頻率可調(diào)的多協(xié)議RFID讀寫器設計

摘要：本文分析了讀寫器和標簽之間的通信條件，通過配置無線收發(fā)芯片的寄存器可設定芯片的工作頻率和傳輸速率，通過調(diào)整芯片外圍匹配網(wǎng)絡的元件參數(shù)達到與芯片的工作頻率相匹配，并用軟件編程實現(xiàn)所需的編解碼方式和數(shù)據(jù)包格式，得到一種新型適應性強的RFID讀寫器的設計方案。
關(guān)鍵詞：RFID；讀寫器；頻率可調(diào)；通信協(xié)議；STM32F103VET6

引言
    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種通過無線電信號來識別并讀取特定目標信息的通信技術(shù)。射頻識別系統(tǒng)主要包括3部分：標簽、讀寫器、天線。讀寫器與標簽之間通過天線傳輸射頻信號。RFID作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵應用技術(shù)之一，已成為市場關(guān)注的焦點，行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。按照標簽內(nèi)部是否帶電源，可分為有源標簽和無源標簽；按照標簽的工作頻段，可分為低頻標簽、高頻標簽、超高頻標簽和微波標簽。隨著RFID技術(shù)的逐漸成熟，國際上制定了一些通信協(xié)議標準，標準中規(guī)定了讀寫器與標簽通信的物理介質(zhì)、通信速率、編碼方式、調(diào)制方式等。目前經(jīng)常使用ISO 14443系列、ISO15693系列和ISO 18000系列等標準。
    如今RFID技術(shù)發(fā)展成熟，應用廣泛，標簽的種類繁多。但目前市面上RFID讀寫器的通信頻率固定，且一般只滿足某一種或者兩種ISO協(xié)議標準。頻率相同且遵循的通信協(xié)議相同，是標簽和讀寫器能正常通信的必要條件。對于工作在某種頻段并符合某種通信協(xié)議的標簽，只能選用滿足這種頻率和這種通信協(xié)議的讀寫器才能讀取。目前，市場上那些頻段固定、通信協(xié)議單一的射頻讀寫器已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)的需求了。
    基于此，本文所設計的RFID讀寫器可根據(jù)待讀取標簽的頻率及協(xié)議的不同，調(diào)整自身的參數(shù)信息，以實現(xiàn)多種標簽的讀取。還可以提高讀寫器的利用率，減少RFID讀寫器的種類，降低讀寫器的成本，給使用者提供方便。

1 系統(tǒng)方案設計
    RFID讀寫器選用STM32F103VET6芯片作為主控制器，與標簽通信的部分選用CC1101射頻收發(fā)模塊。讀寫器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    主控制器STM32F103VET6與射頻收發(fā)模塊CC1101之間通過SPI接口傳輸數(shù)據(jù)，CC1101負責與標簽通信。液晶顯示模塊用來顯示讀寫器系統(tǒng)的狀態(tài)和所讀取的標簽信息。讀寫器可以通過Wi—Fi無線收發(fā)模塊和其他設備無線通信，可以將讀取到的標簽信息傳送到遠端。
    讀寫器在與標簽通信時，信號最終是以電磁波的形式傳播的。STM32F103VET6將要傳輸?shù)臄?shù)字信息編碼后傳輸給CC1101，經(jīng)CC1101調(diào)制成高頻的射頻電磁波RF1傳播出去。標簽接收到RF1信號后，將自身的信息調(diào)制成RF2發(fā)送出去。讀寫器中的CC1101將RF2射頻信號解調(diào)，再經(jīng)STM 32F103VET6處理器解碼，獲得標簽的數(shù)據(jù)信息。整個通信過程如圖2所示。

    RFID讀寫器和標簽之間的信息能否準確地進行交換，與兩者的數(shù)據(jù)編解碼方式、數(shù)據(jù)格式、調(diào)制解調(diào)方式，以及傳輸速率有關(guān)，通信協(xié)議對此進行了規(guī)定，通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    為實現(xiàn)對不同頻段、不同通信協(xié)議的標簽的讀取，RFID讀寫器需要解決頻率可調(diào)和通信協(xié)議可變兩大問題。對于頻率問題，讀寫器通過設置CC1101的頻率寄存器來設定頻率，這屬于系統(tǒng)軟件設計的內(nèi)容；同時，通過改變CC1101外圍電路的元件參數(shù)值以匹配所設定的工作頻段，這屬于系統(tǒng)硬件設計的內(nèi)容。對于協(xié)議問題，編解碼方式和數(shù)據(jù)格式可以通過在主控制器STM32F103VET6中編程實現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)方式和傳輸速率都可以通過配置CC1101中的調(diào)制器配置寄存器實現(xiàn)，對協(xié)議的設置均屬于系統(tǒng)軟件設計的內(nèi)容。

2 讀寫器系統(tǒng)硬件設計
    讀寫器系統(tǒng)硬件部分包括STM32F103VET6主控器、CC1101射頻收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、Wi—Fi收發(fā)模塊等。讀寫器通過CC1101射頻收發(fā)模塊與標簽進行通信，讀寫器硬件設計中最關(guān)鍵的是CC1101射頻收發(fā)模塊的外圍匹配網(wǎng)絡的設計。
2．1 射頻收發(fā)模塊
    本設計中選用的CC1101射頻收發(fā)模塊可工作于300～348 MHz、387～464 MHz和779～928 MHz頻段，通過配置CC1101中的頻率寄存器可很方便地實現(xiàn)CC1101工作頻率的設定。圖4和圖5構(gòu)成了整個CC1101射頻收發(fā)模塊。

    圖4是CC1101的引腳連接圖，CC1101通過SPI與STM32F103VET6相連。圖5是連接CC1101的射頻端口和天線的匹配網(wǎng)絡圖。外圍匹配電路可以進行阻抗和頻率的匹配。當CC1101的頻率寄存器中值改變時，外圍匹配電路也需進行調(diào)整，才能適應CC1101設定的各工作頻率。
    經(jīng)CC1101的射頻端口RF_N與RF_P輸入、輸出的都是差分信號。與射頻端口相連的是一個巴倫轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)差分信號和單端信號的轉(zhuǎn)換。與巴倫轉(zhuǎn)換電路的另一端相連的是兩個L型網(wǎng)絡，用來濾波和進行阻抗匹配。最末端連接的是天線，可以發(fā)送和接收電磁波。CC1101可以在發(fā)送模式和接收模式之間進行切換。
    CC1101工作頻段較寬，一套固定的匹配網(wǎng)絡無法滿足工作頻段內(nèi)的所有頻率。本設計中采用了兩套匹配網(wǎng)絡，分別對應300～410 MHz頻段和410～928 MHz頻段，從而覆蓋CC1101所有工作頻率。這兩套電路網(wǎng)絡只是元件參數(shù)值不同，它們的結(jié)構(gòu)一致，均如圖5所示。兩套電路中均有可調(diào)電容與電感，通過改變可調(diào)電容C1和可調(diào)電感L1的值可設定對應頻段內(nèi)的任意頻率點。圖6給出了頻率設定的仿真結(jié)果，其中各子圖的中心頻率分別設定為328 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz。
    圖6中這4條曲線的最高點對應的就是匹配網(wǎng)絡的中心頻率。由仿真結(jié)果可知，圖5所示匹配網(wǎng)絡電路可以實現(xiàn)中心頻率可調(diào)，解決了與CC1101中設定的工作頻率的匹配問題。

2．2 液晶顯示模塊
    液晶顯示模塊可顯示讀寫器的狀態(tài)信息及讀取到的標簽信息，本設計使用MG-12864型液晶顯示器。MG-12864是128(列)×64(行)點陣的液晶顯示模塊，點陣式液晶顯示具有顯示信息量大、功耗低、壽命長等特點。
    MG-12864內(nèi)含漢字字庫，顯示漢字時只需調(diào)用即可，十分方便。用MG-12864作為讀寫器的顯示終端，可實時顯示讀寫器當前狀態(tài)和讀取的標簽信息。
2．3 Wi-Fi收發(fā)模塊
    Wi—Fi收發(fā)模塊選用Marvell公司的低功耗SoC88W8686芯片組成的WM-G-MR-09模塊。WM-G-MR-09模塊符合2．4 GHz的Wi—Fi標準，封裝尺寸小，與主控制器STM32F103VET6的SPI接口相連。
    添加Wi—Fi收發(fā)模塊可以使讀寫器的工作范圍更廣。讀寫器可以做成便攜式，在讀取到標簽信息后通過Wi—Fi收發(fā)模塊將標簽數(shù)據(jù)經(jīng)具有Wi—Fi標準的無線路由上傳給服務器，可以作為物聯(lián)網(wǎng)的終端使用。

3 讀寫器系統(tǒng)軟件設計
    RFID讀寫器和標簽之間信息的交換遵循的協(xié)議和讀寫器中心頻率的調(diào)節(jié)可通過系統(tǒng)軟件設計來完成。圖7給出了整個系統(tǒng)的軟件流程圖。

    CC1101可以完成信號的調(diào)制與解調(diào)。3種基本調(diào)制方式為頻移鍵控、幅移鍵控、相移鍵控。本設計中選用的CC1101芯片可以支持這3種調(diào)制方式，并能進行相應的解調(diào)。系統(tǒng)初始化時配置CC1101的MDMCFG2寄存器，可選擇與標簽一致的調(diào)制解調(diào)方式。
    CC1101有可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，最高可達500kbps，系統(tǒng)初始化時配置MDMCFG3寄存器和MDMCFG4寄存器，可實現(xiàn)設置任意數(shù)據(jù)傳輸率，從而匹配不同的標簽。
    數(shù)據(jù)幀格式也可以通過編程實現(xiàn)。按照標簽符合的數(shù)據(jù)幀格式編排讀寫器欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)加上幀頭與幀尾，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)編程生成CRC校驗碼。讀寫器接收標簽信息時，同樣根據(jù)標簽的數(shù)據(jù)幀格式，將數(shù)據(jù)包分解，還可以根據(jù)CRC校驗碼檢驗數(shù)據(jù)的正確性。
    圖8給出了編程實現(xiàn)的二進制信號經(jīng)FM0編碼后再進行FM0解碼的結(jié)果對照圖。

    軟件編程的重點是實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)編解碼方式。目前，RFID領(lǐng)域廣泛使用的數(shù)據(jù)編解碼方式有FM0編碼、PIE編碼和Manchester編碼等。而這些編解碼方式都可以容易地用編程實現(xiàn)。數(shù)據(jù)在主控制器中編解碼并按照一定的數(shù)據(jù)幀格式打包和分析，不受無線收發(fā)芯片對編解碼方式，以及數(shù)據(jù)幀格式的限制，設計出來的讀寫器可以滿足多種編解碼方式和數(shù)據(jù)格式的電子標簽。
    從圖8中可以看出，原始信號經(jīng)FM0編碼后再由FM0解碼的結(jié)果和原始信號一致，證明編程實現(xiàn)FM0編解碼很成功。其他編解碼方式類似，也可編程實現(xiàn)。

結(jié)語
    本文給出了一種頻率可調(diào)、協(xié)議可變的RFID讀寫器的設計方案。讀寫器能實現(xiàn)工作頻率可調(diào)，支持多種通信協(xié)議，能與多種標簽通信等功能，且適應性強、成本低，給RFID的應用帶來了極大的方便。