基于A(yíng)S3990芯片的UHF手持讀寫(xiě)器設計
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1.引言
無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù) RFID(radio frequency identification)是20 世紀90 年代興起的一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，利用其射頻信號空間傳播的特性——通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息來(lái)實(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別。識別過(guò)程不需要物理接觸，不需要人工管理即可完成標簽信息的寫(xiě)入和讀取。采用RFID 技術(shù)，可以一次性實(shí)現對多個(gè)目標以及運動(dòng)目標的識別。此外，電子標簽是可讀寫(xiě)的，能儲存大量信息，安全性保密性強，并且不怕外部灰塵、污漬等，具有較強的環(huán)境適應能力。正是由于具有這些其它識別方式不具備的優(yōu)勢，RFID 技術(shù)在物流、運輸、交通、生產(chǎn)、防偽等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用和巨大的發(fā)展前景。
本文以 AS3990 芯片為核心設計一種以MSP430f149 芯片為控制器的超高頻RFID 手持式讀寫(xiě)器。對于符合EPCGen2 標準的電子標簽，它能完成的所有讀寫(xiě)及控制操作。其移動(dòng)智能管理功能主要應用在物流、供應鏈、倉庫等場(chǎng)合。
2.系統概述及設計原理
在無(wú)線(xiàn)射頻識別系統中，RFID讀寫(xiě)器是用來(lái)識別標簽并將采集到的數據信息送入后臺進(jìn)行處理的關(guān)鍵設備，對保證RFID 系統的正確性和可靠性工作中具有關(guān)鍵作用。同時(shí)RFID讀寫(xiě)器也可以對標簽進(jìn)行寫(xiě)操作，將信息存儲在標簽中。讀寫(xiě)器的設計是完全以ISO/IEC18000-6C 標準協(xié)議為基礎的。
2.1 ISO/IEC18000 -6C 協(xié)議簡(jiǎn)介
ISO/IEC18000-6C 協(xié)議規定在數據傳輸時(shí), 先傳輸高字節, 并且其前向鏈路的調制方式都是采用ASK, 并用PIE 編碼, 防沖突算法是基于概率和分槽算法;其后向鏈路則是通過(guò)反向散射調制技術(shù)來(lái)實(shí)現數據傳輸, 可以選擇密勒編碼或者FM0 編碼。6C 標準采用了相對簡(jiǎn)單的加密算法以防止在讀寫(xiě)器獲取標簽信息的過(guò)程中, 把敏感數據擴散出去。此算法僅在讀寫(xiě)器給標簽傳送數據時(shí)對信息進(jìn)行加密, 而標簽傳送到讀寫(xiě)器的數據信息是不加密的, 其實(shí)現過(guò)程是讀寫(xiě)器將從標簽獲得一個(gè)16bit 寬隨機數與將要傳送的16bit 寬數據進(jìn)行模2 和計算得到密文, 然后由標簽解密獲得讀寫(xiě)器發(fā)送的原始數據。
2.2 防沖突機制
在標簽內具有一個(gè)16 位的隨機數發(fā)生器，以解決防沖突算法問(wèn)題。查詢(xún)命令含有槽計數器參數Q。標簽在收到查詢(xún)命令后, 參與標簽應在 (0,2 Q -1 )范圍內挑選一個(gè)隨機數值, 并將該挑選的數值載入其計數器, 挑選數值為零的標簽會(huì )轉換成應答狀態(tài), 并立即進(jìn)行應答挑選數值非零的標簽則應轉換成仲裁狀態(tài),并等待發(fā)出查詢(xún)調整或查詢(xún)命令。
詢(xún)問(wèn)機采用的是三個(gè)基本操作來(lái)管理標簽群，即選擇、盤(pán)存、訪(fǎng)問(wèn)。每個(gè)操作均由一個(gè)或一個(gè)以上的命令組成。三個(gè)基本操作的定義如下：
(1) 選擇: 讀寫(xiě)器選擇標簽群以便于盤(pán)存和訪(fǎng)問(wèn)的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)機可以用一個(gè)或多個(gè)的選擇命令在盤(pán)存之前選擇特定的標簽群。
(2) 盤(pán)存: 詢(xún)問(wèn)機識別標簽的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)機在四個(gè)通話(huà)的其中一個(gè)通話(huà)中傳輸查詢(xún)命令,開(kāi)始一個(gè)盤(pán)存周期, 一個(gè)或多個(gè)的標簽可以應答, 詢(xún)問(wèn)機檢查某個(gè)標簽應答, 請求該標簽發(fā)出PC、EPC 和CRC-16。
(3) 訪(fǎng)問(wèn): 詢(xún)問(wèn)機與各標簽交易的過(guò)程，即讀取或寫(xiě)入標簽。訪(fǎng)問(wèn)前必須要對標簽進(jìn)行識別, 訪(fǎng)問(wèn)由多個(gè)命令組成。若多個(gè)標簽應答，讀卡器通過(guò)檢測和解決波形的沖突, 可以解決其中一個(gè)標簽發(fā)來(lái)的16bit 密鑰, 其他未解決的標簽會(huì )收到錯誤的16bit 密鑰, 并返回仲裁狀態(tài)。發(fā)出查詢(xún)命令后將啟動(dòng)一個(gè)盤(pán)存周期, 詢(xún)問(wèn)機發(fā)出一個(gè)或多個(gè)的查詢(xún)調整或重復查詢(xún)命令。查詢(xún)調整命令只是重復以前的查詢(xún)命令, 可以令Q 增值或減值, 但不會(huì )將新的標簽引入該盤(pán)存周期。重復查詢(xún)命令則重復以前的查詢(xún)命令, 但參數不變, 也不會(huì )將新的標簽引入該盤(pán)存周期。處于仲裁或應答狀態(tài)的的標簽收到查詢(xún)調整命令后，首先調整 Q, 然后在(0,2 Q-1 )范圍內挑選一個(gè)隨機數值, 將該數值載到槽計數器內。挑選數值為零的標簽應轉換到應答狀態(tài)并立即應答; 挑選數值非零的標簽應轉換到仲裁狀態(tài), 并等待下次命令。
3.系統硬件設計
3.1 主要芯片介紹
MSP430 采用了目前流行的精簡(jiǎn)指令集(RISC)結構，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執行一條指令，使MSP430 在8MHz 晶振工作時(shí)，指令速度可達8MIPS。其有多達 64KB 尋址空間包含ROM、RAM、閃存RAM 和外圍模塊。MSP430 系列單片機結合TI 地高性能模擬技術(shù)，各成都集成較豐富的片內外設。視型號不同可能組合有以下功能模塊：看門(mén)狗，模擬比較器A，定時(shí)器A，定時(shí)器B，串口0、1，硬件乘法器，液晶驅動(dòng)器，10 位及更高精度ADC、DAC 等。同其它微控制器相比，MSP430 系列單片機可以大大延長(cháng)電池的使用壽命，并且具有ESD 保護，抗干擾力強。
AS3990HUF 讀寫(xiě)器芯片是一個(gè)具有集成模擬前端和交換協(xié)議系統的900M讀寫(xiě)器系統。并且它符合ISO18000-6C(EPCGen2 專(zhuān)門(mén)用于物流管理)的標準。它具有低壓傳輸碼、低壓解碼器、CRC 碼效驗、可選擇的時(shí)鐘輸出，具有20mA 內的電壓輸出供外部設備使用，為RF 輸出階段提供電壓、具備 ASK(鍵控)和PR-ASK 調制(其中ASK 為可調式調制)、支持跳頻、斷電，待機和工作三種模式，還可以可以用USB 供電。
3.2 硬件設計
3.2.1 射頻模塊設計：射頻模塊部分以AS3990HUF 為核心芯片，外接功放使其功率滿(mǎn)足遠距離讀寫(xiě)傳輸所需的必要條件。射頻部分是讀寫(xiě)器最前端部分，當控制電路發(fā)送來(lái)收發(fā)指令時(shí)，射頻電路就會(huì )完成發(fā)送指令的載波調制并向射頻標簽發(fā)送載波，以及對返回的接收信號的解調處理并且將處理后的基帶信號傳送給控制電路。
3.2.2 數字模塊設計：數字部分設計是以MSP430 系列單片機為核心芯片，數字部分的主要功能包括實(shí)現發(fā)送到標簽命令的波形編碼、返回信號的解碼、讀寫(xiě)命令流程控制、差錯控制、發(fā)送控制命令和接受數據，實(shí)現與上位機應用程序之間的接口協(xié)議，輸入和輸出信號的采集和處理、實(shí)現讀寫(xiě)器功能的相關(guān)算法、控制射頻電路的工作模式等(包括對輸出功率，讀標簽方式，載波頻率等的控制)
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