電子標(biāo)簽識(shí)讀終端的研究與設(shè)計(jì)

1 引言 

射頻識(shí)別(RFID)是利用無(wú)線方式對(duì)電子數(shù)據(jù)載體(電子標(biāo)簽)進(jìn)行識(shí)別的一種新興技術(shù)。與接觸式Ic卡和條形碼識(shí)別等系統(tǒng)比較，它有著巨大的優(yōu)勢(shì)。利用射頻識(shí)別技術(shù)，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)量大、分布區(qū)域廣的信息進(jìn)行智能化管理，達(dá)到高效快捷運(yùn)作的目的，特別是在物流、交通航運(yùn)、自動(dòng)收費(fèi)、服務(wù)領(lǐng)域等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 

針對(duì)工作頻率為100kHz一150kHz的電子標(biāo)簽EM4100．本文提出了其識(shí)讀終端的設(shè)計(jì)。 

2 無(wú)源射頻芯片EM4100工作基理 

EM4100系列為微型低功耗電子標(biāo)簽芯片，工作頻率范圍為100kHz～ 150kHz，主時(shí)鐘及工作電源取自識(shí)讀器發(fā)射的信號(hào)。作為接收天線的線圈和微芯片已連好并封裝在一起。內(nèi)部電路分模擬模塊和數(shù)字模塊2大部分。模擬模塊包括：全波整流電路，時(shí)鐘提電路，調(diào)制電路；數(shù)字模塊包括：序列發(fā)生器，只讀存貯器．?dāng)?shù)據(jù)編碼器。 

無(wú)源電子標(biāo)簽與識(shí)讀器之間的作用距離滿足關(guān)系r<<λ(工作波長(zhǎng))，根據(jù)天線理論，屬于天線近區(qū)場(chǎng)(即感應(yīng)場(chǎng))。因此，電子標(biāo)簽天線與識(shí)讀終端天線之間的作用是基于電磁感應(yīng)原理，等效電路見圖1。其中，L_l為識(shí)讀器發(fā)射天線電感，L₂為電子標(biāo)簽線圈電感，R₂為電子標(biāo)簽線圈的內(nèi)阻，R _L為電子標(biāo)簽諧振回路的等效負(fù)載。 

互感M在 L₂上產(chǎn)生的電壓 作為 L₂回路的信號(hào)源，由等效電路可推得回路的輸出電壓表達(dá)式： 

在其他因素不變時(shí)，若識(shí)讀終端發(fā)射的信號(hào)頻率與該諧振電路的諧振頻率()   相等，則輸出電壓最大；偏離諧振頻率時(shí)，電壓將快速減小。諧振信號(hào)經(jīng)整流濾波后作為片工作電源，當(dāng)該電壓值達(dá)到EM4100的要求時(shí)，芯片啟動(dòng)工作。該諧振電路的輸出電壓值取決于Q值、交變磁場(chǎng)強(qiáng)度及頻率。顯然，電子標(biāo)簽與識(shí)讀終端之間的距離直接影響該電壓值。 

在時(shí)鐘提取電路從線圈感應(yīng)信號(hào)提取的主時(shí)鐘作用下，序列發(fā)生器發(fā)出存儲(chǔ)器尋址、數(shù)據(jù)串行輸出控制、數(shù)據(jù)編碼控制等信號(hào)。芯片內(nèi)存貯有唯一的64bit代碼：9bit起始位、40bit信息位、14bit校驗(yàn)位、lbit停止位。代碼經(jīng)編碼后控制調(diào)制器中的電流開關(guān)．實(shí)現(xiàn)對(duì)f0=125kHz載波進(jìn)行調(diào)幅。每bit數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度與載波周期的比率有3種選擇：64、32、16。數(shù)據(jù)信號(hào)控制應(yīng)答器天線負(fù)載的接通和斷開．識(shí)讀器天線上電壓將跟隨變化，實(shí)際是應(yīng)答器(電子標(biāo)簽)數(shù)據(jù)對(duì)識(shí)讀器天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)答器數(shù)據(jù)向識(shí)讀器的傳輸。這就是所謂的負(fù)載調(diào)制。在識(shí)讀終端有效作用范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽循環(huán)發(fā)送64bit代碼數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向識(shí)讀終端的傳送。 

3 識(shí)讀終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

3．1功能分析 
根據(jù)上述識(shí)讀終端與無(wú)源電子標(biāo)簽作用過(guò)程．識(shí)讀終端應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：1．發(fā)射射頻信號(hào)。信號(hào)頻率應(yīng)等于電子標(biāo)簽接收回路的諧振頻率，信號(hào)有足夠的強(qiáng)度．以啟動(dòng)電子標(biāo)簽工作并滿足對(duì)作用距離的要求。2．接收電子標(biāo)簽發(fā)射的射頻信號(hào)，并解調(diào)出其中的數(shù)據(jù)。3．?dāng)?shù)據(jù)解碼及后續(xù)處理。終端硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前2項(xiàng)功能，第3項(xiàng)功能由識(shí)讀終端軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 

3．2射頻接口電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 
射頻接口電路實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)電子標(biāo)簽和信號(hào)解調(diào)。系統(tǒng)采用RFID專用無(wú)線基站芯片EM4095設(shè)計(jì)了電子標(biāo)簽與識(shí)讀終端主控模塊之間的射頻接口電路。EM4095功能原理見圖2。 

EM4095兼容多種傳輸協(xié)議(如EM4OOX、EM4150等)，利用內(nèi)部鎖相環(huán)PLL就可得到與天線適合的諧振頻率，而不需外接晶振，工作頻率100kHz一150kHz，具有睡眠模式，與微控制器的接口簡(jiǎn)單，采用調(diào)幅同步解調(diào)技術(shù)，工作電壓5V。芯片T作受輸入信號(hào)SHD和MOD控制。MOD=0時(shí)。芯片工作于只讀模式。 

SHD=I時(shí)，為睡眠模式。芯片供電之后，SHD應(yīng)先為高電平，以對(duì)芯片進(jìn)行初始化，然后再接低電平，芯片即發(fā)射射頻信號(hào)；同時(shí)。解調(diào)模塊將天線上AM信號(hào)中攜帶的數(shù)字信號(hào)取出，并由DEMOD— 0UT端輸出。RDY／CLK端向微控制器提供芯片內(nèi)部的狀態(tài)以及與發(fā)射信號(hào)同步的參考時(shí)鐘。SHD=I時(shí)，RDY／CLK端輸出低電平；SHD由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，?jīng)過(guò)約35ms，RDY／CLK端輸出同步時(shí)鐘信號(hào)，該參考時(shí)鐘信號(hào)的出現(xiàn)表示發(fā)射模塊和接收模塊已經(jīng)啟動(dòng)。通過(guò)查詢RDY／CLK端信號(hào)狀態(tài)，微控制器即可確定從DEMOD—OUT端接收數(shù)據(jù)的時(shí)刻。 

鎖相環(huán)PLL、天線驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制器組成射頻信號(hào)發(fā)送模塊。其中PLL由環(huán)路濾波器、相位比較器、壓控制振蕩器組成。天線線圈接收的信號(hào)通過(guò)耦合電容輸入DEMOD IN端，該信號(hào)與天線驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)由相位比較器進(jìn)行相位比較，形成與相位差對(duì)應(yīng)的電壓，作為壓控振蕩器的控制信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)天線發(fā)射信號(hào)頻率的鎖定。 

接收模塊由采樣保持器、濾波器、比較器組成。DE—MOD IN端輸入的AM信號(hào)在VCO輸出信號(hào)的同步控制下被采樣，采樣輸出信號(hào)由端腳CDEC外接的電容隔離直和帶通濾波采樣(消除輸出中的載頻成分、高頻和低頻噪聲)后，經(jīng)異步比較得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。 


3,3 主控模塊 
微控制器負(fù)責(zé)啟動(dòng)EM4095并接收由EM4095解調(diào)的編碼數(shù)據(jù)。采用AT89C52作為微控制器，其內(nèi)部集成了8KB的Flash程序存貯器，256B的RAM， 具有低功耗工作模式。EM4095的DEMOD OUT端接P1．0，EM4095的SHD接P1．1EM4095輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)RDY／CLK端接TO，用作解碼的同步時(shí)鐘。AT89C52從電子標(biāo)簽讀取來(lái)的編碼數(shù)據(jù)存貯在EEPROM芯片 AT24C64中?？伤就ㄟ^(guò) MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。識(shí)讀終端硬件原理見圖3。 

AT89C52通過(guò)P1．1發(fā)出控制信號(hào)啟動(dòng)EM4095工作，若有效作用范圍內(nèi)有電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽接收EM4095發(fā)射的射頻信號(hào)能量后發(fā)送經(jīng)過(guò)調(diào)制的編碼信號(hào)，AT89C52通過(guò)監(jiān)測(cè)P1．0的狀態(tài)，判斷是否收到射頻接口解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)，由軟件完成數(shù)據(jù)的接收及后續(xù)的處理任務(wù)。 

4 軟件設(shè)計(jì)分析 

終端軟件要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何正確接收數(shù)據(jù)，并解碼。本系統(tǒng)選用的電子標(biāo)簽為Manchester碼型，電子標(biāo)簽編碼器輸出信號(hào)、EM4095解調(diào)輸出信號(hào)的波形見圖4。 

4．1解調(diào)輸出波特點(diǎn) 
電子標(biāo)簽中的64bit數(shù)據(jù)以NRZ形式的波形串行送人編碼器，經(jīng)編碼后輸出Manchester碼波形。其編碼規(guī)則為：在一個(gè)編碼時(shí)鐘周期的中間以一個(gè)上跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”：在一個(gè)編碼時(shí)鐘周期的中間以一個(gè)下跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”。 

編碼輸出信號(hào)作負(fù)載調(diào)制的控制信號(hào)，編碼輸出波形中的低電平使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于高電流，編碼輸出波形中的高電平則使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于低電流。因此，標(biāo)簽發(fā)給EM4095的已調(diào)信號(hào)，經(jīng)解調(diào)輸出的波形與標(biāo)簽編碼輸出的波形為反相關(guān)系，即：時(shí)鐘周期中間的下跳變表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”，時(shí)鐘周期中間的上跳變波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”。根據(jù)圖4的波形，連續(xù)“0”和連續(xù)“1”對(duì)應(yīng)的波形是相似的，只是它們之間為反相關(guān)系。因此，如果簡(jiǎn)單地把上升沿或下降沿作為數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)“0”譯為“1”或“1”譯為“0”的錯(cuò)誤。 

4．2解碼軟件設(shè)計(jì)思路 
解碼程序要解決的主要問(wèn)題是如何防止“0”與“1”之間的倒譯。根據(jù)DEMOD OUT端輸出波形。若DEMOD OUT端連續(xù)輸出一個(gè)下跳變和一個(gè)上跳變，則肯定是解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)。 

只在以下2種情況會(huì)出現(xiàn)上跳變：數(shù)據(jù)“0”編碼周期的中間：相鄰數(shù)據(jù)都是“1”時(shí)，它們波形中間也出現(xiàn)上跳變。但這2種情況存在如下差別：上跳沿與前一個(gè)下跳沿之間的低電平持續(xù)時(shí)間不同。若該低電平維持時(shí)間大于32個(gè)載波周期，則是數(shù)據(jù)“o”編碼周期中間時(shí)刻的上跳沿。因此，用指令查詢P1．o的電平，先找一個(gè)下跳變，找到后立刻啟動(dòng)T0對(duì)RDY／CLK參考時(shí)鐘計(jì)時(shí)，接著找到緊隨其后的上跳變，若此時(shí) 的計(jì)時(shí)時(shí)間大于32個(gè)載波周期，該上跳變位于數(shù)據(jù)“0”編碼周期中間時(shí)刻，該上跳變是接收數(shù)據(jù)的時(shí)間起點(diǎn)。由于每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形中的高、低電平均為32個(gè)射頻載波周期，以上跳時(shí)刻為起點(diǎn)延40個(gè)載頻周期后接收第1個(gè)數(shù)據(jù)。然后重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器TO，RDY／CLK端輸出的參考時(shí)鐘周期等于射頻載波周期，數(shù)據(jù)編碼時(shí)鐘周期又固定為該參考時(shí)鐘周期的64倍，將Tn設(shè)置為每隔64個(gè)載波周期中斷1次，在Tn中斷服務(wù)程序中讀P1．0上的數(shù)據(jù)。 

根據(jù)電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，按上述接收方式首先找作為起始位的9個(gè)存在如下差別：上跳沿與前一個(gè)下跳沿之間的低電平持續(xù)時(shí)間不同。若該低電平維持時(shí)間大于32個(gè)載波周期，則是數(shù)據(jù)“o”編碼周期中間時(shí)刻的上跳沿。因此，用指令查詢P1．o的電平，先找一個(gè)下跳變，找到后立刻啟動(dòng)T0對(duì)RDY／CLK參考時(shí)鐘計(jì)時(shí)，接著找到緊隨其后的上跳變，若此時(shí) 的計(jì)時(shí)時(shí)間大于32個(gè)載波周期，該上跳變位于數(shù)據(jù)“0”編碼周期中間時(shí)刻，該上跳變是接收數(shù)據(jù)的時(shí)間起點(diǎn)。由于每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形中的高、低電平均為32個(gè)射頻載波周期，以上跳時(shí)刻為起點(diǎn)延40個(gè)載頻周期后接收第1個(gè)數(shù)據(jù)。然后重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器TO，RDY／CLK端輸出的參考時(shí)鐘周期等于射頻載波周期，數(shù)據(jù)編碼時(shí)鐘周期又固定為該參考時(shí)鐘周期的64倍，將Tn設(shè)置為每隔64個(gè)載波周期中斷1次，在Tn中斷服務(wù)程序中讀P1．0上的數(shù)據(jù)。 

根據(jù)電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，按上述接收方式首先找作為起始位的9個(gè)“1”，找到后，按順序接收其余55bit數(shù)據(jù)，并按標(biāo)簽中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新組織數(shù)據(jù)。然后通過(guò)奇校驗(yàn)程序計(jì)算各段數(shù)據(jù)的奇校驗(yàn)，再與接收到的奇校驗(yàn)位進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)是否正確性。 

5 結(jié)束語(yǔ) 

無(wú)線射頻識(shí)別具有信息量大、高效便捷、安全的特點(diǎn)，是自動(dòng)識(shí)別的主流技術(shù)。低成本、高可靠的便攜式電子標(biāo)簽識(shí)讀終端的研究開發(fā)．有很大的實(shí)際意義。本文在研究分析系統(tǒng)作用原理及解調(diào)輸出波特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了硬件實(shí)現(xiàn)方案，并以射頻參考時(shí)鐘為參照，提出了一種解決Manchester碼倒譯問(wèn)題的軟件解碼方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本合理，可靠性已得到試驗(yàn)驗(yàn)證．有較好的應(yīng)用價(jià)值。 

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：充分利用工業(yè)通用單片機(jī)的豐富資源設(shè)計(jì)主控模塊，解決了系統(tǒng)便攜化和低成本難題；以射頻參考時(shí)鐘為參照的Manchester碼軟件解碼方法，提高了解碼的準(zhǔn)確性．也使系統(tǒng)具有良好的功能擴(kuò)充和升級(jí)能力。 

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作者簡(jiǎn)介：徐精華(1966一)，男(漢族)，江西南昌市人，南昌航空大學(xué)講師，碩士，1989年浙江大學(xué)研究生院畢業(yè)，主要從事測(cè)試技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)研究。