一種電子標簽識讀終端的研究與設計

　　1 引言

　　射頻識別(RFID)是利用無線方式對電子數據載體(電子標簽)進行識別的一種新興技術。與接觸式Ic卡和條形碼識別等系統(tǒng)比較，它有著巨大的優(yōu)勢。利用射頻識別技術，能有效實現對數量大、分布區(qū)域廣的信息進行智能化管理，達到高效快捷運作的目的，特別是在物流、交通航運、自動收費、服務領域等方面有著廣泛的應用前景。

　　針對工作頻率為100kHz一150kHz的電子標簽EM4100.本文提出了其識讀終端的設計。

　　2 無源射頻芯片EM4100工作基理

　　EM4100系列為微型低功耗電子標簽芯片，工作頻率范圍為100kHz～ 150kHz，主時鐘及工作電源取自識讀器發(fā)射的信號。作為接收天線的線圈和微芯片已連好并封裝在一起。內部電路分模擬模塊和數字模塊2大部分。模擬模塊包括：全波整流電路，時鐘提電路，調制電路;數字模塊包括： 序列發(fā)生器，只讀存貯器.數據編碼器。

　　無源電子標簽與識讀器之間的作用距離滿足關系r<<λ(工作波長)，根據天線理論，屬于天線近區(qū)場(即感應場)。因此，電子標簽天線與識讀終端天線之間的作用是基于電磁感應原理，等效電路見圖1。其中，Ll為識讀器發(fā)射天線電感，L2為電子標簽線圈電感，R2為電子標簽線圈的內阻，R L為電子標簽諧振回路的等效負載。

圖1 信號耦合等效電路

　　互感M在 L2上產生的電壓 作為 L2回路的信號源，由等效電路可推得回路的輸出電壓表達式：

　　在其他因素不變時，若識讀終端發(fā)射的信號頻率與該諧振電路的諧振頻率(

) 相等，則輸出電壓最大;偏離諧振頻率時，電壓將快速減小。諧振信號經整流濾波后作為片工作電源，當該電壓值達到EM4100的要求時，芯片啟動工作。該諧振電路的輸出電壓值取決于Q值、交變磁場強度及頻率。顯然，電子標簽與識讀終端之間的距離直接影響該電壓值。

　　在時鐘提取電路從線圈感應信號提取的主時鐘作用下，序列發(fā)生器發(fā)出存儲器尋址、數據串行輸出控制、數據編碼控制等信號。芯片內存貯有唯一的64bit代碼：9bit起始位、40bit信息位、14bit校驗位、lbit停止位。代碼經編碼后控制調制器中的電流開關.實現對f0=125kHz載波進行調幅。每bit數據的時間寬度與載波周期的比率有3種選擇：64、32、16。數據信號控制應答器天線負載的接通和斷開.識讀器天線上電壓將跟隨變化，實際是應答器(電子標簽)數據對識讀器天線電壓進行振幅調制，實現了應答器數據向識讀器的傳輸。這就是所謂的負載調制。在識讀終端有效作用范圍內，電子標簽循環(huán)發(fā)送64bit代碼數據，實現數據向識讀終端的傳送。

　　3 識讀終端硬件系統(tǒng)設計

　　3.1功能分析

　　根據上述識讀終端與無源電子標簽作用過程.識讀終端應實現以下功能：1.發(fā)射射頻信號。信號頻率應等于電子標簽接收回路的諧振頻率，信號有足夠的強度.以啟動電子標簽工作并滿足對作用距離的要求。2.接收電子標簽發(fā)射的射頻信號，并解調出其中的數據。3.數據解碼及后續(xù)處理。終端硬件系統(tǒng)實現前2項功能，第3項功能由識讀終端軟件系統(tǒng)實現。

　　3.2射頻接口電路設計與實現

　　射頻接口電路實現啟動電子標簽和信號解調。系統(tǒng)采用RFID專用無線基站芯片EM4095設計了電子標簽與識讀終端主控模塊之間的射頻接口電路。EM4095功能原理見圖2。

圖2 射頻接口芯片EM4095原理

　　EM4095兼容多種傳輸協議(如EM4OOX、EM4150等)，利用內部鎖相環(huán)PLL就可得到與天線適合的諧振頻率，而不需外接晶振，工作頻率100kHz一150kHz，具有睡眠模式，與微控制器的接口簡單，采用調幅同步解調技術，工作電壓5V。芯片T作受輸入信號SHD和MOD控制。MOD=0時。芯片工作于只讀模式。

　　SHD=I時，為睡眠模式。芯片供電之后，SHD應先為高電平，以對芯片進行初始化，然后再接低電平，芯片即發(fā)射射頻信號;同時。解調模塊將天線上AM信號中攜帶的數字信號取出，并由DEMOD— 0UT端輸出。RDY/CLK端向微控制器提供芯片內部的狀態(tài)以及與發(fā)射信號同步的參考時鐘。SHD=I時，RDY/CLK端輸出低電平;SHD由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，經過約35ms，RDY/CLK端輸出同步時鐘信號，該參考時鐘信號的出現表示發(fā)射模塊和接收模塊已經啟動。通過查詢RDY/CLK端信號狀態(tài)，微控制器即可確定從DEMOD—OUT端接收數據的時刻。

　　鎖相環(huán)PLL、天線驅動器、調制器組成射頻信號發(fā)送模塊。其中PLL由環(huán)路濾波器、相位比較器、壓控制振蕩器組成。天線線圈接收的信號通過耦合電容輸入DEMOD IN端，該信號與天線驅動器的輸入信號由相位比較器進行相位比較，形成與相位差對應的電壓，作為壓控振蕩器的控制信號，最終實現對天線發(fā)射信號頻率的鎖定。

　　接收模塊由采樣保持器、濾波器、比較器組成。DE—MOD IN端輸入的AM信號在VCO輸出信號的同步控制下被采樣，采樣輸出信號由端腳CDEC外接的電容隔離直和帶通濾波采樣(消除輸出中的載頻成分、高頻和低頻噪聲)后，經異步比較得到對應的數字信號。

　　組成LC串聯諧振電路，諧振頻率為：

　　天線工作電流與諧振電路Q有關，天線線圈串聯一個電阻可調節(jié)Q值。

　　3.3 主控模塊

　　微控制器負責啟動EM4095并接收由EM4095解調的編碼數據。采用AT89C52作為微控制器，其內部集成了8KB的Flash程序存貯器，256B的RAM， 具有低功耗工作模式。EM4095的DEMOD OUT端接P1.0，EM4095的SHD接P1.1EM4095輸出的參考時鐘信號RDY/CLK端接TO，用作解碼的同步時鐘。AT89C52從電子標簽讀取來的編碼數據存貯在EEPROM芯片 AT24C64中。可司通過 MAX232進行電平轉換，實現與上位機的通信。識讀終端硬件原理見圖3。

圖3 識讀終端硬件原理圖

　　AT89C52通過P1.1發(fā)出控制信號啟動EM4095工作，若有效作用范圍內有電子標簽。電子標簽接收EM4095發(fā)射的射頻信號能量后發(fā)送經過調制的編碼信號，AT89C52通過監(jiān)測P1.0的狀態(tài)，判斷是否收到射頻接口解調輸出的數據，由軟件完成數據的接收及后續(xù)的處理任務。

　　4 軟件設計分析

　　終端軟件要解決的關鍵問題是如何正確接收數據，并解碼。本系統(tǒng)選用的電子標簽為Manchester碼型，電子標簽編碼器輸出信號、EM4095解調輸出信號的波形見圖4。

　　4.1解調輸出波特點

　　電子標簽中的64bit數據以NRZ形式的波形串行送人編碼器，經編碼后輸出Manchester碼波形。其編碼規(guī)則為：在一個編碼時鐘周期的中間以一個上跳變的波形表示二進制數據“1”：在一個編碼時鐘周期的中間以一個下跳變的波形表示二進制數據“0”。

　　編碼輸出信號作負載調制的控制信號，編碼輸出波形中的低電平使標簽發(fā)射天線線圈工作于高電流，編碼輸出波形中的高電平則使標簽發(fā)射天線線圈工作于低電流。因此，標簽發(fā)給EM4095的已調信號，經解調輸出的波形與標簽編碼輸出的波形為反相關系，即：時鐘周期中間的下跳變表示二進制數據“1”，時鐘周期中間的上跳變波形表示二進制數據“0”。根據圖4的波形，連續(xù)“0”和連續(xù)“1”對應的波形是相似的，只是它們之間為反相關系。因此，如果簡單地把上升沿或下降沿作為數據采樣時刻，會出現“0”譯為“1”或“1”譯為“0”的錯誤。

　　4.2解碼軟件設計思路

　　解碼程序要解決的主要問題是如何防止“0”與“1”之間的倒譯。根據DEMOD OUT端輸出波形。若DEMOD OUT端連續(xù)輸出一個下跳變和一個上跳變，則肯定是解調輸出的數據。

　　只在以下2種情況會出現上跳變：數據“0”編碼周期的中間：相鄰數據都是“1”時，它們波形中間也出現上跳變。但這2種情況存在如下差別：上跳沿與前一個下跳沿之間的低電平持續(xù)時間不同。若該低電平維持時間大于32個載波周期，則是數據“o”編碼周期中間時刻的上跳沿。因此，用指令查詢P1.o的電平，先找一個下跳變，找到后立刻啟動T0對RDY/CLK參考時鐘計時，接著找到緊隨其后的上跳變，若此時 的計時時間大于32個載波周期，該上跳變位于數據“0”編碼周期中間時刻，該上跳變是接收數據的時間起點。由于每位數據對應波形中的高、低電平均為32個射頻載波周期，以上跳時刻為起點延40個載頻周期后接收第1個數據。然后重新啟動計數器TO，RDY/CLK端輸出的參考時鐘周期等于射頻載波周期，數據編碼時鐘周期又固定為該參考時鐘周期的64倍，將Tn設置為每隔64個載波周期中斷1次，在Tn中斷服務程序中讀P1.0上的數據。

　　根據電子標簽中數據的結構，按上述接收方式首先找作為起始位的9個存在如下差別：上跳沿與前一個下跳沿之間的低電平持續(xù)時間不同。若該低電平維持時間大于32個載波周期，則是數據“o”編碼周期中間時刻的上跳沿。因此，用指令查詢P1.o的電平，先找一個下跳變，找到后立刻啟動T0對RDY/CLK參考時鐘計時，接著找到緊隨其后的上跳變，若此時 的計時時間大于32個載波周期，該上跳變位于數據“0”編碼周期中間時刻，該上跳變是接收數據的時間起點。由于每位數據對應波形中的高、低電平均為32個射頻載波周期，以上跳時刻為起點延40個載頻周期后接收第1個數據。然后重新啟動計數器TO，RDY/CLK端輸出的參考時鐘周期等于射頻載波周期，數據編碼時鐘周期又固定為該參考時鐘周期的64倍，將Tn設置為每隔64個載波周期中斷1次，在Tn中斷服務程序中讀P1.0上的數據。

　　根據電子標簽中數據的結構，按上述接收方式首先找作為起始位的9個“1”，找到后，按順序接收其余55bit數據，并按標簽中數據結構重新組織數據。然后通過奇校驗程序計算各段數據的奇校驗，再與接收到的奇校驗位進行比較，判斷數據是否正確性。

　　5 結束語

　　無線射頻識別具有信息量大、高效便捷、安全的特點，是自動識別的主流技術。低成本、高可靠的便攜式電子標簽識讀終端的研究開發(fā).有很大的實際意義。本文在研究分析系統(tǒng)作用原理及解調輸出波特征的基礎上，設計了硬件實現方案，并以射頻參考時鐘為參照，提出了一種解決Manchester碼倒譯問題的軟件解碼方法。系統(tǒng)結構和成本合理，可靠性已得到試驗驗證.有較好的應用價值。

　　本文作者創(chuàng)新點：充分利用工業(yè)通用單片機的豐富資源設計主控模塊，解決了系統(tǒng)便攜化和低成本難題;以射頻參考時鐘為參照的Manchester碼軟件解碼方法，提高了解碼的準確性.也使系統(tǒng)具有良好的功能擴充和升級能力。