簡(jiǎn)析UHF讀寫器設(shè)計(jì)中的FM0解碼技術(shù)

本文提出的UHF讀寫器是基于EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，閱讀器對(duì)標(biāo)簽的讀寫是通過(guò)發(fā)送射頻能量和對(duì)回波檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中由標(biāo)簽返回給閱讀器數(shù)據(jù)發(fā)送采用FM0編碼格式。

RFID（radio Frequency identifICation）技術(shù)是指以識(shí)別和數(shù)據(jù)交換為目的，利用感應(yīng)、無(wú)線電波或微波進(jìn)行非接觸雙向通信的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有物理對(duì)象的追蹤和管理。

1 FMO編碼原理

FM0（即Bi-Phase SPACe）編碼的全稱為雙相間隔碼編碼。在一個(gè)位窗內(nèi)采用電平變化表示邏輯。如果電平從位窗的起始處翻轉(zhuǎn)，則表示邏輯“1”。如果電平除了在位窗的起始處翻轉(zhuǎn)，還在位窗中間翻轉(zhuǎn)則表示邏輯“O”。根據(jù)FM0編碼的規(guī)則可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論傳送的數(shù)據(jù)是0還是1，在位窗的起始處都需要發(fā)生跳變，如圖1所示。


圖1 FMO編碼示意圖

根據(jù)EPC Gen2協(xié)議規(guī)定，從標(biāo)簽接收剄的數(shù)據(jù)都是FM0編碼格式，是以前同步碼開(kāi)始的，前同步由2部分構(gòu)成：前12個(gè)前導(dǎo)零與之后的6位特定位。需要注意的是在前同步碼中有1位發(fā)生了偏移（即應(yīng)發(fā)生相轉(zhuǎn)化但實(shí)際上沒(méi)有），表示為“V”，用于區(qū)分前同步碼與數(shù)據(jù)碼，前同步碼之后為收到的數(shù)據(jù)，如圖2所示。


圖2 FMO前同步碼

2 UHF讀寫器讀寫原理

根據(jù)EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)，該UHF讀寫器屬于半雙工通信，遵循讀寫器先發(fā)言（RTF）原則，即標(biāo)簽是否需要返回信號(hào)建立在有沒(méi)有接收到并正確解調(diào)出讀寫器發(fā)來(lái)的指令。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，先由讀寫器通過(guò)射頻模塊進(jìn)行調(diào)制，發(fā)出一系列的讀標(biāo)簽指令，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器響應(yīng)區(qū)域時(shí)，接收到射頻能量，開(kāi)始解調(diào)讀寫器的指令，只有正確得到讀指令后，標(biāo)簽才會(huì)將自己的ID信息等數(shù)據(jù)通過(guò)反向散射方式回發(fā)給讀寫器。讀寫器將收到的反向散射信號(hào)解調(diào)成基帶信號(hào)之后再送到處理器中進(jìn)行解碼處理。

標(biāo)簽主要由射頻接口（天線、數(shù)據(jù)調(diào)制、解調(diào)、電源電路）、控制邏輯及EEPROM存儲(chǔ)器3個(gè)模塊構(gòu)成，調(diào)制解調(diào)模塊完成對(duì)發(fā)送接收信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，能量檢測(cè)電路通過(guò)天線線圈接收到電壓后給控制中心提供穩(wěn)定的電壓。控制邏輯由沖突檢測(cè)、讀寫控制、存取控制、EEPROM接口控制和RF接口控制部分組成，主要負(fù)責(zé)處理與外部通信協(xié)議和與讀寫EEPROM。

采用高性能的ARM7的LPC2103進(jìn)行解碼，采用12MHz外部晶振，該芯片可內(nèi)部倍頻，內(nèi)部時(shí)鐘工作在60 MHz的頻率上，完全滿足高速下的解碼需求。LPC2103有2個(gè)32位的捕獲比較器，具有多達(dá)7路捕獲通道。采用LPC2103的定時(shí)器TO和相應(yīng)的捕獲引腳，在輸入信號(hào)發(fā)生上跳變或者下跳變時(shí)捕獲定時(shí)器值，并產(chǎn)生中斷將該定時(shí)器值取出進(jìn)行判斷，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。


圖3 系統(tǒng)框圖

3 FMO解碼

根據(jù)FMO解碼的特點(diǎn)，目前常見(jiàn)的解碼方法是：根據(jù)起始處的上升沿或下降沿以及位窗中的采樣點(diǎn)來(lái)判斷出此位窗所表示的數(shù)據(jù)。設(shè)定一個(gè)位窗時(shí)間長(zhǎng)度為T，1）位窗起始處為下降沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數(shù)據(jù)“0”，采樣為0則位窗表示數(shù)據(jù)“1”；2）位窗起始處為上升沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數(shù)據(jù)“1”，采樣為0則位窗表示數(shù)據(jù)“0”。

這種方法的缺點(diǎn)很明顯。因?yàn)閁HF頻段頻率很高，當(dāng)在接收過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)頻率偏移的情況時(shí)，會(huì)造成位寬時(shí)間T較大的變化，而程序仍以固定的時(shí)間間隔3/4T去解碼，所以每次都會(huì)發(fā)生一定的偏移，根據(jù)協(xié)議，UHF讀寫器將接收到標(biāo)簽傳送過(guò)來(lái)的1個(gè)128字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣在解碼過(guò)程中，將出現(xiàn)累積偏移過(guò)多導(dǎo)致漏讀或多讀情況，從而產(chǎn)生誤判。

通過(guò)讀寫器命令設(shè)置，可以使標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)采用160 Kb/s的速率，在FM0碼相鄰兩個(gè)邊沿之間的間隔只可能有3種情況：0.5T、T、1.5T.在12 MHz的外部時(shí)鐘下，“0”的高半位寬“H”和低半位寬“H”為3.125μs，捕獲出的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為0x25左右，記為0.5T；收到1個(gè)“0”或者1個(gè)“1”的位寬為6.25μs，捕獲出的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為Ox4B左右，記為T；在前同步碼中，“V”的位寬為9.375μs，捕獲出的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為0x70左右，記為1.5T.解碼流程圖如圖4所示。


圖4 解碼流程圖

根據(jù)FMO碼特點(diǎn)，當(dāng)捕獲到一個(gè)“H”或者“L”時(shí)，要判斷這個(gè)O.5T是“0”的前半位還是后半位。是前半位時(shí)，要等待下一個(gè)0.5T結(jié)合成1個(gè)“0”；是后半位時(shí)，要與之前剩余的半位結(jié)合成“0”。捕獲到1個(gè)T寬度的數(shù)據(jù)時(shí)，則記為“1”。

在進(jìn)行對(duì)接收到的FMO碼解碼時(shí)，因?yàn)闆](méi)有同步信號(hào)，所以必須要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，也就是要先解碼到連續(xù)的12個(gè)“0”與之后的1010 V1前同步碼數(shù)據(jù)，才能對(duì)后面真正需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。在解前同步碼時(shí)，前12個(gè)“O”按照2個(gè)0.5T組成1個(gè)“0”的原則，要有連續(xù)的24個(gè)0.5T出現(xiàn)才會(huì)進(jìn)行下面的解碼，不然就會(huì)返回重新開(kāi)始統(tǒng)計(jì)12個(gè)“0”。在之后解碼1010V1時(shí)，要注意一個(gè)特殊的位“V”，當(dāng)捕獲到一個(gè)1.5T寬度的數(shù)據(jù)時(shí)，才記為“V”；在此期間，只要解碼出一位有錯(cuò)誤，則返回重新開(kāi)始統(tǒng)計(jì)12個(gè)“0”。只有前同步碼全部正確解出時(shí)，才能進(jìn)行對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，依據(jù)捕獲到的寬度是0.5T還是1T來(lái)判斷是“0”的半位還是一個(gè)完整的“1”。

在EPC Gen2使用中，根據(jù)讀寫器發(fā)送命令的不同，標(biāo)簽返回的FM0碼里或者存在CRC5，或者存在CRC16，或者沒(méi)有校驗(yàn)，有CRC的碼在解碼完成后都要進(jìn)行CRC校驗(yàn)。當(dāng)檢測(cè)到結(jié)束位時(shí)，CRC校驗(yàn)正確，則本次通信正常，可以進(jìn)行下一步的通信。

在實(shí)際運(yùn)用中，讀寫器接收回路上會(huì)出現(xiàn)發(fā)送回路泄露過(guò)來(lái)的很多雜波信號(hào)以及一些毛刺，會(huì)有連續(xù)多個(gè)“0”出現(xiàn)，會(huì)形成連續(xù)的24個(gè)寬度為0.5T的間隔，可能會(huì)誤判成前同步碼開(kāi)始，但后續(xù)的前同步碼解碼過(guò)程在出現(xiàn)1.5T寬的“V”時(shí)會(huì)出錯(cuò)，在進(jìn)行校驗(yàn)或檢測(cè)停止位時(shí)也可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這時(shí)也要重新搜索前同步碼。

4結(jié)語(yǔ)

2006年EPC global（全球產(chǎn)品電子代碼管理中心）納入ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，批準(zhǔn)了新標(biāo)準(zhǔn)EPC Gen2，用于900 MHz左右的UHF的RFID技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)在被我國(guó)作為第1類第2代UHF RFID 860 MHz-960 MHz通信協(xié)議。UHF頻段RFID系統(tǒng)具有讀寫速度快、存儲(chǔ)容量大、識(shí)別距離遠(yuǎn)、成本低、尺寸小等特點(diǎn)，更適合未來(lái)物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用，也為實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供可能。因此超高頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展是當(dāng)今RFID系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。

在UHF讀寫器設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵問(wèn)題就是對(duì)接收到的解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確解碼，既要解決信號(hào)頻率的偏移，也要能在高速通信過(guò)程中，快速正確解碼，采用這種解碼方法可以在對(duì)FM0碼捕獲位寬的同時(shí)進(jìn)行同步解碼，速度比較快，而且由于對(duì)載波頻率的變化不敏感，故讀卡成功率高。