-Phase Space)解碼，即雙相間隔解碼，工作原理是在一個(gè)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(gè)位窗的持續(xù)時(shí)間是25μs。

    FMO解碼大體過程：首先讀寫器同時(shí)對I和Q兩路信號進(jìn)行采樣，利用狀態(tài)機(jī)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FMO編碼的特點(diǎn)可知，F(xiàn)MO每個(gè)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(diǎn)來判斷出此位窗所表示的數(shù)據(jù)。設(shè)定一個(gè)位窗時(shí)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”。

4 結(jié)束語
    本文中設(shè)計(jì)主芯片采用LPC2103與Si4031，硬件電路簡單易于實(shí)現(xiàn)；基于ISO／IEC 18000-6C，利用防碰撞算法設(shè)計(jì)實(shí)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(qiáng)了讀寫器的讀寫性能；最后通過簡單分析，介紹了PIE編碼和FMO解碼的過程。