基于物流倉儲管理的RFID讀寫(xiě)器設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：語(yǔ)馨 收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月21日

    RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)是一種利用無(wú)線(xiàn)射頻通信實(shí)現遠距離識別的非接觸自動(dòng)識別技術(shù)。與現代物流領(lǐng)域普遍使用的條碼技術(shù)相比，它在讀寫(xiě)距離、保密性、智能化、環(huán)境適應能力以及使用壽命方面都有顯著(zhù)的優(yōu)勢。 
　　目前，世界范圍內針對RFID的物流應用存在兩種編碼體系，一種是日本UID(Ubiquitous ID)中心提出的UID編碼體系，另一種是美國EPC(Electronic Production Code，電子產(chǎn)品代碼)環(huán)球協(xié)會(huì )提出的EPC電子產(chǎn)品編碼標準。這兩種標準在所使用的無(wú)線(xiàn)頻段、信息位數和應用領(lǐng)域等方面都有所不同。而我國還沒(méi)有自己正式的標準，但是有關(guān)RFID在900MHz頻段應用的電磁檢測工作已經(jīng)基本完成，我國最為關(guān)心的是I    
SOl8000~6標準。本質(zhì)上EPC標準和 IS018000并不矛盾，對于物流應用，EPC標準則更為完善。 

　　另外，對于物流應用來(lái)說(shuō)，成本是企業(yè)最關(guān)心的問(wèn)題。在滿(mǎn)足需要的前提下，選擇最低成本是首當其沖的。UHF(915MHz)射頻工作距離大概在10m左右，已經(jīng)能夠滿(mǎn)足物流應用的需求，而且成本要比微波段低得多。特別是UHF射頻允許采用相對較小的方向性天線(xiàn)，這將使讀寫(xiě)器的輻射波束定向到一個(gè)特定的區域，這種特點(diǎn)使讀寫(xiě)器能夠抵御來(lái)自于其他讀寫(xiě)器或發(fā)射機的潛在干擾。 

　　鑒于上述情況，為了促進(jìn)RFID系統在我國物流倉儲管理領(lǐng)域的大規模應用，本文提出了一種基于物流倉儲管理應用的讀寫(xiě)器設計方法。該讀寫(xiě)器的設計參照 EPC標準，采用915MHz工作頻率，以某公司的RFID標簽芯片的讀寫(xiě)為目標，電路設計簡(jiǎn)單，應用靈活，生產(chǎn)成本低廉。 

　　1 標簽功能簡(jiǎn)介
 
　　本設計所采用的標簽為工作在860MHz～960MHz的長(cháng)距離無(wú)源標簽，符合IS018000-6標準，工作距離可達8.4m(具體視天線(xiàn)情況而定)，尤其適用于美國物流供應鏈管理和后勤保障系統。該標簽主要有如下特點(diǎn)： 

　 (1)通過(guò)RF前端的模擬電路將天線(xiàn)接收能量部分轉化為電量，為內部電路供電。 
    (2)內部包含有16位CRC(循環(huán)冗余校驗)編碼，具有很高的數據完整性。 
    (3)擁有快速防沖突機制，運用自身防沖突算法實(shí)現了真正的內部沖突判斷以及防沖突。 
    (4)采用64位EPC編碼，且內部包含216字節用戶(hù)自定義存儲空間。 

　　當標簽進(jìn)入RF區域后，標簽被激活。如果RF區域信號強度達到標簽工作能量的需要，則標簽進(jìn)入準備工作狀態(tài)，等待接收讀寫(xiě)器發(fā)送的指令。標簽接收以及發(fā)送的數據都將經(jīng)過(guò)CRC進(jìn)行差錯校驗。同時(shí)，還通過(guò)曼徹斯特編碼以及FM0編碼對數據進(jìn)行進(jìn)一步的保護，以此來(lái)保證數據的安全性。讀寫(xiě)器通過(guò)外部命令結合標簽內部防沖突算法來(lái)實(shí)現多個(gè)標簽數據的同時(shí)讀取與寫(xiě)入。 

　　2 RFID讀寫(xiě)器設計 

　　2．1 硬件設計 

　　RFID讀寫(xiě)器應用在倉儲管理中，除完成簡(jiǎn)單的射頻信號收發(fā)處理之外，還需要連接上層倉庫管理系統(Warehouse Management System，WMS)，將接收到的標簽信息傳送到WMs中，以便于系統完成倉庫的入庫、盤(pán)點(diǎn)、出庫管理等操作。同時(shí)，將物品的貨位等信息通過(guò)WMS寫(xiě)入物品標簽。所以讀寫(xiě)器總體結構包括四個(gè)模塊：接收/發(fā)送模塊、控制模塊、對外接口模塊和供電管理模塊。射頻電路的發(fā)送和接收模塊均由射頻信號形成和信號處理兩個(gè)單元組成，射頻功率放大器對已形成的射頻信號進(jìn)行功率放大，線(xiàn)性放大器對所接收到的射頻信號進(jìn)行線(xiàn)性放大。所選芯片如表1所示。 

　　在射頻電路設計中，防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，是非常重要的環(huán)節。要選擇介電常數公差小的基材，并對電路的射頻部分和數字部分進(jìn)行分塊處理。射頻部分應盡量使用SMT(表帖式)元件，減少過(guò)孔，并在表面加接地金屬屏蔽層。各模塊具體設計如下所述。 

．1 接收/發(fā)送模塊 

　　接收/發(fā)送模塊功能框圖如圖1所示。收/發(fā)及調制解調芯片選用TI公司的TRF6901，功率放大芯片選用Freescale半導體器件公司的 MW4IC915GMBR1芯片，線(xiàn)性信號放大芯片選用RF微器件公司的RF2132。TRF6901芯片內部集成了完整的射頻接收和發(fā)送電路，可以組成一個(gè)半雙工射頻收發(fā)電路。其工作頻率可以通過(guò)編程進(jìn)行微調，頻率范圍為860MHz~930MHz。MW4IC915是為GSM應用而設計的一款寬頻帶功率放大芯片，它采用了Freeseale公司最新的大電壓LDMOSIC技術(shù)，可以工作在750MHz～1000MHz頻段內，線(xiàn)性性能幾乎覆蓋整個(gè)應用頻段。RF2132是砷化鎵異質(zhì)結器件(HBT)，能夠很好地滿(mǎn)足射頻電路對放大功率、效率以及供電電壓的要求。  

　　本設計中各芯片工作頻率為915MHz。TRF6901調制方式為OOK，這可通過(guò)將內部B寄存器第4位置零來(lái)實(shí)現。    
TRF6901將所需發(fā)送信號通過(guò) PA引腳送至MW4IC915的REIN引腳，對信號進(jìn)行功率放大之后，由天線(xiàn)發(fā)射出去；天線(xiàn)接收來(lái)的信號通過(guò)RF2132對其進(jìn)行線(xiàn)性信號放大，之后進(jìn) TRF6901的LNA引腳，由TRF6901對接收信號進(jìn)行處理，完成讀寫(xiě)器前端的數據交換任務(wù)。 

　　2．1．2 對外接口模塊  

　　圖2所示的對外接口模塊為電平轉換電路，主要器件為ICL232。ICL232芯片完成讀寫(xiě)器內部TTL電平與RS-232電平的轉換，通過(guò)連接標準9針串口與外部計算機連接。它是一款符合EIA RS-232標準和V28規范的雙向RS-232發(fā)送，接收接口芯片，負責完成電路的TTL/CMOS電平到標準串口電平的轉換，并能通過(guò)滯后改善數據接收的噪聲抑制。引腳l與3之間接1μF電容，引腳2通過(guò)1μF電容接5V電源，三個(gè)引腳構成+5V電平到+1OV電平的轉換電路；引腳4與5之間接1μF 電容，引腳6通過(guò)lμF電容接地，三個(gè)引腳構成+IOV電平到-10V電平的轉換電路。 

　　2．1．3 控制模塊 

　　控制模塊結構如圖3所示。讀寫(xiě)器內部控制任務(wù)主要由W77E58芯片完成，它是一款兼容8051的8位CMOS快速MCU。同8051相比，它減少了機器指令執行時(shí)間以及存儲周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持無(wú)外部存儲元件的片上1KBSRAM，節約了更多的I/O引腳。它擁有四個(gè)8位I/O端口和一個(gè)附加的4位I/O口以及等待狀態(tài)控制信號，三個(gè)16位定時(shí)，計數器，12個(gè)兩中斷優(yōu)先級的中斷源，兩個(gè)加強型全雙工串行通信端口以及可編程看門(mén)狗定時(shí)器；只需外加復位、晶體振蕩電路和供電電路即可。 

　　本設計中，W77E58工作頻率為40MHz。它的P1口連接TRF6901各個(gè)控制引腳，完成對收發(fā)芯片的控制并提供數據傳輸所需時(shí)鐘信號等；串口1連接TRF6901的數據收發(fā)端，實(shí)現數據的串行通信。MCU串口0連接芯片ICL232，通過(guò)異步通信完成數據傳輸，只要設定W77E58串口1工作在方式l，選擇與計算機同樣的波特率即可。該部分設計主要集中在程序設計部分，將Pl口當作普通I/O口用即可。 

　　2．1．4 供電管理模塊 

　　供電管理模塊電路原理圖如圖4所示。LM317T是一個(gè)三端電壓調節裝置，通過(guò)改變可變電阻R6的值，可提供1.2V～37V的供電電壓。同時(shí)提供IC負載過(guò)電保護。供電管理模塊電路的輸入端與輸出端均并聯(lián)一個(gè)適合于濾除低頻噪聲的鉭電容和一個(gè)適合于濾除高頻噪聲的獨石電容，以提高電源的品質(zhì)。 

　　2．2 軟件設計 

　　讀寫(xiě)器軟件設計主要包括主程序設計和標簽讀寫(xiě)防沖突程序設計兩部分。 

　　2．2．1 主程序設計  

　　讀寫(xiě)器應用在物流儲管理中，需要連接上層WMS系統，所以讀寫(xiě)器工作在PC機監控之下，PC機與讀寫(xiě)器以主從方式通信。如圖5所示，本設計中由于收發(fā)芯片內部工作方式通過(guò)外部引腳連接MCU對內部寄存器編程進(jìn)行控制，所以主程序中還包含工作方式修改程序，提高了讀寫(xiě)器應用的靈活性；同時(shí)還包括RSSI (信號強度檢測)，大大改善了讀取數據的正確性。MCU在完成了正常的上電復位以及初始化過(guò)程之后，PC機提示用戶(hù)是否要進(jìn)行內部工作方式設定及修改，如果需要，則轉去處理工作方式修改程序，否則MCU進(jìn)入準備工作狀態(tài)，準備接收PC機發(fā)送的相關(guān)執行指令。MCU接收到指令后轉去處理相關(guān)程序。處理完畢，返回結果信息并再次進(jìn)入等待狀態(tài)。 

．2．2 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。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。當處于激話(huà)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)器翔定沖突發(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。  

　　本文在深入分析當前RFID系統在物流倉儲管理領(lǐng)域應用背景的基礎上，提出了一種基于物流倉儲管理的讀寫(xiě)器設計方法。該讀寫(xiě)器設計簡(jiǎn)單，應用靈活，生產(chǎn)成本低廉。今后將在實(shí)際的物流倉儲管理中應用該讀寫(xiě)器，并針對實(shí)際應用中出現的讀寫(xiě)速度、距離、保密性等方面的一些問(wèn)題，對讀寫(xiě)器設計做進(jìn)一步的改進(jìn)，以使其總體性能有大幅度的提高，促進(jìn)RFID系統在我國物流倉儲管理領(lǐng)域的大規模應用。