一種多模式的低頻RFID閱讀器設計方案

　　現有的單通道低頻RFID閱讀器在組成大規模應用系統時(shí)非常不便，會(huì )使系統累贅、可靠性下降、成本增加。為了解決這些問(wèn)題，有必要探討多通道低頻RFID閱讀器的設計方法。

　　1 閱讀器的組成

　　圖1為多通道多模式低頻RFID閱讀器的結構框圖。閱讀器包含6個(gè)讀取通道，每個(gè)通道包含一個(gè)EM4095芯片，它們在同一個(gè)MCU的程序控制下工作。設計6個(gè)通道的目的是組成多種有效的工作模式，便于實(shí)際應用。閱讀器每個(gè)通道的解碼均由MCU的程序控制完成，這樣可以大大地簡(jiǎn)化硬件設計、降低成本。閱讀器通過(guò)CAN總線(xiàn)或RS485總線(xiàn)與上位機相連，進(jìn)行數據通信，接受工作模式的設定指令和其他的控制指令，上傳各通道讀取的標簽信息和閱讀器本身的工作狀態(tài);同時(shí)也可構成集散型系統，便于大規模應用。

　　圖1 多通道多模式低頻RFID閱讀器的結構框圖

　　2 EM4095芯片的用法

　　EM4095是瑞士EM Microelectronic公司的一款用于RFID閱讀器的專(zhuān)用芯片。圖2為EM4095的應用原理圖。DEMOD_OUT引腳為AM解調信號的輸出端;MOD為調制控制端，低電平時(shí)沒(méi)有調制，高電平時(shí)100%調制;RDY/CLK輸出端具有多個(gè)功能指示作用，或作為發(fā)送已準備好指示，或作為接收同步時(shí)鐘信號輸出指示。當芯片內部鎖相環(huán)工作建立，接收電路開(kāi)始工作時(shí)，RDY/CLK端會(huì )輸出連續的與DEMOD_OUT端數據信號同步的時(shí)鐘信號;SHD為高電平時(shí)，EM4095進(jìn)入睡眠省電模式，RDY/CLK也被置為低電平。

　　圖2 EM4095的應用原理圖

　　3 數據接收解碼方法

　　由于EM4095只是提供了產(chǎn)生載波與AM調制解調功能，因此閱讀器數據發(fā)送編碼與數據接收解碼須由MCU完成。通常125 kHz的RFID數據傳輸速率為2～3.2 kb/s。數據發(fā)送編碼相對簡(jiǎn)單，只需要控制發(fā)送端口定時(shí)輸出指定的數據位就可以了。數據的接收解碼要復雜一些，下面以遵循ISO11784/11785標準的數據通信協(xié)議為例說(shuō)明采用MCU進(jìn)行數據接收解碼的方法。

　　3.1 標簽信息數據幀的格式

　　圖3為RFID標簽在收到閱讀器發(fā)送的電磁波信號后，返回的信息數據幀格式。根據ISO11785標準，數據幀(共128位)分為4個(gè)段，分別為幀頭段、標識代碼段、CRC校驗碼段以及準備將來(lái)使用的擴展預留段。幀頭段代碼為00 0000 0000 1，包含有10個(gè)“0”。為了防止出現與幀頭相同的代碼，所有后續碼段每8位數據插入1個(gè)控制位“1”。標識代碼段內的標志位1為附加數據塊標志，標志位2為動(dòng)物標志。CRC校驗碼段為CCITT 16位CRC校驗碼。擴展預留段現在還沒(méi)有使用，統一設為00000000 1 00000000 1 00000000 1，其中的“1”即控制位。

　　圖3 RFID標簽信息數據幀的格式

　　3.2 標簽信息數據的編碼

　　采用MCU進(jìn)行接收數據幀解碼的關(guān)鍵步驟是幀頭段的捕獲。圖4為RFID標簽回饋給閱讀器的信息比特流的編碼方式。MCU檢測到EM4095芯片RDY/CLK引腳端產(chǎn)生時(shí)鐘信號時(shí)，進(jìn)入幀頭段的捕獲狀態(tài)。

　　圖4 標簽信息數據編碼方式[next]

　　圖5 輸入到MCU的幀頭段信號波形

　　3.3 標簽信息數據的程序控制解碼方法

　　考慮到數據的傳輸率不會(huì )大于3.2 kb/s，根據圖4所示的數據調制編碼方式可知，信息數據輸出端口(如圖2的DEMOD_OUT引腳)的信號變化頻率不會(huì )大于6.4kHz。在硬件實(shí)現的異步串行通信解碼接口中，通常選擇采樣頻率為信號變化頻率的16倍、32倍或更高。在這里由MCU程序控制進(jìn)行串行數據解碼的方法是：對接收的編碼信號脈沖跳變的時(shí)間間隔進(jìn)行測量。由圖4的編碼方式(曼徹斯特編碼)可知，表示數碼0的時(shí)間間隔是表示數碼1的時(shí)間間隔的1/2，因此測得信號脈沖跳變的時(shí)間間隔，通過(guò)程序判斷比較就可解碼出數據0或1。要測量信號脈沖跳變的時(shí)間間隔就需要有參考時(shí)鐘信號，在這里，當參考時(shí)鐘信號頻率為被測信號最高頻率的32倍時(shí)，其值為204.8 kHz。大多數MCU的定時(shí)器/計數器都能對這一頻率的信號進(jìn)行計數測時(shí)。若采用LPC214x的定時(shí)器/計數器捕獲功能就可以實(shí)現這一點(diǎn)。

　　將需要解碼的信號(圖2的DEMOD_OUT引腳輸出)接入到MCU定時(shí)器的捕獲端口，當沒(méi)有接收信號時(shí)，接收端口保持為低電平。當RFID閱讀器發(fā)送出閱讀命令后，接收程序準備就緒，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計數。一段延時(shí)后接收信號到來(lái)，輸入信號每次發(fā)生跳變時(shí)，捕獲定時(shí)器的計數值，讀取并保存。設第0次跳變的捕獲保存值為T(mén)0，第n次跳變的捕獲保存值為T(mén)n，相鄰上次捕獲的保存值為T(mén)n-1，從第1次跳變開(kāi)始，計算差值△Tn：

　　△Tn=|Tn-Tn-1|(n≥1)

　　如果連續18次以上的差值△T相同(即△T1、～△T18相同)，則幀頭段捕獲成功?？紤]到接收信號放大檢波帶來(lái)的誤差以及MCU定時(shí)器/計數器存在有計數誤差，判定差值相同的依據為：

　　|△Tn-△Tn-1|≤2

　　式中，1≤n≤20，即相互之間的誤差不大于2。

　　差值的平均值為：

　　△T=(△T1+△T2+…+△TN)/N(18≤N≤20)。

　　△T為后續數據段解碼的檢測周期;如果后續碼段信號產(chǎn)生跳變的時(shí)間間隔等于平均值△T，則解碼為數據0;如果跳變的時(shí)間間隔值為平均值△T的2倍，則解碼為數據1。據此，就可以對接收的整個(gè)標簽信息數據幀進(jìn)行解碼。

　　4 閱讀器多通道、多模式的用法

　　閱讀器包含6個(gè)通道，可以根據應用需要配置出幾種典型的工作模式，如6通道輪循工作模式、6通道同步工作模式等。6通道輪循工作模式可用于靜態(tài)(如倉儲、圖書(shū)館等)物品的監管，其輪循的周期時(shí)長(cháng)可根據要求設置;6通道同步工作模式，可用于每個(gè)通道所對應的位置對系統時(shí)間響應都有嚴格要求的場(chǎng)合;6通道獨立工作模式主要針對一些需求少于6通道的場(chǎng)合，它可以靈活地關(guān)閉或開(kāi)啟其中任意幾個(gè)通道;雙3D工作模式，則是將6通道分成2組，每組3個(gè)通道監測同一個(gè)位置，3個(gè)通道的天線(xiàn)波束指向分別為前后、左右、上下3個(gè)相互垂直的方向(3D)，確保進(jìn)入監控位置的RFID標簽不會(huì )因擺放方向的差異而出現漏讀。另外，這種模式可同時(shí)對2個(gè)位置進(jìn)行3D監測，當RFID標簽分別通過(guò)這兩個(gè)被監測的位置時(shí)，閱讀器能根據RFID標簽信號出現的時(shí)間先后判斷出RFID標簽移動(dòng)的方向。

　　結語(yǔ)

　　設計的多通道、多模式低頻RFID閱讀器具有組態(tài)方式靈活、應用范圍廣的特點(diǎn)，且閱讀器的多通道集中控制可以有效地降低通道之間的串擾。實(shí)際應用表明，多通道、多模式低頻RFID閱讀器具有良好的穩定性和可靠性。