一種頻率可調(diào)、協(xié)議可變的RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)

　　本文分析了讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的通信條件，通過(guò)配置無(wú)線收發(fā)芯片的寄存器可設(shè)定芯片的工作頻率和傳輸速率，通過(guò)調(diào)整芯片外圍匹配網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)達(dá)到與芯片的工作頻率相匹配，并用軟件編程實(shí)現(xiàn)所需的編解碼方式和數(shù)據(jù)包格式，得到一種新型適應(yīng)性強(qiáng)的RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)方案。

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency IdentifICation，RFID)技術(shù)是一種通過(guò)無(wú)線電信號(hào)來(lái)識(shí)別并讀取特定目標(biāo)信息的通信技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要包括3部分：標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、天線。讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間通過(guò)天線傳輸射頻信號(hào)。RFID作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)之一，已成為市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)，行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。按照標(biāo)簽內(nèi)部是否帶電源，可分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽;按照標(biāo)簽的工作頻段，可分為低頻標(biāo)簽、高頻標(biāo)簽、超高頻標(biāo)簽和微波標(biāo)簽。隨著RFID技術(shù)的逐漸成熟，國(guó)際上制定了一些通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了讀寫(xiě)器與標(biāo)簽通信的物理介質(zhì)、通信速率、編碼方式、調(diào)制方式等。目前經(jīng)常使用ISO 14443系列、ISO15693系列和ISO 18000系列等標(biāo)準(zhǔn)。

　　如今RFID技術(shù)發(fā)展成熟，應(yīng)用廣泛，標(biāo)簽的種類繁多。但目前市面上RFID讀寫(xiě)器的通信頻率固定，且一般只滿足某一種或者兩種ISO協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。頻率相同且遵循的通信協(xié)議相同，是標(biāo)簽和讀寫(xiě)器能正常通信的必要條件。對(duì)于工作在某種頻段并符合某種通信協(xié)議的標(biāo)簽，只能選用滿足這種頻率和這種通信協(xié)議的讀寫(xiě)器才能讀取。目前，市場(chǎng)上那些頻段固定、通信協(xié)議單一的射頻讀寫(xiě)器已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求了。

　　基于此，本文所設(shè)計(jì)的RFID讀寫(xiě)器可根據(jù)待讀取標(biāo)簽的頻率及協(xié)議的不同，調(diào)整自身的參數(shù)信息，以實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)簽的讀取。還可以提高讀寫(xiě)器的利用率，減少RFID讀寫(xiě)器的種類，降低讀寫(xiě)器的成本，給使用者提供方便。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　RFID讀寫(xiě)器選用STM32F103VET6芯片作為主控制器，與標(biāo)簽通信的部分選用CC1101射頻收發(fā)模塊。讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　主控制器STM32F103VET6與射頻收發(fā)模塊CC1101之間通過(guò)SPI接口傳輸數(shù)據(jù)，CC1101負(fù)責(zé)與標(biāo)簽通信。液晶顯示模塊用來(lái)顯示讀寫(xiě)器系統(tǒng)的狀態(tài)和所讀取的標(biāo)簽信息。讀寫(xiě)器可以通過(guò)Wi—Fi無(wú)線收發(fā)模塊和其他設(shè)備無(wú)線通信，可以將讀取到的標(biāo)簽信息傳送到遠(yuǎn)端。

　　讀寫(xiě)器在與標(biāo)簽通信時(shí)，信號(hào)最終是以電磁波的形式傳播的。STM32F103VET6將要傳輸?shù)臄?shù)字信息編碼后傳輸給CC1101，經(jīng)CC1101調(diào)制成高頻的射頻電磁波RF1傳播出去。標(biāo)簽接收到RF1信號(hào)后，將自身的信息調(diào)制成RF2發(fā)送出去。讀寫(xiě)器中的CC1101將RF2射頻信號(hào)解調(diào)，再經(jīng)STM 32F103VET6處理器解碼，獲得標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。整個(gè)通信過(guò)程如圖2所示。

　　RFID讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的信息能否準(zhǔn)確地進(jìn)行交換，與兩者的數(shù)據(jù)編解碼方式、數(shù)據(jù)格式、調(diào)制解調(diào)方式，以及傳輸速率有關(guān)，通信協(xié)議對(duì)此進(jìn)行了規(guī)定，通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻段、不同通信協(xié)議的標(biāo)簽的讀取，RFID讀寫(xiě)器需要解決頻率可調(diào)和通信協(xié)議可變兩大問(wèn)題。對(duì)于頻率問(wèn)題，讀寫(xiě)器通過(guò)設(shè)置CC1101的頻率寄存器來(lái)設(shè)定頻率，這屬于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容;同時(shí)，通過(guò)改變CC1101外圍電路的元件參數(shù)值以匹配所設(shè)定的工作頻段，這屬于系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容。對(duì)于協(xié)議問(wèn)題，編解碼方式和數(shù)據(jù)格式可以通過(guò)在主控制器STM32F103VET6中編程實(shí)現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)方式和傳輸速率都可以通過(guò)配置CC1101中的調(diào)制器配置寄存器實(shí)現(xiàn)，對(duì)協(xié)議的設(shè)置均屬于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

　　2 讀寫(xiě)器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　讀寫(xiě)器系統(tǒng)硬件部分包括STM32F103VET6主控器、CC1101射頻收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、Wi—Fi收發(fā)模塊等。讀寫(xiě)器通過(guò)CC1101射頻收發(fā)模塊與標(biāo)簽進(jìn)行通信，讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是CC1101射頻收發(fā)模塊的外圍匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

　　2.1 射頻收發(fā)模塊

　　本設(shè)計(jì)中選用的CC1101射頻收發(fā)模塊可工作于300～348 MHz、387～464 MHz和779～928 MHz頻段，通過(guò)配置CC1101中的頻率寄存器可很方便地實(shí)現(xiàn)CC1101工作頻率的設(shè)定。圖4和圖5構(gòu)成了整個(gè)CC1101射頻收發(fā)模塊。

　　圖4是CC1101的引腳連接圖，CC1101通過(guò)SPI與STM32F103VET6相連。圖5是連接CC1101的射頻端口和天線的匹配網(wǎng)絡(luò)圖。外圍匹配電路可以進(jìn)行阻抗和頻率的匹配。當(dāng)CC1101的頻率寄存器中值改變時(shí)，外圍匹配電路也需進(jìn)行調(diào)整，才能適應(yīng)CC1101設(shè)定的各工作頻率。

　　經(jīng)CC1101的射頻端口RF_N與RF_P輸入、輸出的都是差分信號(hào)。與射頻端口相連的是一個(gè)巴倫轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)和單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換。與巴倫轉(zhuǎn)換電路的另一端相連的是兩個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)濾波和進(jìn)行阻抗匹配。最末端連接的是天線，可以發(fā)送和接收電磁波。CC1101可以在發(fā)送模式和接收模式之間進(jìn)行切換。

　　CC1101工作頻段較寬，一套固定的匹配網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足工作頻段內(nèi)的所有頻率。本設(shè)計(jì)中采用了兩套匹配網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)應(yīng)300～410 MHz頻段和410～928 MHz頻段，從而覆蓋CC1101所有工作頻率。這兩套電路網(wǎng)絡(luò)只是元件參數(shù)值不同，它們的結(jié)構(gòu)一致，均如圖5所示。兩套電路中均有可調(diào)電容與電感，通過(guò)改變可調(diào)電容C1和可調(diào)電感L1的值可設(shè)定對(duì)應(yīng)頻段內(nèi)的任意頻率點(diǎn)。圖6給出了頻率設(shè)定的仿真結(jié)果，其中各子圖的中心頻率分別設(shè)定為328 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz。

　　圖6中這4條曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的就是匹配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率。由仿真結(jié)果可知，圖5所示匹配網(wǎng)絡(luò)電路可以實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)，解決了與CC1101中設(shè)定的工作頻率的匹配問(wèn)題。

　　2.2 液晶顯示模塊

　　液晶顯示模塊可顯示讀寫(xiě)器的狀態(tài)信息及讀取到的標(biāo)簽信息，本設(shè)計(jì)使用MG-12864型液晶顯示器。MG-12864是128(列)×64(行)點(diǎn)陣的液晶顯示模塊，點(diǎn)陣式液晶顯示具有顯示信息量大、功耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

　　MG-12864內(nèi)含漢字字庫(kù)，顯示漢字時(shí)只需調(diào)用即可，十分方便。用MG-12864作為讀寫(xiě)器的顯示終端，可實(shí)時(shí)顯示讀寫(xiě)器當(dāng)前狀態(tài)和讀取的標(biāo)簽信息。

　　2.3 Wi-Fi收發(fā)模塊

　　Wi—Fi收發(fā)模塊選用Marvell公司的低功耗SoC88W8686芯片組成的WM-G-MR-09模塊。WM-G-MR-09模塊符合2.4 GHz的Wi—Fi標(biāo)準(zhǔn)，封裝尺寸小，與主控制器STM32F103VET6的SPI接口相連。

　　添加Wi—Fi收發(fā)模塊可以使讀寫(xiě)器的工作范圍更廣。讀寫(xiě)器可以做成便攜式，在讀取到標(biāo)簽信息后通過(guò)Wi—Fi收發(fā)模塊將標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)具有Wi—Fi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線路由上傳給服務(wù)器，可以作為物聯(lián)網(wǎng)的終端使用。

　　3 讀寫(xiě)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　RFID讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間信息的交換遵循的協(xié)議和讀寫(xiě)器中心頻率的調(diào)節(jié)可通過(guò)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)來(lái)完成。圖7給出了整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖。

　　CC1101可以完成信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。3種基本調(diào)制方式為頻移鍵控、幅移鍵控、相移鍵控。本設(shè)計(jì)中選用的CC1101芯片可以支持這3種調(diào)制方式，并能進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)。系統(tǒng)初始化時(shí)配置CC1101的MDMCFG2寄存器，可選擇與標(biāo)簽一致的調(diào)制解調(diào)方式。

　　CC1101有可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，最高可達(dá)500kbps，系統(tǒng)初始化時(shí)配置MDMCFG3寄存器和MDMCFG4寄存器，可實(shí)現(xiàn)設(shè)置任意數(shù)據(jù)傳輸率，從而匹配不同的標(biāo)簽。

　　數(shù)據(jù)幀格式也可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。按照標(biāo)簽符合的數(shù)據(jù)幀格式編排讀寫(xiě)器欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)加上幀頭與幀尾，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)編程生成CRC校驗(yàn)碼。讀寫(xiě)器接收標(biāo)簽信息時(shí)，同樣根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀格式，將數(shù)據(jù)包分解，還可以根據(jù)CRC校驗(yàn)碼檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。

　　圖8給出了編程實(shí)現(xiàn)的二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)FM0編碼后再進(jìn)行FM0解碼的結(jié)果對(duì)照?qǐng)D。

　　軟件編程的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)編解碼方式。目前，RFID領(lǐng)域廣泛使用的數(shù)據(jù)編解碼方式有FM0編碼、PIE編碼和Manchester編碼等。而這些編解碼方式都可以容易地用編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)在主控制器中編解碼并按照一定的數(shù)據(jù)幀格式打包和分析，不受無(wú)線收發(fā)芯片對(duì)編解碼方式，以及數(shù)據(jù)幀格式的限制，設(shè)計(jì)出來(lái)的讀寫(xiě)器可以滿足多種編解碼方式和數(shù)據(jù)格式的電子標(biāo)簽。

　　從圖8中可以看出，原始信號(hào)經(jīng)FM0編碼后再由FM0解碼的結(jié)果和原始信號(hào)一致，證明編程實(shí)現(xiàn)FM0編解碼很成功。其他編解碼方式類似，也可編程實(shí)現(xiàn)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文給出了一種頻率可調(diào)、協(xié)議可變的RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)方案。讀寫(xiě)器能實(shí)現(xiàn)工作頻率可調(diào)，支持多種通信協(xié)議，能與多種標(biāo)簽通信等功能，且適應(yīng)性強(qiáng)、成本低，給RFID的應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便。