一種UHF讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)

李維鋒，王雪亮

（杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式識別技術(shù)，通過電磁耦合的方式實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與信息交換[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，全球信息化產(chǎn)業(yè)被提升到一個新的高度，RFID由于超長的壽命、讀寫可靠、良好的耐環(huán)境性、工作過程節(jié)省人力等優(yōu)勢，被廣泛用于物流管理、目標監(jiān)測追蹤、電子支付、交通運輸、醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域。目前的RFID讀寫器大多由集成元件組成，設(shè)計成本較高，體積大，不適合在更多領(lǐng)域推廣[2]。同高頻RFID系統(tǒng)相比，UHF（Ultra High Frequency）讀寫器識別距離更遠，抗干擾能力更強，防沖撞性能更好，適用范圍日益增大[3～7]。

本文采用分立元件搭建UHF讀寫器，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于ISO/IEC 18000-6C協(xié)議標準的低成本、高性能UHF讀寫器系統(tǒng)。

1 讀寫器硬件的功能與設(shè)計

讀寫器硬件電路主要包括MCU控制電路和射頻前端電路。讀寫器對電子標簽的讀寫操作主要由射頻模塊完成，射頻模塊包括射頻發(fā)送模塊和射頻接收模塊。射頻發(fā)射電路對發(fā)射的信號進行調(diào)制，將信息傳輸?shù)诫娮訕撕灒簧漕l接收模塊接收并解調(diào)電子標簽反饋的射頻信號。MCU控制電路主要功能是執(zhí)行主機發(fā)送的命令，控制射頻模塊與標簽進行通信，加密和解密傳輸數(shù)據(jù)。讀寫器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 讀寫器電路結(jié)構(gòu)圖

1.1 射頻發(fā)送模塊

射頻發(fā)送模塊主要包括載波電路、調(diào)制電路、功率放大電路，MCU輸出的符號數(shù)據(jù)先后經(jīng)過基帶編碼、調(diào)制濾波和信號放大。設(shè)計采用ASK信號調(diào)制，利用晶體振蕩器為系統(tǒng)提供915～920MHz頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定的載波信號，信號調(diào)制后，通過高增益的微波功率放大模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的功率放大。整個系統(tǒng)采用單天線進行信號的發(fā)射和接收，因此采用RCP890A05定向耦合器，避免發(fā)射機信號泄漏到隔離段，實現(xiàn)單天線的收發(fā)隔離。射頻發(fā)射模塊電路如圖2所示。

圖2 射頻發(fā)射模塊部分電路

1.2 射頻接收模塊

接收模塊電路采用I/Q正交零中頻結(jié)構(gòu)消除接收過程中因距離的變化而出現(xiàn)的接收盲區(qū)，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線接收到的信號被分為I、Q兩路信號，本振信號通過移相產(chǎn)生相差90°的兩路信號，分別經(jīng)過混頻器變頻，輸出的信號經(jīng)過濾波得到的低頻信號即標簽返回的信息。

圖3 I/Q正交零中頻結(jié)構(gòu)

通道Q的信號與接收信號混頻后濾波：

通道I和本振信號相乘后為cos函數(shù)，是一個余弦信號，而Q是正弦信號，兩者相位差為90°，所以I/Q兩路的零點是交替的。一個通道輸出為零時，另一個通道的輸出最大，兩者輸出之和是常數(shù)，克服了傳統(tǒng)零中頻接收機的零點效應(yīng)。

2 讀寫器軟件設(shè)計

系統(tǒng)使用分立元件搭建而成，因此采用軟件設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的編碼和通信協(xié)議的處理，這種方案降低了讀寫器的設(shè)計成本和復(fù)雜度。系統(tǒng)的軟件模塊主要包括主控程序設(shè)計和多標簽讀寫時的防沖撞程序設(shè)計。

2.1 主控程序設(shè)計

主控程序的任務(wù)是循環(huán)自檢，當收到主機發(fā)送的命令時會發(fā)送中斷標志并處理主機命令，包括對標簽的讀寫、鎖定、銷毀等命令。如果收到讀取命令，當標簽進入讀寫器讀寫范圍時，解碼模塊對標簽信號進行解碼，然后傳輸?shù)较到y(tǒng)處理模塊進行數(shù)據(jù)處理；若同時讀取到多標簽，則進入防碰撞處理過程；若讀取失敗，則返回主程序并等待下個指令。主機可對標簽進行鎖定，實現(xiàn)對標簽所有區(qū)的寫保護，防止標簽數(shù)據(jù)被篡改。收到銷毀命令時，會銷毀電子標簽中的信息，并且該過程不可逆轉(zhuǎn)，標簽的數(shù)據(jù)也無法追回。

2.2 防沖撞算法設(shè)計

軟件設(shè)計中，高效的多標簽識別是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵點。目前流行的RFID防沖撞算法主要有基于ALOHA的不確定性算法和基于樹型的確定性算法兩類[8～10]。基于ALOHA防沖撞算法主要有幀時隙ALOHA算法、純ALOHA算法、時隙ALOHA算法、動態(tài)幀時隙ALOHA和它們的優(yōu)化版本[11～13]。樹型防沖撞算法主要包括QT（Query Tree）算法、TS（Tree splitting） 算法、BS （Binary Search） 算法和BTA（Bitwise Arbitration）算法[14～16]。在 QT 算法中，四叉樹算法的缺點是分叉時會產(chǎn)生額外的空閑時隙，這是影響該算法的主要原因。通過剪枝操作對該算法進行優(yōu)化，過濾掉不必要的空閑時隙，增大吞吐率，提高讀寫器識別速率。剪枝的原則:

（1）最高碰撞位之后還是碰撞位，不剪枝；

（2）最高碰撞位之后是0，減去分支01和11；

（3）最高碰撞位之后是1，減去分支00和10。

算法使用堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存讀寫器查詢前綴，初始化時將空字符串放入堆棧中。讀寫器從堆棧中取出查詢前綴，如果標簽的ID號前綴與之匹配，標簽將ID號中剩余信息反饋給讀寫器。當多標簽前綴相同發(fā)生碰撞時，讀寫器根據(jù)規(guī)定的剪枝原則更新查詢前綴，并放入堆棧中。讀寫器不停地讀取堆棧中的查詢前綴，直至所有的標簽被識別。算法執(zhí)行步驟如下：

（1）初始化，堆棧中放入空字符串。

（2）判斷堆棧是否為空，如果是，算法結(jié)束。

（3）讀寫器讀取堆棧中保存的查詢前綴，發(fā)送給標簽，標簽將收到的信息與自己ID匹配。匹配成功，則發(fā)送剩余信息，反之，標簽不響應(yīng)。

（4）如果讀寫器只接收到一個響應(yīng)，跳到步驟6；如果沒有收到響應(yīng)，跳到步驟7；如果接收到多個響應(yīng)，根據(jù)碰撞原則更新查詢前綴。

（5）重復(fù)步驟 2～4。

（6）識別標簽。

（7）結(jié)束。

四叉樹的節(jié)點數(shù)包括中間節(jié)點（此時將根節(jié)點算作中間節(jié)點）和葉節(jié)點：

n4表示度為4的節(jié)點，n0表示節(jié)點度為0，節(jié)點的度表示該節(jié)點擁有的自節(jié)點個數(shù)，加上根節(jié)點，所以總時隙也可以表示為：

因此：n0=3n4+1n4=（n0-1）/3

假定標簽數(shù)量為n，不滿足剪枝條件時，并且碰撞時沒有產(chǎn)生時隙時，葉節(jié)點數(shù)n0=n。

由于n4=（n0-1）/3，此時算法總時隙是：

產(chǎn)生兩個空閑時隙時，空閑節(jié)點m=2n4，此時算法總時隙為：

滿足剪枝條件時，葉節(jié)點和標簽數(shù)相等，此時中間節(jié)點的子節(jié)點只有滿四叉樹時的一半，算法總時隙是：

綜上可知，改進后的算法總時隙的范圍為[（7n-1）/6，2n-3]。

3 讀寫器測試

3.1 讀取距離測試

讀寫器硬件電路正常工作之后，對讀寫器的標簽讀寫能力進行測試，在天線輻射范圍內(nèi)，將標簽靠近天線，待讀寫模塊讀取到標簽后慢慢增大距離。讀寫器通過輪詢的方式發(fā)射射頻信號，通過設(shè)置輪詢周期為20，可評估讀寫器的正確率和穩(wěn)定性，測試結(jié)果如表1。在5dBi天線配合下，2m以內(nèi)讀取率和正確率達到100%，極限讀取距離為2.5m，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，滿足實際應(yīng)用需求。

表1 距離測試

3.2 吞吐率測試

吞吐率是衡量算法性能的重要指標，吞吐率越大，識別速率越快。算法的吞吐率為：

通過仿真測試之后得到如圖4所示的結(jié)果，吞吐率高達0.64，滿足讀寫器快速識別多標簽的要求。

圖4 吞吐率測試

4 結(jié)語

系統(tǒng)采用分立元件組建讀寫器系統(tǒng)，工作在915～920MHz頻率范圍內(nèi)，讀寫距離2～2.5m。設(shè)計了新型的四叉樹防沖撞算法，仿真和測試分析表明通過剪去四叉樹中的空閑時隙，該算法顯著減少了了讀寫器識別時間，提高了RFID系統(tǒng)的識別效率。雖然該讀寫器在性能上有所改進，達到了設(shè)計目標，但還有不足之處。多標簽讀取時較高的識別率和較遠的讀取距離限制了讀取標簽的數(shù)量，今后可以提高接收靈敏度，增大可識別標簽的數(shù)量，還可增加讀寫器自組網(wǎng)功能。