超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器設計方案

0.引 言

　　射頻識別（RFID,RadioFrequency Iden tiFication） 技術是一種新興的自動識別技術。它是利用無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，以達到目標識別并交換數據的目的?？捎脕砀櫤凸芾韼缀跛械奈锢韺ο?，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理、防偽及軍事等眾多領域都有廣泛的應用前景。按照工作頻段的不同，RFID系統(tǒng)還可以分為低頻（135kHz以下）、高頻（13.56MHz）、超高頻（860~960MHz） 和微波（2.4GHZ以上）等幾類。目前大多數RFID系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng)，但超高頻（UHF） 頻段的RFID系統(tǒng)具有操作距離遠、通訊速度快、成本低、尺寸小等優(yōu)點，更適合未來物流、供應鏈領域的應用，也為實現物聯網提供了可能。因此超高頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展是當前RFID系統(tǒng)發(fā)展的重點。本文介紹了符合ISO1800026標準的超高頻RFID電子標簽主要特點、結構、工作原理及讀寫方法，提出了相應讀寫器的解決方案，重點闡述了讀寫器的硬件設計及軟件程序流程。實際應用結果表明該讀寫器具有以下特點：讀寫速度快（單個標簽64bit/6ms）、識別率高，識別距離遠（≥4m）。

　　1. 標簽工作原理及特性

　　1.1 工作原理

　　RFID系統(tǒng)一般由讀寫器和標簽（或稱應答器、電子標簽、智能標簽） 及天線組成。本文采用某公司的UCODEHSL標簽，符合ISO18000-4與ISO18000-6標準，本身無電源，靠讀寫器的射頻場獲得能源，采用負載調制方式，工作頻段為UHF或2. 45GHz.工作原理如圖1所示。

圖1:工作原理

　　PC機通過RS232接口遠程控制讀寫器。讀寫器接到命令后，通過天線發(fā)送射頻命令實現對標簽的操作，同時接收標簽返回的數據。標簽靠其偶極子天線獲得能量，并由芯片（ IC） 控制接收、發(fā)送數據。

　　1.2 IC結構

　　標簽IC主要由模擬、數據處理及EEPROM三個模塊構成，如圖2所示。

圖2:標簽IC結構

　　模擬RF接口模塊為IC提供穩(wěn)定電壓，并將獲得的數據解調后供數據模塊處理，同時將數據調制后返回給讀寫器。數字處理模塊包括狀態(tài)轉換機、讀寫協(xié)議執(zhí)行、與EEPROM的數據交換處理等功能。

　　1.3 存儲特性

　　標簽內置2048bit的EEPROM,分成64塊（block） ,每塊32bit.其中8byte為ID存儲空間，216byte為用戶存儲空間。每字節(jié)都有相應的鎖定位，該位被置1就不能再被改變?？梢酝ㄟ^LOCK命令將其鎖定，通過Query locK（查詢鎖定） 命令讀取鎖定位的狀態(tài)，鎖定位不允許被復位。Byte0~7被鎖定，為標簽的標識碼（Unique ID）。64bitUID包含50bit的獨立的串號，12bit的邊界碼和一個兩位的校驗碼。Byte 8~219是未鎖定空間，供用戶使用。Byte 220~223也是未鎖定的，作為寫操作完畢的標志bit或者用戶空間。

　　2 標簽的讀寫

　　2.1 命令格式

　　2.1.1讀寫器的命令格式

　　讀寫器的命令格式如下：

　　幀頭探測段是一個至少持續(xù)400Ls的穩(wěn)定無調制載波（相當于16bit數據的傳輸） ;幀頭是9bit的NRZ格式的manchesterO,即：010101010101010101;開始符是用來標記有效數據，原返回率采用5位的開始符（1100111010），4倍返回率采用開始符（11011100101）；CRC采用16bit的CRC編碼。

　　2.1.2 標簽的應答格式

　　標簽的應答格式如下：

　　靜默是標簽持續(xù)2byte 的無反向散射（40kb/s的速率下相當于400Ls的持續(xù)時間） ;返回幀頭是：00000101010101010101000110110001;CRC采用16bit的CRC編碼。

　　2.2 防沖突機制

　　充電后的IC有三種主要數字狀態(tài)：準備（READY,初始狀態(tài)） ;識別（ ID,標簽期望讀寫器識別的狀態(tài)） ;數據交換（DATE EXCHANGE,標簽已被識別狀態(tài)）。

圖3:狀態(tài)轉換圖

　　首先，標簽進入讀寫器的射頻場，從無電狀態(tài)進入準備狀態(tài)。讀寫器通過組選擇和取消選擇命令來選擇工作范圍內處于準備狀態(tài)中所有或者部分的標簽，來參與沖突判斷過程。為解決沖突判斷問題，標簽內部有兩個裝置：一個8bit的計數器；一個0或1的隨機數發(fā)生器。標簽進入ID狀態(tài)的同時把它的內部計數器清0.它們中的一部分可以通過超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器設計收取消命令重新回到準備狀態(tài)，其它處在識別狀態(tài)的標簽進入沖突判斷過程。被選中的標簽開始進行下面循環(huán)：

　?、?所有處于ID狀態(tài)并且內部計數器為0的標簽將發(fā)送它們的UID.

　?、谌绻嘤谝粋€的標簽發(fā)送，讀寫器將發(fā)送失敗命令。

　　③ 所有收到失敗命令且內部計數器不等于0的標簽將其計數器加1.收到失敗命令且內部計數器等于0的標簽（剛剛發(fā)送過應答的標簽） 將產生一個1或0的隨機數，如果是1,它將自己的計數器加1;如果是0,就保持計數器為0并且再次發(fā)送它們的UID.

　?、苋绻幸粋€以上的標簽發(fā)送，將重復第2步操作；

　?、萑绻袠撕灦茧S機選擇了1,則讀寫器收不到任何應答，它將發(fā)送成功命令，所有應答器的計數器減1,然后計數器等于0的應答器開始發(fā)送，接著重復第2步操作；

　?、奕绻挥幸粋€標簽發(fā)送并且它的UID被正確接收，讀寫器將發(fā)送包含UID的數據讀命令，標簽正確接收該條命令后將進入數據交換狀態(tài)，接著將發(fā)送它的數據。讀寫器將發(fā)送成功命令，使處于ID狀態(tài)的標簽的計數器減1;

　?、呷绻挥幸粋€標簽的計數器等于1并且返回應答，則重復第5和第6步操作；如果有一個以上的標簽返回應答，則重復第2步操作；

　　⑧如果只有一個標簽返回應答，并且它的UID沒有被正確接收，讀寫器將發(fā)送一個重發(fā)命令。如果UID被正確接收，則重復第5步操作。如果UID被重復幾次的接收（這個次數可以基于系統(tǒng)所希望的錯誤處理標準來設定） ,就假定有一個以上的標簽在應答，重復第2步操作。

　　3. 系統(tǒng)硬件構成

　　本系統(tǒng)選用W 77E58單片機作為主控模塊，與發(fā)射模塊和接收模塊、串口通信模塊共同構成射頻標簽的讀寫系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理如圖1中讀寫器部分所示。

　　3.1 主控模塊

　　主控模塊選擇W INBOND公司的W 77E58,它是一款高速、高集成、增強型內核為8051的高性能單片機；內置32kbit可重復編程的Flash EPROM,1kbit用MOV指令訪問的內部SRAM（節(jié)省了16條數據/地址I/O口線） ,以及2個增強型全雙工串行口。使用W 77E58的系統(tǒng)速度要比傳統(tǒng)51系列單片機快2. 5倍左右。工作頻率為40MHz的W 77E58相當于100MHz左右的8051.