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)芰浚l(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。