HF頻段RFID長距離讀寫器的研究與開發(fā)

　　射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是上世紀(jì)80年代興起并不斷走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)無線識(shí)別和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。與傳統(tǒng)的條碼、磁卡等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，RFID技術(shù)在工作距離、保密性、智能化及其環(huán)境適應(yīng)能力等方面都有顯著優(yōu)勢，且可同時(shí)識(shí)別多個(gè)高速運(yùn)動(dòng)物體，有廣闊的發(fā)展前景[1]。

　　RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、天線、讀寫器三部分組成。讀寫器通過天線發(fā)送、接收信號(hào)，無接觸地讀取和識(shí)別標(biāo)簽中所保存的數(shù)據(jù)，并將信息傳送至上位機(jī)進(jìn)一步處理，從而達(dá)到目標(biāo)識(shí)別的目的。由此可見，讀寫器是RFID技術(shù)的核心。目前HF頻段RFID讀寫器的研發(fā)正處于逐步成熟階段，國際上知名的大公司有TI、Philips等，國內(nèi)生產(chǎn)廠商相對(duì)較少，且大部分都是在已有射頻芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字部分的研發(fā)，系統(tǒng)集成商則是在國外公司知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上根據(jù)客戶需要做適當(dāng)改進(jìn)。

　　HF頻段RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽所獲能量微弱，無力再向周圍發(fā)射無線電波，只能反射來自讀寫器的電磁波,故標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)微弱，影響讀寫距離。本文針對(duì)這一問題，在介紹電子標(biāo)簽的基礎(chǔ)上，給出了一種基于開放式門禁系統(tǒng)應(yīng)用的讀寫器設(shè)計(jì)方法，提出將模擬板、數(shù)字板分別研發(fā)的思想，大大提高了讀寫距離。該讀寫器工作頻率為13.56MHz，符合ISO-15693協(xié)議。硬件電路采用TI的TMS320F2812為主控芯片，以符合ISO-15693協(xié)議的所有無源標(biāo)簽為讀寫目標(biāo)，軟件設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)了多卡識(shí)別的防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法。

　　1 電子標(biāo)簽簡介

　　每個(gè)電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，內(nèi)部一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，且具有無法修改、仿造、全球唯一的識(shí)別號(hào)(UID)。在HF頻段RFID系統(tǒng)中，當(dāng)讀寫器處于工作狀態(tài)時(shí)，與其相連的天線線圈不斷地向外發(fā)出一組固定頻率(13.56MHz)的電磁波。當(dāng)無源電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域時(shí)，在該電磁波的激勵(lì)下，標(biāo)簽內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生諧振，從而使電容充電而產(chǎn)生電荷。該電容又通過一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷泵送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。當(dāng)后者充電達(dá)到2V時(shí)，它就可用作為標(biāo)簽內(nèi)部其他電路的工作電源。標(biāo)簽芯片中的有關(guān)電路對(duì)讀寫器發(fā)來的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為“讀”命令，控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過標(biāo)簽內(nèi)部天線再發(fā)送給讀寫器;若為修改信息的“寫”命令，有關(guān)控制邏輯就會(huì)使內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，以擦除EEPROM中的內(nèi)容并進(jìn)行改寫;若經(jīng)判斷發(fā)現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯(cuò)信息[2]。

　　2 讀寫器硬件設(shè)計(jì)

　　目前的RFID讀寫器大多采用一塊射頻芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的收發(fā)，雖簡單易行，但降噪性能和系統(tǒng)靈敏度始終沒有改善。

　　本設(shè)計(jì)提出模擬、數(shù)字部分分別研發(fā)的思想，硬件框圖如圖1所示。由DSP芯片產(chǎn)生脈沖位置編碼(PPM)信號(hào)，再對(duì)13.56MHz載頻進(jìn)行調(diào)制。已調(diào)信號(hào)的功率很弱，需先進(jìn)行功率放大，再經(jīng)濾波和調(diào)諧加到天線上，以提高對(duì)卡的操作距離。系統(tǒng)可通過DSP實(shí)現(xiàn)輸出功率控制，最小功率為0.25W。天線線圈在13.56MHz工作頻率上呈現(xiàn)阻抗形式，為了實(shí)現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，需先通過匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω電阻，然后通過50Ω同軸電纜連接到讀寫器末級(jí)。在接收通道中，由標(biāo)簽響應(yīng)回來的信號(hào)，首先通過帶通濾波器取出一邊帶，放大后送入解調(diào)器，最后將解調(diào)后的信號(hào)送入DSP芯片上作A/D采樣判決，并進(jìn)行解碼和校驗(yàn)，完成整個(gè)信號(hào)的接收處理。該讀寫器用于開放式門禁系統(tǒng)時(shí)，除完成簡單的標(biāo)簽識(shí)別外，還需通過RS232接口與上位機(jī)通信, 由此形成大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的管理、操作等。因此讀寫器的硬件設(shè)計(jì)分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分即射頻模塊;數(shù)字部分又可分為主控模塊，電源管理模塊和對(duì)外接口模塊、所選芯片如表1所示。

　　2.1 模擬部分

　　本設(shè)計(jì)自主研發(fā)了一塊供電電壓為24V的模擬板，簡要論述如下。

　　2.1.1 發(fā)送模塊

　　發(fā)送模塊的功能：(1)13.56MHz的晶振產(chǎn)生載波信號(hào)，DSP將欲發(fā)送的信息及調(diào)制幅度(10%)傳送至74HC125D芯片端，完成ASK調(diào)制;(2)NPN型射頻功率晶體管實(shí)現(xiàn)功率放大;(3)經(jīng)匹配電路將載頻由天線發(fā)送出去。

　　2.1.2 接收模塊

　　接收模塊的功能：(1)設(shè)計(jì)窄帶濾波器取出一邊帶，并濾除13.56MHz頻率分量;(2)二級(jí)放大電路;(3)將邊帶信號(hào)與本地13.56MHz載波混頻后獲得調(diào)制到423kHz單副載波上的中頻信號(hào);(4)將中頻信號(hào)放大并包絡(luò)檢波出原始信號(hào);(5)運(yùn)放LM358整形放大;(6)將解調(diào)后的模擬信號(hào)送至DSP采樣。

　　該射頻模塊的輸出阻抗為50?贅，外接天線的匹配狀況對(duì)系統(tǒng)的接收性能有直接影響，用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試天線諧振在13.56MHz，輸出阻抗為50?贅。此外，應(yīng)防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，要選擇介電常數(shù)公差小的基材。射頻部分盡量使用SMT(表面貼裝式)元件，減少過孔，并在表面加接地金屬屏蔽層[3]。

　　2.2 數(shù)字部分

　　2.2.1 主控模塊

　　本系統(tǒng)采用DSP芯片TMS320F2812作為信號(hào)采集和處理的核心。該芯片采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，是基于TI C×28內(nèi)核的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。其優(yōu)化的事件管理器、快速靈活的中斷管理，為RFID讀寫系統(tǒng)提供了更加靈活、高效的控制方案[4]。

　　在本設(shè)計(jì)中，DSP芯片的供電電壓為3.3V和1.8V，外部采用27.12MHz晶振，通過片內(nèi)鎖相環(huán)5倍頻后，時(shí)鐘頻率高達(dá)135.6MHz。DSP的主控作用體現(xiàn)在：它首先通過片上自帶的12位ADC對(duì)模擬板發(fā)來的信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集后的數(shù)據(jù)暫存在片內(nèi)存儲(chǔ)器中，通過軟件配合實(shí)現(xiàn)噪音處理、曼徹斯特解碼及檢測碰撞等，隨后進(jìn)行具體讀寫命令的判斷和執(zhí)行，并通過串行接口RS232與上位機(jī)通信。DSP的GPIO口具體使用情況如下：

　　GPIOA：用于通道(bit5)、相位(bit8)和調(diào)制度(bit14)選擇、命令(bit15)的輸出以及讀寫器的開關(guān)控制(0x0000)。

　　GPIOB：報(bào)警動(dòng)作。

　　GPIOD：運(yùn)行燈(bit5)，報(bào)警燈(bit6)指示。

　　GPIOF：串行口232通信(bit4發(fā)、bit5收)。

　　在該模塊的設(shè)計(jì)中，還需總線隔離器74HC245芯片，實(shí)現(xiàn)射頻模塊與DSP的GPIOA口的連接。

　　2.2.2 電源管理模塊

　　該模塊的主要器件為L7805及PS767D318，電路原理如圖2所示。其中，24V輸入電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓器L7805后，穩(wěn)壓至5V。由于DSP的供電電壓為3.3V和1.8V，故還需外接雙輸出低壓差電壓轉(zhuǎn)換器PS767D318，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)電平轉(zhuǎn)換。

　　2.2.3 對(duì)外接口模塊

　　該模塊的主要器件為MAX232芯片，它是一款符合EIA RS-232標(biāo)準(zhǔn)和V28規(guī)范的雙向發(fā)送/接收接口芯片，通過標(biāo)準(zhǔn)的九針串口與上位機(jī)相連。

　　3 讀寫器軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 總體設(shè)計(jì)流程

　　讀寫器應(yīng)用于開放式門禁系統(tǒng)時(shí)，需要PC機(jī)監(jiān)控，兩者以主從方式工作。主控模塊上電復(fù)位完成初始化后，進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)PC機(jī)發(fā)來指令后，中斷喚醒主控模塊接收指令并處理相應(yīng)程序，完畢后將信息返回PC機(jī)并再次進(jìn)入等待狀態(tài)，總體流程如圖3所示。當(dāng)中斷喚起讀寫器發(fā)送命令并已檢測到有標(biāo)簽進(jìn)入時(shí)，便進(jìn)行接收。接收部分流程如圖4所示。主控模塊在發(fā)出命令后，立即對(duì)模擬板發(fā)來的信號(hào)ADC采樣，并不斷采集噪聲，隨后完成檢測數(shù)據(jù)、解碼、校驗(yàn)、防碰撞等處理，最后將標(biāo)簽信息發(fā)回PC機(jī),退出中斷。

　　3.2 多卡識(shí)別時(shí)防碰撞算法的實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)讀寫器處于工作狀態(tài)時(shí)，其天線覆蓋范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽都將被激活，隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)讀寫器的命令，這就造成了標(biāo)簽的碰撞。

　　在ISO15693協(xié)議中，適用于多卡識(shí)別的命令有Inventory、Stay quiet等。Inventory用以查詢天線覆蓋范圍內(nèi)的UID(標(biāo)簽識(shí)別號(hào))，其幀格式包括Flags(標(biāo)志位)、Mask length(掩碼長度)、Mask value(掩碼值)等。讀寫器發(fā)送Inventory命令時(shí)須定制所需的時(shí)隙長度，并在指令域后添加掩碼碼長和碼值。假設(shè)Mask length，Mask value均為0，時(shí)隙長度slot設(shè)為16，則讀寫器在slot=0時(shí)發(fā)送Inventory命令，工作區(qū)域內(nèi)卡號(hào)尾數(shù)為0的標(biāo)簽將會(huì)首先響應(yīng)，并以一定的幀格式發(fā)回自己的UID，隨后在時(shí)隙slot=1時(shí)，讀寫器繼續(xù)發(fā)送EOF，工作區(qū)域內(nèi)尾數(shù)為1的標(biāo)簽將會(huì)響應(yīng)。依此類推，直到讀寫器發(fā)出第15個(gè)EOF，一個(gè)完整的Inventory命令結(jié)束。若在工作區(qū)域內(nèi)有兩張標(biāo)簽的卡號(hào)分別為****82H和****12H，則在slot=2時(shí)，兩張卡均響應(yīng)且產(chǎn)生碰撞。此時(shí)需記錄下碰撞位置2，然后在下一個(gè)Inventory命令中，設(shè)置Mask length=4、Mask value=2，則在新一輪的slot中，兩張標(biāo)簽將分別在slot=8和slot=1時(shí)響應(yīng)，這樣就很好地解決了防碰撞問題。Stay quiet命令用于使工作區(qū)內(nèi)與發(fā)送幀中UID相同的標(biāo)簽處于靜止?fàn)顟B(tài)，不再響應(yīng)任何ISO命令。下面給出防碰撞算法的實(shí)現(xiàn)編碼(以16時(shí)隙為例)：

　　function push(mask，address);pushes on private stack

　　function pop(mask，address);pops from private stack

　　function pulse_next_pause;generates a power pulse

　　function store(VICC_UID);stores VICC_UID

　　function poll_loop(sub_address_size as integer);

　　address length must be four (4) bits.

　　pop(mask，address)

　　mask=address & mask;generates new mask;send the Request

　　mode=anticollision

　　send_Request(Request_cmd，mode，mask length，mask[0])

　　for address=0 to(2^sub_address_size-1)

　　if no_collision_is_detected then;VICC is inventoried

　　store(VICC_UID)

　　else;remember a collision was detected

　　push(mask，address)

　　endif

　　pulse_next_pause

　　next sub_address;if some collisions have been detected and not yet processed，the function calls itself recursively to process the last;stored collision

　　if stack_not_empty then poll_loop (sub_address_size)

　　end poll_loop

　　main_cycle

　　mask=null address=null

　　push(mask，address) poll_loop(sub_address_size)

　　end_main_cycle

　　4 測試

　　研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)該讀寫器的性能進(jìn)行了多項(xiàng)測試，主要測試項(xiàng)目及測試結(jié)果如下：

　　(1)運(yùn)行穩(wěn)定性：在長時(shí)間不關(guān)機(jī)情況下，運(yùn)行正常，無死機(jī)或重新啟動(dòng)現(xiàn)象，讀寫能力正常，工作距離有±5cm輕微浮動(dòng)。

　　(2)與上位機(jī)通信情況：正常。

　　(3)虛檢漏檢情況：無。

　　(4)防碰撞能力：每秒40個(gè)。

　　(5)讀寫距離：單天線1.1m左右，雙天線1.8m～2m。

　　(6)速率問題：下行信號(hào)最快速率26.48kb/s，上行信號(hào)最快速率為26.69kb/s。對(duì)于開放式門禁系統(tǒng)完全滿足實(shí)際需求。對(duì)于那些對(duì)讀寫距離或速度有更高要求的系統(tǒng)，如倉庫管理、不停車自動(dòng)收費(fèi)等系統(tǒng)需要用UHF頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)甚至是有源的射頻識(shí)別系統(tǒng)方案來解決。

　　本文設(shè)計(jì)了一種符合ISO-15693協(xié)議的HF頻段RFID讀寫器，配合適當(dāng)?shù)奶炀€，讀寫距離可達(dá)1.1m左右，多卡識(shí)別能力可達(dá)每秒40張。基于該讀寫器的門禁系統(tǒng)已投入應(yīng)用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，效果良好。與市面上現(xiàn)有的HF頻段長距離讀寫器相比，在工作距離相同的情況下，多卡防碰撞識(shí)別能力有顯著提高，且產(chǎn)品信價(jià)比高，系統(tǒng)靈敏度好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在此讀寫器的基礎(chǔ)上，只要稍加改動(dòng)也可開發(fā)成其他RFID應(yīng)用系統(tǒng)，如考勤系統(tǒng)、公交車收費(fèi)系統(tǒng)、超市自動(dòng)售貨、電子防盜、圖書館、洗衣店等管理系統(tǒng)等。