HF頻段RFID長距離讀寫器的研究與開發(fā)

　　射頻識別技術(RFID)是上世紀80年代興起并不斷走向成熟的一項自動無線識別和數據獲取技術。與傳統(tǒng)的條碼、磁卡等自動識別技術相比，RFID技術在工作距離、保密性、智能化及其環(huán)境適應能力等方面都有顯著優(yōu)勢，且可同時識別多個高速運動物體，有廣闊的發(fā)展前景[1]。

　　RFID系統(tǒng)由電子標簽、天線、讀寫器三部分組成。讀寫器通過天線發(fā)送、接收信號，無接觸地讀取和識別標簽中所保存的數據，并將信息傳送至上位機進一步處理，從而達到目標識別的目的。由此可見，讀寫器是RFID技術的核心。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，國內生產廠商相對較少，且大部分都是在已有射頻芯片的基礎上進行數字部分的研發(fā)，系統(tǒng)集成商則是在國外公司知識產權的基礎上根據客戶需要做適當改進。

　　HF頻段RFID系統(tǒng)中標簽所獲能量微弱，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,故標簽的響應信號微弱，影響讀寫距離。本文針對這一問題，在介紹電子標簽的基礎上，給出了一種基于開放式門禁系統(tǒng)應用的讀寫器設計方法，提出將模擬板、數字板分別研發(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協議。硬件電路采用TI的TMS320F2812為主控芯片，以符合ISO-15693協議的所有無源標簽為讀寫目標，軟件設計很好地實現了多卡識別的防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法。

　　1 電子標簽簡介

　　每個電子標簽由耦合元件及芯片組成，內部一般保存有約定格式的電子數據，且具有無法修改、仿造、全球唯一的識別號(UID)。在HF頻段RFID系統(tǒng)中，當讀寫器處于工作狀態(tài)時，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。當無源電子標簽進入讀寫器工作區(qū)域時，在該電磁波的激勵下，標簽內的LC串聯諧振電路產生諧振，從而使電容充電而產生電荷。該電容又通過一個單向導電的電子泵，將電容內的電荷泵送到另一個電容內存儲。當后者充電達到2V時，它就可用作為標簽內部其他電路的工作電源。標簽芯片中的有關電路對讀寫器發(fā)來的信號進行解調、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為“讀”命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼、調制后通過標簽內部天線再發(fā)送給讀寫器;若為修改信息的“寫”命令，有關控制邏輯就會使內部電荷泵提升工作電壓，以擦除EEPROM中的內容并進行改寫;若經判斷發(fā)現所對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息[2]。

　　2 讀寫器硬件設計

　　目前的RFID讀寫器大多采用一塊射頻芯片完成整個系統(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。

　　本設計提出模擬、數字部分分別研發(fā)的思想，硬件框圖如圖1所示。由DSP芯片產生脈沖位置編碼(PPM)信號，再對13.56MHz載頻進行調制。已調信號的功率很弱，需先進行功率放大，再經濾波和調諧加到天線上，以提高對卡的操作距離。系統(tǒng)可通過DSP實現輸出功率控制，最小功率為0.25W。天線線圈在13.56MHz工作頻率上呈現阻抗形式，為了實現與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，需先通過匹配電路將此阻抗轉換為50Ω電阻，然后通過50Ω同軸電纜連接到讀寫器末級。在接收通道中，由標簽響應回來的信號，首先通過帶通濾波器取出一邊帶，放大后送入解調器，最后將解調后的信號送入DSP芯片上作A/D采樣判決，并進行解碼和校驗，完成整個信號的接收處理。該讀寫器用于開放式門禁系統(tǒng)時，除完成簡單的標簽識別外，還需通過RS232接口與上位機通信, 由此形成大的數據網絡,以實現對標簽的管理、操作等。因此讀寫器的硬件設計分為模擬部分和數字部分。模擬部分即射頻模塊;數字部分又可分為主控模塊，電源管理模塊和對外接口模塊、所選芯片如表1所示。

　　2.1 模擬部分

　　本設計自主研發(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的晶振產生載波信號，DSP將欲發(fā)送的信息及調制幅度(10%)傳送至74HC125D芯片端，完成ASK調制;(2)NPN型射頻功率晶體管實現功率放大;(3)經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)設計窄帶濾波器取出一邊帶，并濾除13.56MHz頻率分量;(2)二級放大電路;(3)將邊帶信號與本地13.56MHz載波混頻后獲得調制到423kHz單副載波上的中頻信號;(4)將中頻信號放大并包絡檢波出原始信號;(5)運放LM358整形放大;(6)將解調后的模擬信號送至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系統(tǒng)的接收性能有直接影響，用網絡分析儀調試天線諧振在13.56MHz，輸出阻抗為50?贅。此外，應防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，要選擇介電常數公差小的基材。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 數字部分

　　2.2.1 主控模塊

　　本系統(tǒng)采用DSP芯片TMS320F2812作為信號采集和處理的核心。該芯片采用高性能的靜態(tài)CMOS技術，是基于TI C×28內核的32位定點數字信號處理器。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]。

　　在本設計中，DSP芯片的供電電壓為3.3V和1.8V，外部采用27.12MHz晶振，通過片內鎖相環(huán)5倍頻后，時鐘頻率高達135.6MHz。DSP的主控作用體現在：它首先通過片上自帶的12位ADC對模擬板發(fā)來的信號進行采集，并將采集后的數據暫存在片內存儲器中，通過軟件配合實現噪音處理、曼徹斯特解碼及檢測碰撞等，隨后進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)和調制度(bit14)選擇、命令(bit15)的輸出以及讀寫器的開關控制(0x0000)。

　　GPIOB：報警動作。

　　GPIOD：運行燈(bit5)，報警燈(bit6)指示。

　　GPIOF：串行口232通信(bit4發(fā)、bit5收)。

　　在該模塊的設計中，還需總線隔離器74HC245芯片，實現射頻模塊與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換器PS767D318，實現第二級電平轉換。

　　2.2.3 對外接口模塊

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

　　3 讀寫器軟件設計

　　3.1 總體設計流程

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

　　3.2 多卡識別時防碰撞算法的實現

　　當讀寫器處于工作狀態(tài)時，其天線覆蓋范圍內的所有標簽都將被激活，隨時準備響應讀寫器的命令，這就造成了標簽的碰撞。

　　在ISO15693協議中，適用于多卡識別的命令有Inventory、Stay quiet等。Inventory用以查詢天線覆蓋范圍內的UID(標簽識別號)，其幀格式包括Flags(標志位)、Mask length(掩碼長度)、Mask value(掩碼值)等。讀寫器發(fā)送Inventory命令時須定制所需的時隙長度，并在指令域后添加掩碼碼長和碼值。假設Mask length，Mask value均為0，時隙長度slot設為16，則讀寫器在slot=0時發(fā)送Inventory命令，工作區(qū)域內卡號尾數為0的標簽將會首先響應，并以一定的幀格式發(fā)回自己的UID，隨后在時隙slot=1時，讀寫器繼續(xù)發(fā)送EOF，工作區(qū)域內尾數為1的標簽將會響應。依此類推，直到讀寫器發(fā)出第15個EOF，一個完整的Inventory命令結束。若在工作區(qū)域內有兩張標簽的卡號分別為****82H和****12H，則在slot=2時，兩張卡均響應且產生碰撞。此時需記錄下碰撞位置2，然后在下一個Inventory命令中，設置Mask length=4、Mask value=2，則在新一輪的slot中，兩張標簽將分別在slot=8和slot=1時響應，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)內與發(fā)送幀中UID相同的標簽處于靜止狀態(tài)，不再響應任何ISO命令。下面給出防碰撞算法的實現編碼(以16時隙為例)：

　　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)設計過程中，對該讀寫器的性能進行了多項測試，主要測試項目及測試結果如下：

　　(1)運行穩(wěn)定性：在長時間不關機情況下，運行正常，無死機或重新啟動現象，讀寫能力正常，工作距離有±5cm輕微浮動。

　　(2)與上位機通信情況：正常。

　　(3)虛檢漏檢情況：無。

　　(4)防碰撞能力：每秒40個。

　　(5)讀寫距離：單天線1.1m左右，雙天線1.8m～2m。

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

　　本文設計了一種符合ISO-15693協議的HF頻段RFID讀寫器，配合適當的天線，讀寫距離可達1.1m左右，多卡識別能力可達每秒40張?；谠撟x寫器的門禁系統(tǒng)已投入應用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，效果良好。與市面上現有的HF頻段長距離讀寫器相比，在工作距離相同的情況下，多卡防碰撞識別能力有顯著提高，且產品信價比高，系統(tǒng)靈敏度好，運行穩(wěn)定可靠。在此讀寫器的基礎上，只要稍加改動也可開發(fā)成其他RFID應用系統(tǒng)，如考勤系統(tǒng)、公交車收費系統(tǒng)、超市自動售貨、電子防盜、圖書館、洗衣店等管理系統(tǒng)等。