基于ISO18000-6C協(xié)議標準的RFID閱讀器設(shè)計

吳小龍，張紅雨

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都611731）

射頻識別 RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種新興的非接觸式自動識別技術(shù)，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、物流管理、防偽以及軍事等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。其中UHF RFID成為目前最受關(guān)注的RFID應(yīng)用方向，依據(jù)的協(xié)議標準是ISO18000-6C。

國內(nèi)從事RFID技術(shù)研究的廠商并不多，在UHF頻段的研發(fā)就更少，其技術(shù)普遍不成熟。因此研究UHF RFID閱讀器是業(yè)界迫切的需要。

1 閱讀器工作原理

RFID系統(tǒng)如圖1所示，閱讀器與后臺應(yīng)用程序連接的情況下，讀取和寫入等命令均由后臺應(yīng)用程序發(fā)出，若沒有連接后臺應(yīng)用程序，命令則由閱讀器自身發(fā)出。閱讀器采用PIE編碼向標簽發(fā)送命令，調(diào)制方式采用雙邊帶振幅移位鍵控（DSB-ASK）[1]，調(diào)制深度 90%以上；標簽采用FM0或Miller編碼向閱讀器反射應(yīng)答信息，調(diào)制方式為反向散射ASK調(diào)制，調(diào)制深度10%左右。其基本工作流程如下：

（1）閱讀器向標簽發(fā)送一段時間的空載波，使得標簽有足夠的能量上電復位，計算存儲區(qū)的CRC16。

（2）閱讀器發(fā)送盤存命令，開啟一次標簽的讀寫過程，接著發(fā)送一系列命令完成標簽的識別。

（3）閱讀器解析標簽回送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口傳送給后臺應(yīng)用程序。

2 閱讀器總體設(shè)計及實現(xiàn)

閱讀器總體上分為3個模塊：數(shù)字基帶模塊、后臺應(yīng)用程序接口模塊和射頻發(fā)射接收模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

數(shù)字基帶模塊中的FPGA芯片主要負責Miller解碼和PIE編碼，解碼后得到的數(shù)據(jù)傳到ARM做進一步分析。PIE編碼則通過引腳輸出到功率放大器芯片的開關(guān)引腳，控制芯片的開或關(guān)，從而實現(xiàn)ASK調(diào)制。ARM主要負責ISO18000-6C協(xié)議的實現(xiàn)以及各種命令參數(shù)的設(shè)置等。

后臺應(yīng)用程序接口為串口，將ARM得到的標簽信息傳入PC機相應(yīng)的程序中，以備后續(xù)的應(yīng)用。并且接收應(yīng)用程序發(fā)出的RFID標準命令（此時可以不用ARM來產(chǎn)生命令）。

發(fā)射電路由915 MHz載波發(fā)生芯片、線性放大器芯片和功率放大器芯片構(gòu)成。接收電路由四路包絡(luò)解調(diào)電路、差分放大器和電壓比較器構(gòu)成。定向耦合器負責收發(fā)電路之間的隔離，提高接收機的接收靈敏度。

3 閱讀器硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 射頻前端電路設(shè)計

射頻發(fā)射電路包含載波發(fā)生電路、線性放大電路和功率放大電路。采用專用芯片SI4133產(chǎn)生915 MHz載波，誤差10%左右。載波經(jīng)過線性放大器放大，使其信號的幅度在功率放大器正常放大范圍內(nèi)，以避免信號失真。功率放大器采用RF2173芯片實現(xiàn)，由于功率放大電路需要比較大的電流，所以在 PCB設(shè)計時[2]，這部分需要單獨供電，并且布局應(yīng)在板子的邊沿，使其芯片能夠很好地散熱。最后是微帶線的設(shè)計[3]，微帶線設(shè)計采用ADS仿真實現(xiàn)，主要完成天線的阻抗匹配。

接收電路采用零中頻接收機方案[4]，只需要一級同頻混頻器就可以得到基帶信號，結(jié)構(gòu)簡單。但由于收發(fā)電路均采用同一根天線，發(fā)射電路的信號會泄漏到接收電路中，由于發(fā)射電路的信號強度強于接收電路的信號，如果不加入定向耦合器進行收發(fā)隔離，會降低接收機的接收靈敏度。不同于傳統(tǒng)方案中的兩路I/O包絡(luò)解調(diào)，這里采用4路包絡(luò)檢波電路[5]，可以解決接收模糊點問題。檢波后的信號幅值十分微弱(10 mV左右)，需要經(jīng)過如圖3所示的差分放大器進行放大。差分放大后得到的兩路信號進入電壓比較器后可得到Miller編碼波形。

3.2 基帶電路設(shè)計

基帶電路主要由FPGA和ARM構(gòu)成。FPGA為Altera公司的EP1C3T100C6，利用FPGA編解碼速度快的優(yōu)點，可以很好地分擔ARM處理器的壓力，使得ARM可以專注于協(xié)議控制。ARM芯片為飛利浦公司的LPC2148，主要負責協(xié)議棧的實現(xiàn)以及與后臺應(yīng)用程序之間的通信。ARM與FPGA連接圖如圖4所示，其中：數(shù)據(jù)連接的引腳為DATA0～DATA15；ERROR引腳用于說明解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤，通知ARM處理器丟棄之前接收到的數(shù)據(jù)；DATA_END表明數(shù)據(jù)讀取完畢；EMPTY表明信號無效期間，ARM會不間斷地發(fā)送READ命令讀取數(shù)據(jù)。

3.3 后臺應(yīng)用程序接口電路

后臺應(yīng)用程序接口電路如圖5所示，主要由USB轉(zhuǎn)串口芯片構(gòu)成。該電路將標簽的特征信息如EPC、TID、USER等上傳到PC機的上位機程序中以備后續(xù)的應(yīng)用。

4 閱讀器軟件設(shè)計

4.1 ARM程序設(shè)計

ARM程序設(shè)計流程如圖6所示，主要完成ISO18000-6C協(xié)議的實現(xiàn)。閱讀器首先給標簽發(fā)送一段時間的空載波，標簽將載波能量轉(zhuǎn)換為電能，完成自身的復位；然后閱讀器給標簽發(fā)送Query命令開啟一次盤存，標簽在協(xié)議規(guī)定的時間內(nèi)回送16 bit偽隨機數(shù)（RN16）；閱讀器收到RN16后，將它作為ACK命令的一部分發(fā)給標簽；標簽收到ACK命令后，首先對其進行CRC16校驗，之后檢查RN16是否匹配，如果都滿足則發(fā)送自身特征信息EPC給閱讀器；閱讀器將收到的EPC信息通過串口發(fā)給上位機；如果需要對標簽進行讀或?qū)懺L問，則發(fā)送Req_RN命令獲得標簽的句柄，該句柄不僅用于讀寫命令，一些可選命令(如：Kill、Access、Lock 等)也都需要它。如果還有數(shù)據(jù)傳送，則再次使能串口發(fā)送，否則重新發(fā)Query命令，開啟新的盤存過程。

4.2 FPGA程序設(shè)計

FPGA程序總體上分為PIE編碼模塊和Miller解碼模塊，程序編譯環(huán)境為QuartusⅡ9.0。

PIE編碼模塊接收ARM傳入的命令數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)具體命令生成不同的幀頭，因為Query命令的幀頭不同于其他命令；然后編碼命令數(shù)據(jù)。由于PIE編碼中數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1在編碼上表現(xiàn)為波形長度的不同，所以只需用計數(shù)器驅(qū)動引腳在不同的時間輸出高低電平即可完成編碼。圖7所示的波形為QuartusⅡ9.0內(nèi)嵌的邏輯分析儀SignalTap采集FPGA器件產(chǎn)生的PIE編碼波形?？梢钥闯鲩喿x器發(fā)出Query命令后，收到了標簽RN16的Miller碼波形。

Miller調(diào)制副載波技術(shù)中，當 M=2、4、8時，用 Miller編碼基帶波形去調(diào)制副載波序列，這里采用M=2的編碼規(guī)則。Miller編碼規(guī)則為：(1)每個符號含有M個副載波周期；(2)符號‘0’期間不發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)；(3)符號‘1’中間處發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)；(4)只有在相鄰符號都為‘0’時，符號分界處才發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)。另外，在每一幀電子標簽返回讀寫器的數(shù)據(jù)前都有幀前導序列。解碼器主要完成幀前導序列檢測和數(shù)據(jù)解碼。前導序列檢測到16個‘0’+‘010111’后開始儲存實際數(shù)據(jù)，如果幀頭有誤或者在解碼過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)違反編碼規(guī)則，則給ARM連接引腳“ERROR”傳一個高電平。Miller解碼波形如圖8所示。

5 測試結(jié)果

閱讀器連接計算機的后臺應(yīng)用程序即可讀寫標簽，測試結(jié)果如圖9所示，閱讀器頻譜如圖10所示。

根據(jù) IS018000-6C標準，采用 LPC2148、EP1C3T100C6以及射頻相關(guān)芯片，完成了閱讀器的設(shè)計。該閱讀器經(jīng)測試工作正常，既可以單獨工作也可以在PC的控制下工作，使用方便。

[1]International Standards Organization of International Electrotechnical Commission.ISO/IEC l8000，information technologyradio frequency identification for item management-Part 6：parameters for air interface communicaitions at 860 MHz to 960 MHz，amendment l：extension with Ty,pe C and update of types A and B[S].Geneva：ISO，2006.

[2]李勇明，曾孝平.高頻PCB設(shè)計過程中的電源噪聲的分析及對策[J].重慶大學學報，2004，27(7)：72-74.

[3]武岳山.阻抗匹配的種類及其在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，20：21-23.

[4]Chang Kai.RF and microwave wireless systems[M].John Wiley&Sons，Inc，2000.

[5]LANDT J A，ALAMOS L，MEX N.Multichannel homodyne receiver[M].The United States of America as represented by the United States Department of Energy，Washington，D.C.Jan.19，1981.