基于DSP技術(shù)的RFID讀寫(xiě)器設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 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(xiě)，即射頻識別。射頻識別(RFID)技術(shù)是從20世紀80年代興起并逐漸走向成熟的一項自動(dòng)識別技術(shù)，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達到目標識別與數據交換的目的。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)須人工干預。作為條形碼的無(wú)線(xiàn)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(cháng)、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被世界公認為本世紀十大重要技術(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(zhù)廣闊的應用前景。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)供應商從2005年1月1日起開(kāi)始采用RFID技術(shù)。
1 RFID概述
一個(gè)最基本的RFID系統如圖1，有以下幾部分組成：標簽(Tag)，由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標簽具有唯一的電子編碼，附著(zhù)在物體上標識目標對象；讀寫(xiě)器(Reader)，讀取(有時(shí)還可以寫(xiě)入)標簽信息的設備；天線(xiàn)(Antenna)，在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。
圖1 最基本的RFID系統
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(xiě)器設計基于IS015693標準，工作于13．56 MHz，適用的電子標簽是無(wú)源的。無(wú)源標簽從讀寫(xiě)器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中以電感耦合的方式獲得能量。讀寫(xiě)器首先從后臺計算機接收命令，然后將命令數據按照ISO標準進(jìn)行編碼調制并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去，處于讀寫(xiě)器工作區的電子標簽接收命令數據通過(guò)改變能量強度發(fā)射響應信息，讀寫(xiě)器通過(guò)天線(xiàn)接收電子標簽的響應信號，進(jìn)行解調解碼后傳送給上位機做進(jìn)一步處理。
2 讀寫(xiě)器的設計
2．1 讀寫(xiě)器的核心控件
在本讀寫(xiě)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(diǎn)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內部集成了16通道的12 bit ADC，故無(wú)須再外擴ADC，這樣可以使硬件電路變得更簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)周期。
2．2 讀寫(xiě)器的硬件設計
讀寫(xiě)器的硬件組成，如圖2所示，是一個(gè)基于TMS320LF2812的DSP系統，完成與電子標簽和上位機的雙向通信，其中DSP在與電子標簽的數據交換中完成編碼和解碼的功能。
圖2 讀寫(xiě)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(shí)現脈沖位置調制。調制電路輸出信號的功率很弱，需將此信號進(jìn)行功率放大，然后經(jīng)過(guò)濾波和調諧后加到天線(xiàn)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(guò)電位器 實(shí)現功率調節，可以調整的最小功率為0．5 W，最大為6 W。天線(xiàn)線(xiàn)圈在13．56 MHz的工作頻率時(shí)表現為阻抗z，為了實(shí)現與50Ω系統的功率匹配，系統通過(guò)無(wú)源的匹配電路將此阻抗轉換為50Ω，然后通過(guò)50Ω的同軸電纜將功率從讀寫(xiě)器末級傳送到天線(xiàn)匹配電路。
在設計過(guò)程共配有4個(gè)天線(xiàn)，可根據不同的距離需求調換。在ISO15693協(xié)議中，電子標簽到讀寫(xiě)器的數據采用負載調制的方式(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(xiě)器的接收通道中，首先通過(guò)帶通濾波器取出一個(gè)邊帶，放大后再送人解調器，解調器將邊帶信號與本地13．56 MHz載波混頻濾波后獲得調制到副載波上的中頻信號，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(méi)有經(jīng)過(guò)抽樣判決是模擬信號，經(jīng)過(guò)DSP的片上AD采樣、處理、判決后進(jìn)行解碼和校驗，完成整個(gè)信號的接收處理過(guò)程。
2．3 讀寫(xiě)器的軟件設計
在ISO15693標準中，從讀寫(xiě)器到電子標簽的數據編碼采用脈沖位置調制方，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(gè)字節的值由脈沖的位置表示，脈沖的位置在連續的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)字節的兩位(00，01，10或11)，如圖3所示，4個(gè)連續的循環(huán)確定一個(gè)字節，傳輸一個(gè)字節需要302．08μs。
圖3 1／4模式編碼
兩種編碼模式的實(shí)現方法基本相同，首先根據要編碼的數據x確定脈沖前后高電平的時(shí)間(對1／256模式，分別為X318．88μs和(FF—x)318．88μs)，然后順序調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(huì )有一定的便利，充分利用了TMS320F2812的特點(diǎn)，提高了精度，但還需注意跳轉指令和流水線(xiàn)對精確定時(shí)的影響。本設計方安選用1／4模式編碼，使用4取1脈沖位置調制模式，這種位置一次決定2個(gè)位。4個(gè)連續的位對構成1個(gè)字節，首先傳送最低的位對。例如：圖3示出了VCD(讀寫(xiě)器)傳送 E1 =(11100001)b=225。
2．4 設計結果分析
讀寫(xiě)器從電子標簽接收的數據是按幀發(fā)送的，每一幀包括幀頭(SOF)、數據和幀尾(EOF)，幀尾前是2個(gè)字節(16位)的CRC校驗值。本讀寫(xiě)器接收數據的幀頭波形如圖4，接收數據的幀未波形與幀頭波形相反。讀寫(xiě)器接收數據的波形如圖5所示，啟始部分是接收命令，第二部分是幀頭，第三部分是傳輸數據，最后是幀尾。讀寫(xiě)器在向電子標簽發(fā)出一個(gè)命令后即開(kāi)始采樣，如果在一定的時(shí)間內接收到SOF，說(shuō)明有返回信號，則繼續采樣，直至接收到EOF；否則，立即返回。
圖4 讀寫(xiě)器接收數據的幀頭波形
圖5 讀寫(xiě)器接收數據的波形
在實(shí)際實(shí)驗中讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)距離、信號強弱、噪聲干擾的大小對讀寫(xiě)的準確度有較大影響。讀寫(xiě)器在在電子標簽距離讀寫(xiě)器的天線(xiàn)較近時(shí)，信號相對干擾信號比較強，判決門(mén)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(xiě)器的天線(xiàn)較遠但又在讀寫(xiě)器的工作范圍之內時(shí)，信號的強度與噪聲相當，判決門(mén)限很難選取，需要對采樣信號進(jìn)行濾波，然后自適應地選定判決門(mén)限，提高讀寫(xiě)距離和讀寫(xiě)精度。
2．5 防沖突程序設計
防沖突程序設計是讀寫(xiě)器程序設計中的一個(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通訊中處于主導地位。它通過(guò)發(fā)布目錄請求初始化卡通訊。當讀寫(xiě)器進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，在其天線(xiàn)覆蓋范圍內的所有標簽將被激活，處于等待狀態(tài)，隨時(shí)準備響應讀寫(xiě)器指令操作，這就造成了標簽讀寫(xiě)沖突。為了解決這一問(wèn)題，標簽內部設計了自帶防沖突機制，只需利用相關(guān)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(xiě)器SELECT命令時(shí)，便發(fā)送自身UID給讀寫(xiě)器。此時(shí)如果有一個(gè)以上的標簽同時(shí)發(fā)送UID，則讀寫(xiě)器判定沖突發(fā)生，發(fā)送FAIL命令給標簽，標簽通過(guò)內部防沖突算法對自身相關(guān)參數值進(jìn)行修改之后，符合條件的標簽將再次發(fā)送UID給讀寫(xiě)器，由讀寫(xiě)器判定沖突，重復上述操作，直到只有一個(gè)標簽符合條件，則跳出防沖突程序，進(jìn)入標簽后續處理程序。同時(shí)，剩余標簽自動(dòng)修改自身相關(guān)數值，為下一次讀取做準備，如果此時(shí)沒(méi)有符合條件的標簽，則讀寫(xiě)器發(fā)送SUCCESS命令，標簽修改自身參數，等待讀寫(xiě)器檢測命令 。
圖6 防沖突程序流程圖
3 結束語(yǔ)
文中基于RFID的國際標準ISO15693，設計了工作于13．56 MHz的RFID讀寫(xiě)器，可以進(jìn)行全方向讀寫(xiě)標簽的新型讀寫(xiě)設備，配有輸入輸出IO、RS232、RS485及CAN總線(xiàn)等通信接口，配備有兩個(gè)天線(xiàn)，最大讀寫(xiě)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(mǎn)足各類(lèi)RFID應用領(lǐng)域的需求?；谠撟x寫(xiě)器的門(mén)禁系統已經(jīng)在實(shí)際中得到應用，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)標準化研究所電子設備與信息研究中心，鄒立明，范科峰 ，戴 葵)
