符合ISO/IEC 18000-6C標準的UHF RFID讀寫(xiě)器設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：林曦, 王敬超, 張春   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月16日

　　引言

　　RFID (radio frequency identification) 是指以識別或數據交換為目的, 利用感應、無(wú)線(xiàn)電波或微波進(jìn)行非接觸雙向通信的自動(dòng)識別技術(shù), 利用這種技術(shù)可以實(shí)現對所有物理對象的追蹤和管理。RFID 有著(zhù)廣泛的應用, 尤其可以對企業(yè)的供應鏈進(jìn)行高效的管理 。

　　2006 年EPC Gen2 納入ISO/ IEC 18000-6 標準,稱(chēng)為ISO/ IEC 18000-6C。在超高頻(UHF) 頻段,ISO/ IEC 18000-6 標準中B 類(lèi)多用于交通領(lǐng)域, 而C類(lèi)主要用于物流、生產(chǎn)管理和供應鏈管理領(lǐng)域。但C 類(lèi)標簽的速度高、價(jià)格低, 生產(chǎn)銷(xiāo)售的數量遠遠超過(guò)B 類(lèi), 有逐步替代B 類(lèi)的趨勢, 成為目前RFID 研究的熱點(diǎn)。

　　本文介紹了一種符合ISO/ IEC 18000-6C 標準的讀卡器設計。射頻前端模塊采用零中頻收發(fā)結構,數字基帶處理模塊在單片機系統上實(shí)現, 并通過(guò)UART 和USB 與計算機(主機) 進(jìn)行通信。所設計的讀寫(xiě)器完成測試后實(shí)現了產(chǎn)品化。

　　1 　ISO/ IEC 18000 協(xié)議

　　1、1 　ISO/ IEC 18000-6C 協(xié)議簡(jiǎn)介

　　ISO/ IEC 18000-6C 在數據傳輸時(shí), 規定先傳輸高字節, 其前向鏈路的調制方式都是ASK, 采用PIE 編碼, 防沖突算法使用基于概率、分槽算法;其后向鏈路是通過(guò)反向散射調制技術(shù)來(lái)實(shí)現傳送數據, 可以選擇FM0 編碼或者密勒編碼。為防止在讀寫(xiě)器獲取標簽信息的過(guò)程中, 把敏感數據擴散出去, 6C 標準采用了相對簡(jiǎn)單的加密算法, 該算法僅對讀寫(xiě)器傳送到標簽的數據信息進(jìn)行加密, 標簽傳送到讀寫(xiě)器的數據信息不進(jìn)行加密, 其實(shí)現過(guò)程是讀寫(xiě)器首先從標簽獲得一個(gè)16 bit寬隨機數, 然后將要傳送的16 bit寬數據與該隨機數進(jìn)行模2 和計算得到密文, 最后標簽解密獲得讀寫(xiě)器發(fā)送的原始數據。

　　ISO/ IEC 18000-6C 標準具備多次寫(xiě)入能力, 并增加了部分存儲空間用于存儲用戶(hù)的附加數據; 允許加入安全與訪(fǎng)問(wèn)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò )和Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò )等功能支持; 具有隨時(shí)更新標簽內容的能力, 保證標簽始終保存最新信息, 其鏈路頻率范圍可以在40～640 kHz 內調整。在本文的設計中, 考慮到模擬前端的解調能力, 采用了50 kb/ s 的傳輸速率,后向鏈路采用FM0 編碼。

　　1、2 　ISO/ IEC 18000-6C 防沖突機制

　　詢(xún)問(wèn)機采用圖所示的三個(gè)基本操作管理標簽群。每個(gè)操作均由一個(gè)或一個(gè)以上的命令組成。三個(gè)基本定義[3 ]如下。

讀卡器/ 標簽操作和標簽狀態(tài)

　　(1) 選擇: 讀寫(xiě)器選擇標簽群以便于盤(pán)存和訪(fǎng)問(wèn)的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)機可以用一個(gè)或一個(gè)以上的選擇命令在盤(pán)存之前選擇特定的標簽群。
　　(2) 盤(pán)存: 詢(xún)問(wèn)機識別標簽的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)機在四個(gè)通話(huà)的其中一個(gè)通話(huà)中傳輸查詢(xún)命令, 開(kāi)始一個(gè)盤(pán)存周期, 一個(gè)或一個(gè)以上的標簽可以應答, 詢(xún)問(wèn)機檢查某個(gè)標簽應答, 請求該標簽發(fā)出PC、EPC和CRC216。
　　(3) 訪(fǎng)問(wèn): 詢(xún)問(wèn)機與各標簽交易(讀取或寫(xiě)入標簽) 的過(guò)程。訪(fǎng)問(wèn)前必須要對標簽進(jìn)行識別, 訪(fǎng)問(wèn)由多個(gè)命令組成, 其中有些命令執行R ≥T 鏈的一次活頁(yè)加密。

　　為解決防沖突算法問(wèn)題, 標簽內應具有一個(gè)16 位的隨機數發(fā)生器。查詢(xún)命令含有槽計數器參數Q。收到查詢(xún)命令后, 參與標簽應在(0 , 2Q - 1)范圍內挑選一個(gè)隨機數值, 并應將該數值載入其計數器, 挑選零數值的標簽應轉換成應答狀態(tài), 并立即應答; 挑選非零數值的標簽應轉換成仲裁狀態(tài),并等待發(fā)出查詢(xún)調整或查詢(xún)命令。

　　若多個(gè)標簽應答但讀卡機通過(guò)檢測和解決波形一級的沖突, 可以解決其中一個(gè)標簽發(fā)來(lái)的16 bit密鑰, 未解決的標簽收到錯誤的16 bit 密鑰, 并返回仲裁狀態(tài), 不反向散射其PC、EPC 和CRC216。發(fā)出查詢(xún)命令啟動(dòng)一個(gè)盤(pán)存周期后, 詢(xún)問(wèn)機一般要發(fā)出一個(gè)或一個(gè)以上的查詢(xún)調整或重復查詢(xún)命令。查詢(xún)調整命令重復以前的查詢(xún)命令, 可以令Q 增值或減值, 但不將新的標簽引入該盤(pán)存周期內。重復查詢(xún)以前的查詢(xún)命令, 參數不變, 也不將新的標簽引入該盤(pán)存周期。處于仲裁或應答狀態(tài)的收到查詢(xún)調整命令的標簽首先調整Q (增值、減值或保持不變) , 然后在(0 , 2Q - 1) 挑選一個(gè)隨機數值, 將該數值載到槽計數器內。挑選零數值的標簽應轉換到應答狀態(tài)并立即應答; 挑選非零數值的標簽應轉換到仲裁狀態(tài), 并等待下次命令。
　　2 　讀寫(xiě)器的硬件設計

　　采用直接射頻調制的發(fā)射機和零中頻結構的接收機實(shí)現讀寫(xiě)器的射頻前端, 發(fā)送和接收通路隔離采用多天線(xiàn)技術(shù)。頻率綜合器產(chǎn)生所需要的射頻信號, 經(jīng)過(guò)功分器得到兩路載波信號, 分別用于發(fā)送和接收通路。發(fā)送通路采用OOK調制, 基帶信號通過(guò)開(kāi)關(guān)通斷控制載波是否經(jīng)過(guò)功放, 并由天線(xiàn)發(fā)送; 接收通路中接收信號先經(jīng)過(guò)功、放大等操作, 然后分別送到混頻器和兩路正交的載波信號進(jìn)行混頻, 對混頻之后的信號經(jīng)過(guò)濾波、放大、電平比較等操作, 恢復出數字基帶信號。相干解調采用正交I 和Q 兩路接收信號, 由于兩路接收信號相差90°相位, 無(wú)論接收信號和混頻信號相位差是多少, 總有一路能解調出有用信號, 避免了盲點(diǎn)的出現。

　　讀寫(xiě)器的數字基帶處理模塊主要包括一個(gè)單片機、兩個(gè)轉換芯片、外部接口以及蜂鳴器。單片機為PHILIPS 公司的P89LPC932A1 , 采用了高性能處理器結構, 指令執行只需2～4 個(gè)時(shí)鐘周期, 6 倍于標準80C51 , 具有512B 片內附RAM, 8KB FLASH程序存儲器以及增強型UART[4 ] 。外部時(shí)鐘頻率為12 MHz。該數字模塊主要完成協(xié)議指令處理、防沖突算法以及通信數據的編解碼和校驗。

　　3 　讀寫(xiě)器的軟件設計

　　3、1 　數字基帶的整體設計

　　讀寫(xiě)器數字基帶整體結構包括指令譯碼模塊、串口通信模塊、數據編解碼模塊以及返回數據處理模塊。

　　讀寫(xiě)器是在計算機(主機) 監控之下進(jìn)行工作, 兩者之間形成主從通信模式。讀寫(xiě)器接收到主機發(fā)來(lái)的指令, 由譯碼模塊確定讀寫(xiě)器的具體操作。操作分為兩大類(lèi), 一類(lèi)是對讀寫(xiě)器操作。包括讀版本信息、設置工作頻率模式(固定頻率和跳變頻率) 和IAP 軟件升級等, 處理完成后將信息通過(guò)UART 返回給主機; 另一類(lèi)是對標簽操作, 其中包括防沖突讀卡號、讀標簽和寫(xiě)標簽等, 該操作指令通過(guò)PIE 編碼器發(fā)送后, 等待回波。返回數據通過(guò)FM0 解碼器后進(jìn)入回波處理模塊, 數據正確則通過(guò)UART 返回給主機。

　　3、2 　防沖突算法的實(shí)現

　　根據ISO/ IEC 18000-6C 防沖突算法, 針對讀寫(xiě)器特定的應用要求, 完成防沖突讀卡號。首先讀寫(xiě)器發(fā)送選擇指令, 場(chǎng)區內符合條件的標簽返回就緒狀態(tài); 接著(zhù)發(fā)送查詢(xún)指令開(kāi)啟新盤(pán)存周期, 符合條件的標簽進(jìn)入仲裁狀態(tài); 經(jīng)過(guò)多次查詢(xún)系列指令后, 計數器槽變?yōu)? 的標簽進(jìn)入應答狀態(tài)并返回16 bit密鑰, 讀寫(xiě)器解碼正確后, 用其特有16 bit密鑰對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作, 其他標簽返回就緒狀態(tài), 不再進(jìn)行防沖突過(guò)程, 繼續讀卡; 讀卡完成后, 已讀取標簽退出盤(pán)存周期, 對剩下的標簽進(jìn)行防沖突讀卡; 如果連續5 次沒(méi)有回波相應, 則認為場(chǎng)區無(wú)卡, 結束防沖突讀卡。

　　3、3 　發(fā)送鏈路PIE 編碼器設計

　　如圖所示, 發(fā)送R ≥T 鏈路應采用PIE 編碼。Tari 為詢(xún)問(wèn)機對標簽發(fā)信的基準時(shí)間間隔, 是數據0 的持續時(shí)間。

PIE 編碼波形圖

　　根據其特點(diǎn), 編碼過(guò)程如下: 每次從讀取緩沖中取8 bit數據, 循環(huán)左移, 根據移出位判斷0 或1 并利用分頻模塊進(jìn)行編碼操作, 左移8 次后, 取下一個(gè)數據, 重復上述操作, 直到發(fā)送完所有數據, 編碼結束。

　　3、4 　發(fā)送鏈路命令流程

　　以對單標簽進(jìn)行讀寫(xiě)操作為例, 讀寫(xiě)器首先發(fā)送選擇命令(標簽進(jìn)入就緒狀態(tài)) , 然后發(fā)送查詢(xún)系列命令(當槽隨機數為0 時(shí), 標簽進(jìn)入應答狀態(tài), 返回16 bit隨機密鑰) ; 在解碼16 bit密鑰波形后, 讀寫(xiě)器發(fā)送ACK 命令(標簽判定16 bit密鑰正確, 標簽進(jìn)入確認狀態(tài), 返回PC 和UII) ; 在確認接收到PC 和UII 數據后, 讀寫(xiě)器發(fā)送Req2RN 命令(如果標簽判定16 bit密鑰正確, 進(jìn)入保護狀態(tài), 返回新密鑰) ; 讀寫(xiě)器解碼新的16 bit密鑰之后, 發(fā)送讀/ 寫(xiě)命令(標簽判定16 bit密鑰正確, 標簽保持狀態(tài), 返回讀取數據或者執行對指定數據區寫(xiě)入數據) ; 讀寫(xiě)器對接收到的回波信號進(jìn)行解碼, CRC216 校驗正確后對主機返回對應數據(其中查詢(xún)系列命令采用前同步碼為幀頭, 其他用幀同步碼為幀頭)

　　3、5 　CRC16 校驗設計

　　根據ISO/ IEC 18000-6C 標準的規定, 要編碼CRC216 , 首先要用FFFFh 預先載入整個(gè)CRC 寄存器(即C [15∶0 ]) , 然后將編為輸入標簽數據的數據位記錄下來(lái), MSB 優(yōu)先。將所有數據位記錄下來(lái)后, C [15∶0 ]取反得到CRC216 值。要解碼CRC216 , 首先要用FFFFh 預先載入整個(gè)CRC 寄存器(C [15∶0 ]) , 然后將收到的數據和CRC25 {數據, CRC216} 位記入數據位, 高字節優(yōu)先。若C [15∶0 ] = 1D0Fh , 則CRC216 解碼成功。軟件設計中, 即將16 bitCRC 寄存器根據輸入數據長(cháng)度按位左移, 同時(shí)判斷輸入數據位與CRC寄存器最高位是否相異, 如果相異則將寄存器與0x1021 按位相異或。

　　3、6 　FM0 解碼器設計

　　FM0 編碼是在1 個(gè)位窗內采用電平變化來(lái)表示邏輯, 如果電平只在位窗的起始處翻轉則表示數據“1”; 如果電平除了在位窗的起始處翻轉, 還在位窗的中間翻轉則表示為數據“0”。解碼過(guò)程: 首先讀寫(xiě)器同時(shí)對I 和Q 兩路信號進(jìn)行采樣, 利用狀態(tài)機檢測返回幀頭的正確性,讀寫(xiě)器根據幀頭的正確性來(lái)決定對I 或Q 路信號進(jìn)行解碼。針對FM0 編碼的特點(diǎn)可知, FM0 每個(gè)數據單元的起始處發(fā)生翻轉, 由此可以根據起始處的上升沿或下降沿以及位窗中的采樣點(diǎn)來(lái)判斷出此位窗所表示的數據。設定一個(gè)位窗時(shí)間長(cháng)度為T(mén) ,一種情況是位窗起始處為下降沿, 在該位窗3/ 4 T處采樣, 采樣為1 則位窗表示數據“0”, 采樣為0則位窗表示數據“1”; 另一種情況是位窗起始處為上升沿, 在該位窗3/ 4 T 處采樣, 采樣為1 則位窗表示數據“1”, 采樣為0 則位窗表示數據“0”。

　　4 　結語(yǔ)

　　本文設計的讀寫(xiě)器實(shí)現了對UHF 頻段下的ISO/ IEC 18000-6C 標簽的防沖突讀卡號以及讀寫(xiě)標簽數據的功能。讀寫(xiě)器可以在800～960 MHz 頻率范圍內跳頻工作, 同時(shí)可以使用IAP 功能實(shí)現應用中在線(xiàn)升級, 讀寫(xiě)距離為8～10 m , 可以防沖突識別200 個(gè)卡以上, 最終實(shí)現了產(chǎn)品化。之后考慮到將來(lái)加入數字信號處理的需要, 在DSP 系統上做了對應移植, 為研究RFID 讀寫(xiě)器的SOC 設計提供了一定的參考價(jià)值。

　　參考文獻:
　　[1 ] 游戰清,李蘇劍1 無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)(RFID) 理論及應用[M]1 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004
　　[2 ] FINKENZELLER K1 射頻識別(RFID) 技術(shù)(第2 版) [M]1陳大才編譯1 北京:電子工業(yè)出版社,2001
　　[3 ] ISO1800026C220042FDAM 1 :2006 (E) [ S]
　　[4 ] User manual of P89LPC932A1 microcontroller [ K]

　　作者簡(jiǎn)介:
　　林曦(1984 —) ,男,研究生,研究方向為超高頻RFID 讀寫(xiě)器的關(guān)鍵技術(shù)研究;
　　王敬超(1982 —) ,男,研究生,從事RFID 讀寫(xiě)器的系統設計及其小型化研究;
　　張春(1972 —) ,男, 工學(xué)博士,副教授,研究方向包括數?；旌闲盘柤呻娐吩O計、嵌入式微處理器設計、數字信號處理系統、射頻識別等。