機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)閱讀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
一、引言
機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí),又稱“電子車牌”,是嵌有超高頻無線射頻芯片并存儲(chǔ)汽車身份數(shù)據(jù)的電子信息識(shí)別載體,具有精準(zhǔn)識(shí)別、識(shí)別速度快、受環(huán)境影響小,識(shí)別率高等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)車輛身份的精準(zhǔn)識(shí)別、車輛信息的動(dòng)態(tài)采集和交通信息的海量采集。
機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器、天線及后臺(tái)系統(tǒng)組成,通過在車輛前擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)安裝一張存儲(chǔ)汽車身份數(shù)據(jù)的RFID電子標(biāo)簽(即“汽車電子標(biāo)識(shí)”),在城市道路布設(shè)閱讀器及天線,實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)識(shí)的信息識(shí)讀,從而自動(dòng)、非接觸,不停車地完成車輛信息的識(shí)別和監(jiān)控。
二、閱讀器技術(shù)原理及技術(shù)要求
在機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中,閱讀器是最為核心的設(shè)備,閱讀器的識(shí)讀性能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。根據(jù)機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,閱讀器應(yīng)工作在UHF頻段,頻率范圍為920MHz~925MHz,范圍內(nèi)可用信道數(shù)為20,每信道帶寬為250kHz。
閱讀器通過調(diào)制射頻載波信號(hào)發(fā)送信息到一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽,使用雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)、單邊帶幅移鍵控(SSB-ASK)等調(diào)制方式,標(biāo)簽通過閱讀器的RF電磁場(chǎng)來獲得工作電源能量,閱讀器通過發(fā)送一個(gè)未經(jīng)調(diào)制的RF載波并偵聽標(biāo)簽的反向散射的回復(fù)來獲得標(biāo)簽的信息,標(biāo)簽通過反向散射調(diào)制射頻載波的幅度來傳送信息,編碼格式由標(biāo)簽根據(jù)閱讀器命令進(jìn)行選擇,可以是FM0或者M(jìn)iller調(diào)制副載波,閱讀器和標(biāo)簽之間采用半雙工通訊方式。
充分考慮城市自由流的應(yīng)用場(chǎng)景以及車輛識(shí)別動(dòng)態(tài)、高速、遠(yuǎn)距離的應(yīng)用需求,閱讀器應(yīng)滿足如下要求:
1. 要達(dá)到較遠(yuǎn)的讀寫距離及最大的檢測(cè)范圍(識(shí)讀距離至少超過30米);
2. 要具有較高的處理能力和較快的讀取速度,保證能檢測(cè)到高速度的運(yùn)動(dòng)車輛(支持在200km/h運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的車輛電子標(biāo)識(shí)可被準(zhǔn)確識(shí)讀);
3. 應(yīng)具有安全認(rèn)證、傳輸加密及數(shù)據(jù)保護(hù)功能,以滿足安全性要求;
4. 應(yīng)具備數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)能力,支持遠(yuǎn)程管理功能,具備時(shí)鐘同步等功能,以滿足實(shí)際應(yīng)用需求;
5. 應(yīng)達(dá)到較高的防護(hù)等級(jí),具備良好的高低溫性能,以滿足各種環(huán)境應(yīng)用需求。
三、閱讀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
閱讀器設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。
(一)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
閱讀器采用類似無線AP的盒式結(jié)構(gòu),由數(shù)字處理電路單元DPU、電源單元PWR、射頻收發(fā)單元RFU及外圍結(jié)構(gòu)組成。閱讀器的硬件總體框圖詳見圖3。
其中,數(shù)字處理電路單元DPU和射頻收發(fā)單元RFU是閱讀器最為核心的部分,關(guān)系著閱讀器功能及性能的實(shí)現(xiàn)。
1. 數(shù)字處理電路單元DPU
數(shù)字處理電路單元DPU包括以下功能模塊:
(1)數(shù)字信號(hào)處理模塊
數(shù)字信號(hào)處理模塊由RF基帶信號(hào)處理部分和協(xié)議處理部分構(gòu)成。其中,RF基帶信號(hào)處理部分完成發(fā)送方向上的數(shù)據(jù)I、Q發(fā)送調(diào)制,接收方向上射頻基帶信號(hào)的波形檢測(cè),數(shù)據(jù)恢復(fù)、解碼、碰撞檢測(cè)等功能,該部分由一片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)。
(2)協(xié)議處理模塊
協(xié)議處理部分完成RFID空中接口協(xié)議處理、射頻電路的控制和管理等功能,該部分由DSP來實(shí)現(xiàn)。
(3) 控制和管理模塊
控制和管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)UHF閱讀器系統(tǒng)的控制和管理功能,主要包括本板器件的初始化、配置、監(jiān)控等工作,同時(shí)負(fù)責(zé)與后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通訊和管理,運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及外設(shè)接口的管理,該部分主要通過嵌入式CPU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
(4)接口和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊
接口和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊實(shí)現(xiàn)閱讀器同網(wǎng)絡(luò)、PC機(jī)、外部存儲(chǔ)設(shè)備的通訊和數(shù)據(jù)交互等功能。
2. 射頻收發(fā)單元RFU
射頻收發(fā)單元RFU包括以下功能模塊:
射頻單元由射頻發(fā)送模塊和射頻接收模塊組成,主要實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的濾波、放大、混頻,AD轉(zhuǎn)換,并把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給DPU進(jìn)行處理功能和發(fā)送信號(hào)的調(diào)制、放大、DA轉(zhuǎn)換,濾波等功能。整個(gè)射頻電路由前向鏈路、反向鏈路、天線選擇開關(guān)矩陣、前向泄露對(duì)消環(huán)路,輔助控制電路幾部份構(gòu)成。具體架構(gòu)如圖4所示:
(二)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
閱讀器軟件由四個(gè)層次構(gòu)成,分別為驅(qū)動(dòng)層、OS層、應(yīng)用層和后臺(tái),完成閱讀器標(biāo)簽信息獲取、管理和上報(bào)。
1. 驅(qū)動(dòng)層
驅(qū)動(dòng)層提供閱讀器各種設(shè)備的操作管理功能,包括后臺(tái)接口驅(qū)動(dòng)(USB、以太網(wǎng)、串口、其它設(shè)備)和無線收發(fā)模塊的驅(qū)動(dòng)。
2. OS層
OS層為操作系統(tǒng)層,作為閱讀器控制管理的應(yīng)用部分的運(yùn)行平臺(tái),操作系統(tǒng)采用基于ARM的Linux操作系統(tǒng),為上層應(yīng)用提供運(yùn)行支撐。
3. 應(yīng)用層功能描述
應(yīng)用層完成閱讀器的控制管理和信號(hào)處理,包括DSP處理模塊、協(xié)議處理模塊,操作維護(hù)模塊以及后臺(tái)通信模塊。
四、閱讀器關(guān)鍵技術(shù)
零中頻接收機(jī)、載波泄露消除、多標(biāo)簽防碰撞及多閱讀器協(xié)同工作是閱讀器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)最為關(guān)鍵的技術(shù),也是行業(yè)內(nèi)設(shè)備廠商重點(diǎn)研究及關(guān)注的核心技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)廠商在閱讀器核心技術(shù)方面已具備深厚的技術(shù)積累,在重慶、南京、蘭州、廈門、銀川、深圳、無錫等多地汽車電子標(biāo)識(shí)項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。
(一)零中頻接收機(jī)
零中頻接收機(jī)是指RF信號(hào)直接轉(zhuǎn)化到零頻信號(hào),LPF(低通濾波器)用于近端干擾信號(hào)的抑制。零中頻接收機(jī)具有易集成、低功耗,低成本等特點(diǎn),在閱讀器設(shè)計(jì)時(shí)被廣泛應(yīng)用。
相對(duì)于超外差架構(gòu),零中頻架構(gòu)具有如下優(yōu)勢(shì):
(1)采用零中頻結(jié)構(gòu)可以使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)頻率綜合器,從而減小設(shè)計(jì)復(fù)雜度;
(2)閱讀器收發(fā)同頻,直接變頻結(jié)構(gòu)將發(fā)射機(jī)泄漏過來的載波轉(zhuǎn)換到直流,可以通過直流失調(diào)電平消除電路消除,并且T=R鏈路采用的FM0 和Miller 編碼均無直流分量;
(3)聲表濾波器和復(fù)雜的LC濾波器可采用簡(jiǎn)單的低通濾波器替換,有利于降低電路復(fù)雜度;
(4)沒有鏡像抑制要求。
(二)載波泄露消除
由于標(biāo)簽采用背向散射機(jī)制返回信號(hào),因此閱讀器必須收發(fā)同頻,并且為了提供給無源標(biāo)簽?zāi)芰?,發(fā)射機(jī)即使在接收信號(hào)時(shí)也一直在發(fā)射連續(xù)載波,使得接收機(jī)前端有很大的載波泄漏。如此大的信號(hào)會(huì)阻塞射頻前端,影響返回信號(hào)的正常放大及線性度,它需要射頻前端有高達(dá)5dBm以上的1dB 壓縮點(diǎn),并且限制了射頻前端的增益要在0dB 以下,以使模擬前端可以正常工作。
在存在前向泄漏的情況下,泄漏信號(hào)會(huì)對(duì)鏈路的反向鏈路造成負(fù)面的影響,主要包括:
(1)相位噪聲;
(2)幅度噪聲;
(3)阻塞信號(hào)導(dǎo)致反向鏈路NF(噪聲系數(shù))惡化。
最終的表現(xiàn)就會(huì)導(dǎo)致反向鏈路的接收靈敏度急劇下降,清點(diǎn)標(biāo)簽距離變近,漏讀率升高。載波泄漏在雙天線和單天線閱讀器中都存在,如何在載波泄漏情況下正常接收和放大返回信號(hào)是UHF RFID 閱讀器接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。
載波消除模塊設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)泄露消除作用重大。載波消除模塊將本振信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅和調(diào)相,得到一個(gè)與泄漏的載波接近的同相、同幅的抵消信號(hào),此信號(hào)與混有載波的接收信號(hào)經(jīng)過合路,使輸出信號(hào)中大部分的載波信號(hào)被抵消,從而可以通過有源混頻器進(jìn)行高線性度的下變頻。
圖9方框內(nèi)所示即接收機(jī)載波消除射頻前端,主要包括抵消信號(hào)產(chǎn)生電路、帶載波消除的低噪聲放大器、正交下變頻混頻器以及載波消除檢測(cè)電路。這些模塊不是獨(dú)立的,而是集合在載波消除的反饋回路當(dāng)中。
(三)多標(biāo)簽防碰撞
多標(biāo)簽碰撞問題即為讀取閱讀器有效區(qū)域內(nèi)的多個(gè)標(biāo)簽所產(chǎn)生的標(biāo)簽信息碰撞問題。
多標(biāo)簽的防碰撞使用DDS-BT機(jī)制,在該機(jī)制中,標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器初始值為0,根據(jù)后續(xù)命令逐步調(diào)整時(shí)隙計(jì)數(shù)器,當(dāng)時(shí)隙計(jì)數(shù)器為0時(shí),標(biāo)簽從仲裁態(tài)跳轉(zhuǎn)到應(yīng)答狀態(tài),開始響應(yīng)閱讀器:
1. 當(dāng)標(biāo)簽無回復(fù)時(shí)
(1)在閱讀器無法接收到標(biāo)簽回復(fù)的時(shí)候,首先判斷是否結(jié)束盤點(diǎn),如果判據(jù)為真,則認(rèn)為盤點(diǎn)結(jié)束;
(2)如果不結(jié)束盤點(diǎn),需要判斷連續(xù)空閑時(shí)隙的次數(shù)是否達(dá)到CIN(連續(xù)空閑閾值,典型值是4)。如果連續(xù)空閑時(shí)隙的次數(shù)不小于CIN,則發(fā)送收縮命令(Shrink),所有仲裁和應(yīng)答狀態(tài)的標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器值除以 2 取整;
(3)如果連續(xù)空閑時(shí)隙的次數(shù)小于 CIN,且上一時(shí)隙閱讀器發(fā)送的是分裂命令,閱讀器發(fā)送分裂位置為“1”的分裂命令(Divide),所有時(shí)隙計(jì)數(shù)器值為 1 的標(biāo)簽分裂;
(4)如果連續(xù)空閑時(shí)隙的次數(shù)小于 CIN,且上一時(shí)隙閱讀器發(fā)送的不是分裂命令,則閱讀器發(fā)送重復(fù)查詢命令(QueryRep),所有仲裁和應(yīng)答狀態(tài)的標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器值減1。
2. 當(dāng)標(biāo)簽正確回復(fù)時(shí)
閱讀器接收到標(biāo)簽正確回復(fù)的RN11+CRC5,閱讀器發(fā)送編碼獲取命令(ACK), 標(biāo)簽發(fā)送安全模式、編碼長(zhǎng)度和編碼并跳轉(zhuǎn)到確認(rèn)狀態(tài)。
3. 當(dāng)標(biāo)簽發(fā)生碰撞時(shí)
(1)當(dāng)閱讀器接收到多個(gè)標(biāo)簽碰撞信號(hào)的時(shí)候,需要判斷連續(xù)碰撞時(shí)隙的次數(shù)是否達(dá)到 CCN;
(2)如果連續(xù)碰撞時(shí)隙的次數(shù)小于 CCN(連續(xù)碰撞閾值,典型值為3),則發(fā)送分裂位置為0的分裂命令(Divide),處于應(yīng)答狀態(tài)的標(biāo)簽分裂,仲裁狀態(tài)的標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器加1;
(3)如果連續(xù)碰撞時(shí)隙的次數(shù)不小于 CCN,則發(fā)送分散命令(Disperse),所有應(yīng)答和仲裁狀態(tài)的標(biāo)簽時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值乘以2之后加上1位隨機(jī)數(shù)。
4. 盤點(diǎn)結(jié)束判斷
閱讀器設(shè)置盤點(diǎn)結(jié)束閾值,閱讀器發(fā)送啟動(dòng)查詢命令時(shí),將盤點(diǎn)結(jié)束閾值置為2;閱讀器發(fā)送分裂位置為0的分裂命令時(shí),盤點(diǎn)結(jié)束閾值加1;閱讀器發(fā)送重復(fù)查詢命令時(shí),盤點(diǎn)結(jié)束閾值減1;閱讀器發(fā)送分散命令時(shí),盤點(diǎn)結(jié)束閾值乘以2后加1;閱讀器發(fā)送收縮命令時(shí),盤點(diǎn)結(jié)束閾值除以2后取整;閱讀器發(fā)送其他命令時(shí),盤點(diǎn)結(jié)束閾值不變;如果盤點(diǎn)結(jié)束閾值為0,則閱讀器認(rèn)為盤點(diǎn)結(jié)束。
(四)多閱讀器協(xié)同工作
閱讀器通過發(fā)送電磁波信號(hào),對(duì)其覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行通信,完成標(biāo)簽清點(diǎn)操作,當(dāng)多個(gè)閱讀器工作在同一區(qū)域,該如何協(xié)調(diào)成為閱讀器設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。多閱讀器協(xié)同工作的目的就是能夠使每個(gè)閱讀器都獨(dú)立的清點(diǎn)各自區(qū)域中的所有標(biāo)簽。首先,由閱讀器選擇標(biāo)簽,選擇感興趣的標(biāo)簽群體;然后發(fā)起一輪清點(diǎn),進(jìn)行標(biāo)簽防碰撞清點(diǎn)過程,返回handle的標(biāo)簽進(jìn)入arbitrate/reply狀態(tài);返回EPC的標(biāo)簽進(jìn)入acknowledged狀態(tài),被閱讀器確認(rèn)成功清點(diǎn)后,繼續(xù)清點(diǎn)時(shí)退出該清點(diǎn)流程,進(jìn)入ready狀態(tài),直到被選擇的所有標(biāo)簽全部被清點(diǎn)。如何支持多閱讀器各自獨(dú)立完成清點(diǎn),需要閱讀器與標(biāo)簽之間的空口協(xié)議支持,標(biāo)簽需要在物理特性上支持,需要對(duì)閱讀器進(jìn)行控制。