基于DSP技術的RFID讀寫器設計

文章出處：http://overnightmodel.com 作者：鄒立明，范科峰 ，戴 葵   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月14日

    RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。射頻識別(RFID)技術是從20世紀80年代興起并逐漸走向成熟的一項自動識別技術，它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到目標識別與數(shù)據(jù)交換的目的。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預。作為條形碼的無線版本，RFID技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點，已經(jīng)被世界公認為本世紀十大重要技術之一，在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個行業(yè)等各個行業(yè)有著廣闊的應用前景。我國的第2代身份證即采用了RFID技術，世界上最大的零售商沃爾瑪也要求其最大的100個供應商從2005年1月1日起開始采用RFID技術。

    1 RFID概述

    一個最基本的RFID系統(tǒng)如圖1，有以下幾部分組成：標簽(Tag)，由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象；讀寫器(Reader)，讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備；天線(Antenna)，在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。

圖1 最基本的RFID系統(tǒng)

    電子標簽的工作頻率有3種：低頻(125 kHz)、中頻(13．56 MHz)和高頻(2．45 GHz，5．8 GHz)。文中的讀寫器設計基于IS015693標準，工作于13．56 MHz，適用的電子標簽是無源的。無源標簽從讀寫器產(chǎn)生的電磁場中以電感耦合的方式獲得能量。讀寫器首先從后臺計算機接收命令，然后將命令數(shù)據(jù)按照ISO標準進行編碼調(diào)制并通過天線發(fā)射出去，處于讀寫器工作區(qū)的電子標簽接收命令數(shù)據(jù)通過改變能量強度發(fā)射響應信息，讀寫器通過天線接收電子標簽的響應信號，進行解調(diào)解碼后傳送給上位機做進一步處理。

    2 讀寫器的設計

    2．1 讀寫器的核心控件

    在本讀寫器的設計中采用的控制核心器件是DS MS320F2812，它是TI公司2003年推出的32 bit定點DSP芯片。最高主頻可達150 MHz，128 kbit的Flash，18 kbit的RAM，16通道的12 bit ADC，支持ANCIC／C++。由于TMS320F2812內(nèi)部集成了16通道的12 bit ADC，故無須再外擴ADC，這樣可以使硬件電路變得更簡潔。使DSP工作它采用了位域編程的環(huán)境，程序結構更加清晰，縮短軟件開發(fā)周期。

    2．2 讀寫器的硬件設計

    讀寫器的硬件組成，如圖2所示，是一個基于TMS320LF2812的DSP系統(tǒng)，完成與電子標簽和上位機的雙向通信，其中DSP在與電子標簽的數(shù)據(jù)交換中完成編碼和解碼的功能。

圖2 讀寫器硬件結構圖

    DSP產(chǎn)生脈沖位置編碼，控制13．56 MHz載頻的輸出，實現(xiàn)脈沖位置調(diào)制。調(diào)制電路輸出信號的功率很弱，需將此信號進行功率放大，然后經(jīng)過濾波和調(diào)諧后加到天線上，以提高對卡的操作距離。功率放大電路采用NPN型的射頻功率晶體管MRF426，發(fā)射功率為4 w，工作頻率可達25 MHz。輸出通過電位器 實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，可以調(diào)整的最小功率為0．5 W，最大為6 W。天線線圈在13．56 MHz的工作頻率時表現(xiàn)為阻抗z，為了實現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，系統(tǒng)通過無源的匹配電路將此阻抗轉換為50Ω，然后通過50Ω的同軸電纜將功率從讀寫器末級傳送到天線匹配電路。

    在設計過程共配有4個天線，可根據(jù)不同的距離需求調(diào)換。在ISO15693協(xié)議中，電子標簽到讀寫器的數(shù)據(jù)采用負載調(diào)制的方式(同時使用副載波)進行發(fā)射，即首先將曼徹斯特編碼的信號加載到副載波(有ASK單副載波423．75 kHz和FSK 雙副載波423．75 kHz、484．28 kHz兩種方式)，然后再將信號加載到主載波13．56 MHz上。因此，在讀寫器的接收通道中，首先通過帶通濾波器取出一個邊帶，放大后再送人解調(diào)器，解調(diào)器將邊帶信號與本地13．56 MHz載波混頻濾波后獲得調(diào)制到副載波上的中頻信號，再進行ASK或FSK檢波，從而得到曼徹斯特碼波形。這里所得的曼徹斯特碼波形沒有經(jīng)過抽樣判決是模擬信號，經(jīng)過DSP的片上AD采樣、處理、判決后進行解碼和校驗，完成整個信號的接收處理過程。

    2．3 讀寫器的軟件設計

    在ISO15693標準中，從讀寫器到電子標簽的數(shù)據(jù)編碼采用脈沖位置調(diào)制方，電子標簽支持兩種編碼模式，一種是1／256模式，一種是1／4模式。在1／256模式中，一個字節(jié)的值由脈沖的位置表示，脈沖的位置在連續(xù)的256個時間周期的某一處，其時間周期為256／f,(18．88μs，高低電平分別為9．44μs)， 因此一個字節(jié)的傳輸需要4．833 ms。在1／4模式中，一個脈沖的位置確定一個字節(jié)的兩位(00，01，10或11)，如圖3所示，4個連續(xù)的循環(huán)確定一個字節(jié)，傳輸一個字節(jié)需要302．08μs。 

圖3 1／4模式編碼

    兩種編碼模式的實現(xiàn)方法基本相同，首先根據(jù)要編碼的數(shù)據(jù)x確定脈沖前后高電平的時間(對1／256模式，分別為X318．88μs和(FF—x)318．88μs)，然后順序調(diào)用脈沖前的高電平產(chǎn)生子程序、脈沖產(chǎn)生子程序和脈沖后的高電平產(chǎn)生子程序即可。其中18．88μs的定時要盡可能精確，以避免偏差累積引起的編碼錯誤。本設計采用TMS320F2812做處理器，最高主頻可達150 MHz，可以設定主頻為135．6 MHz，這樣在程序設計方面會有一定的便利，充分利用了TMS320F2812的特點，提高了精度，但還需注意跳轉指令和流水線對精確定時的影響。本設計方安選用1／4模式編碼，使用4取1脈沖位置調(diào)制模式，這種位置一次決定2個位。4個連續(xù)的位對構成1個字節(jié)，首先傳送最低的位對。例如：圖3示出了VCD(讀寫器)傳送 E1 =(11100001)b=225。

    2．4 設計結果分析

    讀寫器從電子標簽接收的數(shù)據(jù)是按幀發(fā)送的，每一幀包括幀頭(SOF)、數(shù)據(jù)和幀尾(EOF)，幀尾前是2個字節(jié)(16位)的CRC校驗值。本讀寫器接收數(shù)據(jù)的幀頭波形如圖4，接收數(shù)據(jù)的幀未波形與幀頭波形相反。讀寫器接收數(shù)據(jù)的波形如圖5所示，啟始部分是接收命令，第二部分是幀頭，第三部分是傳輸數(shù)據(jù)，最后是幀尾。讀寫器在向電子標簽發(fā)出一個命令后即開始采樣，如果在一定的時間內(nèi)接收到SOF，說明有返回信號，則繼續(xù)采樣，直至接收到EOF；否則，立即返回。 

圖4 讀寫器接收數(shù)據(jù)的幀頭波形

圖5 讀寫器接收數(shù)據(jù)的波形

    在實際實驗中讀寫器的讀寫距離、信號強弱、噪聲干擾的大小對讀寫的準確度有較大影響。讀寫器在在電子標簽距離讀寫器的天線較近時，信號相對干擾信號比較強，判決門限容易選取。對信號的判別比較容易，解碼方便，結果也比較準確。但當電子標簽距離讀寫器的天線較遠但又在讀寫器的工作范圍之內(nèi)時，信號的強度與噪聲相當，判決門限很難選取，需要對采樣信號進行濾波，然后自適應地選定判決門限，提高讀寫距離和讀寫精度。

    2．5 防沖突程序設計

    防沖突程序設計是讀寫器程序設計中的一個重要組成部分。防沖突序列的目的，是在VCD工作域中產(chǎn)生由VICC的惟一ID(UID)決定的VICCs目錄。VCD在與一個或多個VICCs通訊中處于主導地位。它通過發(fā)布目錄請求初始化卡通訊。當讀寫器進入工作狀態(tài)時，在其天線覆蓋范圍內(nèi)的所有標簽將被激活，處于等待狀態(tài)，隨時準備響應讀寫器指令操作，這就造成了標簽讀寫沖突。為了解決這一問題，標簽內(nèi)部設計了自帶防沖突機制，只需利用相關的指令集輔助設計一種防沖突程序即可。

    防沖突程序流程圖，如圖6所示。當處于激活狀態(tài)的標簽接收到讀寫器SELECT命令時，便發(fā)送自身UID給讀寫器。此時如果有一個以上的標簽同時發(fā)送UID，則讀寫器判定沖突發(fā)生，發(fā)送FAIL命令給標簽，標簽通過內(nèi)部防沖突算法對自身相關參數(shù)值進行修改之后，符合條件的標簽將再次發(fā)送UID給讀寫器，由讀寫器判定沖突，重復上述操作，直到只有一個標簽符合條件，則跳出防沖突程序，進入標簽后續(xù)處理程序。同時，剩余標簽自動修改自身相關數(shù)值，為下一次讀取做準備，如果此時沒有符合條件的標簽，則讀寫器發(fā)送SUCCESS命令，標簽修改自身參數(shù)，等待讀寫器檢測命令 。

圖6 防沖突程序流程圖

    3 結束語

    文中基于RFID的國際標準ISO15693，設計了工作于13．56 MHz的RFID讀寫器，可以進行全方向讀寫標簽的新型讀寫設備，配有輸入輸出IO、RS232、RS485及CAN總線等通信接口，配備有兩個天線，最大讀寫距離可以達到1．5 m-1．8 m左右，多卡識別能力達到每秒45張，可以有效地滿足各類RFID應用領域的需求?；谠撟x寫器的門禁系統(tǒng)已經(jīng)在實際中得到應用，實際效果良好。

    (1．桂林電子科技大學電子工程學院, 2．中國電子技術標準化研究所電子設備與信息研究中心，鄒立明，范科峰 ，戴 葵)