超高頻射頻識別系統讀寫(xiě)器設計方案

0.引 言

　　射頻識別（RFID,RadioFrequency Iden tiFication） 技術(shù)是一種新興的自動(dòng)識別技術(shù)。它是利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數據通信，以達到目標識別并交換數據的目的?？捎脕?lái)跟蹤和管理幾乎所有的物理對象，在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理、防偽及軍事等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應用前景。按照工作頻段的不同，RFID系統還可以分為低頻（135kHz以下）、高頻（13.56MHz）、超高頻（860~960MHz） 和微波（2.4GHZ以上）等幾類(lèi)。目前大多數RFID系統為低頻和高頻系統，但超高頻（UHF） 頻段的RFID系統具有操作距離遠、通訊速度快、成本低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，更適合未來(lái)物流、供應鏈領(lǐng)域的應用，也為實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)提供了可能。因此超高頻RFID系統的發(fā)展是當前RFID系統發(fā)展的重點(diǎn)。本文介紹了符合ISO1800026標準的超高頻RFID電子標簽主要特點(diǎn)、結構、工作原理及讀寫(xiě)方法，提出了相應讀寫(xiě)器的解決方案，重點(diǎn)闡述了讀寫(xiě)器的硬件設計及軟件程序流程。實(shí)際應用結果表明該讀寫(xiě)器具有以下特點(diǎn)：讀寫(xiě)速度快（單個(gè)標簽64bit/6ms）、識別率高，識別距離遠（≥4m）。

　　1. 標簽工作原理及特性

　　1.1 工作原理

　　RFID系統一般由讀寫(xiě)器和標簽（或稱(chēng)應答器、電子標簽、智能標簽） 及天線(xiàn)組成。本文采用某公司的UCODEHSL標簽，符合ISO18000-4與ISO18000-6標準，本身無(wú)電源，靠讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)獲得能源，采用負載調制方式，工作頻段為UHF或2. 45GHz.工作原理如圖1所示。

圖1:工作原理

　　PC機通過(guò)RS232接口遠程控制讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器接到命令后，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送射頻命令實(shí)現對標簽的操作，同時(shí)接收標簽返回的數據。標簽靠其偶極子天線(xiàn)獲得能量，并由芯片（ IC） 控制接收、發(fā)送數據。

　　1.2 IC結構

　　標簽IC主要由模擬、數據處理及EEPROM三個(gè)模塊構成，如圖2所示。

圖2:標簽IC結構

　　模擬RF接口模塊為IC提供穩定電壓，并將獲得的數據解調后供數據模塊處理，同時(shí)將數據調制后返回給讀寫(xiě)器。數字處理模塊包括狀態(tài)轉換機、讀寫(xiě)協(xié)議執行、與EEPROM的數據交換處理等功能。

　　1.3 存儲特性

　　標簽內置2048bit的EEPROM,分成64塊（block） ,每塊32bit.其中8byte為ID存儲空間，216byte為用戶(hù)存儲空間。每字節都有相應的鎖定位，該位被置1就不能再被改變?？梢酝ㄟ^(guò)LOCK命令將其鎖定，通過(guò)Query locK（查詢(xún)鎖定） 命令讀取鎖定位的狀態(tài)，鎖定位不允許被復位。Byte0~7被鎖定，為標簽的標識碼（Unique ID）。64bitUID包含50bit的獨立的串號，12bit的邊界碼和一個(gè)兩位的校驗碼。Byte 8~219是未鎖定空間，供用戶(hù)使用。Byte 220~223也是未鎖定的，作為寫(xiě)操作完畢的標志bit或者用戶(hù)空間。

　　2 標簽的讀寫(xiě)

　　2.1 命令格式

　　2.1.1讀寫(xiě)器的命令格式

　　讀寫(xiě)器的命令格式如下：

　　幀頭探測段是一個(gè)至少持續400Ls的穩定無(wú)調制載波（相當于16bit數據的傳輸） ;幀頭是9bit的NRZ格式的manchesterO,即：010101010101010101;開(kāi)始符是用來(lái)標記有效數據，原返回率采用5位的開(kāi)始符（1100111010），4倍返回率采用開(kāi)始符（11011100101）；CRC采用16bit的CRC編碼。

　　2.1.2 標簽的應答格式

　　標簽的應答格式如下：

　　靜默是標簽持續2byte 的無(wú)反向散射（40kb/s的速率下相當于400Ls的持續時(shí)間） ;返回幀頭是：00000101010101010101000110110001;CRC采用16bit的CRC編碼。

　　2.2 防沖突機制

　　充電后的IC有三種主要數字狀態(tài)：準備（READY,初始狀態(tài)） ;識別（ ID,標簽期望讀寫(xiě)器識別的狀態(tài)） ;數據交換（DATE EXCHANGE,標簽已被識別狀態(tài)）。

圖3:狀態(tài)轉換圖

　　首先，標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)，從無(wú)電狀態(tài)進(jìn)入準備狀態(tài)。讀寫(xiě)器通過(guò)組選擇和取消選擇命令來(lái)選擇工作范圍內處于準備狀態(tài)中所有或者部分的標簽，來(lái)參與沖突判斷過(guò)程。為解決沖突判斷問(wèn)題，標簽內部有兩個(gè)裝置：一個(gè)8bit的計數器；一個(gè)0或1的隨機數發(fā)生器。標簽進(jìn)入ID狀態(tài)的同時(shí)把它的內部計數器清0.它們中的一部分可以通過(guò)超高頻射頻識別系統讀寫(xiě)器設計收取消命令重新回到準備狀態(tài)，其它處在識別狀態(tài)的標簽進(jìn)入沖突判斷過(guò)程。被選中的標簽開(kāi)始進(jìn)行下面循環(huán)：

　?、?所有處于ID狀態(tài)并且內部計數器為0的標簽將發(fā)送它們的UID.

　?、谌绻嘤谝粋€(gè)的標簽發(fā)送，讀寫(xiě)器將發(fā)送失敗命令。

　?、?所有收到失敗命令且內部計數器不等于0的標簽將其計數器加1.收到失敗命令且內部計數器等于0的標簽（剛剛發(fā)送過(guò)應答的標簽） 將產(chǎn)生一個(gè)1或0的隨機數，如果是1,它將自己的計數器加1;如果是0,就保持計數器為0并且再次發(fā)送它們的UID.

　?、苋绻幸粋€(gè)以上的標簽發(fā)送，將重復第2步操作；

　?、萑绻袠撕灦茧S機選擇了1,則讀寫(xiě)器收不到任何應答，它將發(fā)送成功命令，所有應答器的計數器減1,然后計數器等于0的應答器開(kāi)始發(fā)送，接著(zhù)重復第2步操作；

　?、奕绻挥幸粋€(gè)標簽發(fā)送并且它的UID被正確接收，讀寫(xiě)器將發(fā)送包含UID的數據讀命令，標簽正確接收該條命令后將進(jìn)入數據交換狀態(tài)，接著(zhù)將發(fā)送它的數據。讀寫(xiě)器將發(fā)送成功命令，使處于ID狀態(tài)的標簽的計數器減1;

　?、呷绻挥幸粋€(gè)標簽的計數器等于1并且返回應答，則重復第5和第6步操作；如果有一個(gè)以上的標簽返回應答，則重復第2步操作；

　?、嗳绻挥幸粋€(gè)標簽返回應答，并且它的UID沒(méi)有被正確接收，讀寫(xiě)器將發(fā)送一個(gè)重發(fā)命令。如果UID被正確接收，則重復第5步操作。如果UID被重復幾次的接收（這個(gè)次數可以基于系統所希望的錯誤處理標準來(lái)設定） ,就假定有一個(gè)以上的標簽在應答，重復第2步操作。

　　3. 系統硬件構成

　　本系統選用W 77E58單片機作為主控模塊，與發(fā)射模塊和接收模塊、串口通信模塊共同構成射頻標簽的讀寫(xiě)系統。系統硬件原理如圖1中讀寫(xiě)器部分所示。

　　3.1 主控模塊

　　主控模塊選擇W INBOND公司的W 77E58,它是一款高速、高集成、增強型內核為8051的高性能單片機；內置32kbit可重復編程的Flash EPROM,1kbit用MOV指令訪(fǎng)問(wèn)的內部SRAM（節省了16條數據/地址I/O口線(xiàn)） ,以及2個(gè)增強型全雙工串行口。使用W 77E58的系統速度要比傳統51系列單片機快2. 5倍左右。工作頻率為40MHz的W 77E58相當于100MHz左右的8051.