基于DSP技術(shù)的RFID讀寫器設(shè)計(jì)

文章出處：http://56733.cn 作者：鄒立明，范科峰 ，戴 葵   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月14日

    RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識(shí)別。射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是從20世紀(jì)80年代興起并逐漸走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別與數(shù)據(jù)交換的目的。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)。作為條形碼的無線版本，RFID技術(shù)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(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)信息更改自如等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一，在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)等各個(gè)行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。我國的第2代身份證即采用了RFID技術(shù)，世界上最大的零售商沃爾瑪也要求其最大的100個(gè)供應(yīng)商從2005年1月1日起開始采用RFID技術(shù)。

    1 RFID概述

    一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)如圖1，有以下幾部分組成：標(biāo)簽(Tag)，由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；讀寫器(Reader)，讀取(有時(shí)還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備；天線(Antenna)，在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。

圖1 最基本的RFID系統(tǒng)

    電子標(biāo)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(shè)計(jì)基于IS015693標(biāo)準(zhǔn)，工作于13．56 MHz，適用的電子標(biāo)簽是無源的。無源標(biāo)簽從讀寫器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中以電感耦合的方式獲得能量。讀寫器首先從后臺(tái)計(jì)算機(jī)接收命令，然后將命令數(shù)據(jù)按照ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)簽接收命令數(shù)據(jù)通過改變能量強(qiáng)度發(fā)射響應(yīng)信息，讀寫器通過天線接收電子標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)解碼后傳送給上位機(jī)做進(jìn)一步處理。

    2 讀寫器的設(shè)計(jì)

    2．1 讀寫器的核心控件

    在本讀寫器的設(shè)計(jì)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(diǎn)DSP芯片。最高主頻可達(dá)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(kuò)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(jié)構(gòu)更加清晰，縮短軟件開發(fā)周期。

    2．2 讀寫器的硬件設(shè)計(jì)

    讀寫器的硬件組成，如圖2所示，是一個(gè)基于TMS320LF2812的DSP系統(tǒng)，完成與電子標(biāo)簽和上位機(jī)的雙向通信，其中DSP在與電子標(biāo)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(jié)構(gòu)圖

    DSP產(chǎn)生脈沖位置編碼，控制13．56 MHz載頻的輸出，實(shí)現(xiàn)脈沖位置調(diào)制。調(diào)制電路輸出信號(hào)的功率很弱，需將此信號(hào)進(jìn)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(duì)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(dá)25 MHz。輸出通過電位器 實(shí)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(shí)表現(xiàn)為阻抗z，為了實(shí)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(zhuǎn)換為50Ω，然后通過50Ω的同軸電纜將功率從讀寫器末級(jí)傳送到天線匹配電路。

    在設(shè)計(jì)過程共配有4個(gè)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(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)采用負(fù)載調(diào)制的方式(同時(shí)使用副載波)進(jìn)行發(fā)射，即首先將曼徹斯特編碼的信號(hào)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(hào)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(gè)邊帶，放大后再送人解調(diào)器，解調(diào)器將邊帶信號(hào)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(hào)，再進(jìn)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(hào)，經(jīng)過DSP的片上AD采樣、處理、判決后進(jìn)行解碼和校驗(yàn)，完成整個(gè)信號(hào)的接收處理過程。

    2．3 讀寫器的軟件設(shè)計(jì)

    在ISO15693標(biāo)準(zhǔn)中，從讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)編碼采用脈沖位置調(diào)制方，電子標(biāo)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(gè)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(gè)時(shí)間周期的某一處，其時(shí)間周期為256／f,(18．88μs，高低電平分別為9．44μs)， 因此一個(gè)字節(jié)的傳輸需要4．833 ms。在1／4模式中，一個(gè)脈沖的位置確定一個(gè)字節(jié)的兩位(00，01，10或11)，如圖3所示，4個(gè)連續(xù)的循環(huán)確定一個(gè)字節(jié)，傳輸一個(gè)字節(jié)需要302．08μs。 

圖3 1／4模式編碼

    兩種編碼模式的實(shí)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(shí)間(對(duì)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(shí)要盡可能精確，以避免偏差累積引起的編碼錯(cuò)誤。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812做處理器，最高主頻可達(dá)150 MHz，可以設(shè)定主頻為135．6 MHz，這樣在程序設(shè)計(jì)方面會(huì)有一定的便利，充分利用了TMS320F2812的特點(diǎn)，提高了精度，但還需注意跳轉(zhuǎn)指令和流水線對(duì)精確定時(shí)的影響。本設(shè)計(jì)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(gè)位。4個(gè)連續(xù)的位對(duì)構(gòu)成1個(gè)字節(jié)，首先傳送最低的位對(duì)。例如：圖3示出了VCD(讀寫器)傳送 E1 =(11100001)b=225。

    2．4 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

    讀寫器從電子標(biāo)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(gè)字節(jié)(16位)的CRC校驗(yàn)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(biāo)簽發(fā)出一個(gè)命令后即開始采樣，如果在一定的時(shí)間內(nèi)接收到SOF，說明有返回信號(hào)，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(shí)際實(shí)驗(yàn)中讀寫器的讀寫距離、信號(hào)強(qiáng)弱、噪聲干擾的大小對(duì)讀寫的準(zhǔn)確度有較大影響。讀寫器在在電子標(biāo)簽距離讀寫器的天線較近時(shí)，信號(hào)相對(duì)干擾信號(hào)比較強(qiáng)，判決門限容易選取。對(duì)信號(hào)的判別比較容易，解碼方便，結(jié)果也比較準(zhǔn)確。但當(dāng)電子標(biāo)簽距離讀寫器的天線較遠(yuǎn)但又在讀寫器的工作范圍之內(nèi)時(shí)，信號(hào)的強(qiáng)度與噪聲相當(dāng)，判決門限很難選取，需要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波，然后自適應(yīng)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(shè)計(jì)

    防沖突程序設(shè)計(jì)是讀寫器程序設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(gè)或多個(gè)VICCs通訊中處于主導(dǎo)地位。它通過發(fā)布目錄請(qǐng)求初始化卡通訊。當(dāng)讀寫器進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，在其天線覆蓋范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽將被激活，處于等待狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)讀寫器指令操作，這就造成了標(biāo)簽讀寫沖突。為了解決這一問題，標(biāo)簽內(nèi)部設(shè)計(jì)了自帶防沖突機(jī)制，只需利用相關(guān)的指令集輔助設(shè)計(jì)一種防沖突程序即可。

    防沖突程序流程圖，如圖6所示。當(dāng)處于激活狀態(tài)的標(biāo)簽接收到讀寫器SELECT命令時(shí)，便發(fā)送自身UID給讀寫器。此時(shí)如果有一個(gè)以上的標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送UID，則讀寫器判定沖突發(fā)生，發(fā)送FAIL命令給標(biāo)簽，標(biāo)簽通過內(nèi)部防沖突算法對(duì)自身相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行修改之后，符合條件的標(biāo)簽將再次發(fā)送UID給讀寫器，由讀寫器判定沖突，重復(fù)上述操作，直到只有一個(gè)標(biāo)簽符合條件，則跳出防沖突程序，進(jìn)入標(biāo)簽后續(xù)處理程序。同時(shí)，剩余標(biāo)簽自動(dòng)修改自身相關(guān)數(shù)值，為下一次讀取做準(zhǔn)備，如果此時(shí)沒有符合條件的標(biāo)簽，則讀寫器發(fā)送SUCCESS命令，標(biāo)簽修改自身參數(shù)，等待讀寫器檢測(cè)命令 。

圖6 防沖突程序流程圖

    3 結(jié)束語

    文中基于RFID的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15693，設(shè)計(jì)了工作于13．56 MHz的RFID讀寫器，可以進(jìn)行全方向讀寫標(biāo)簽的新型讀寫設(shè)備，配有輸入輸出IO、RS232、RS485及CAN總線等通信接口，配備有兩個(gè)天線，最大讀寫距離可以達(dá)到1．5 m-1．8 m左右，多卡識(shí)別能力達(dá)到每秒45張，可以有效地滿足各類RFID應(yīng)用領(lǐng)域的需求?；谠撟x寫器的門禁系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用，實(shí)際效果良好。

    (1．桂林電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院, 2．中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所電子設(shè)備與信息研究中心，鄒立明，范科峰 ，戴 葵)