簡(jiǎn)析UHF讀寫(xiě)器設計中的FM0解碼技術(shù)

本文提出的UHF讀寫(xiě)器是基于EPC Gen2標準來(lái)實(shí)現的，閱讀器對標簽的讀寫(xiě)是通過(guò)發(fā)送射頻能量和對回波檢測來(lái)實(shí)現的，其中由標簽返回給閱讀器數據發(fā)送采用FM0編碼格式。

RFID（radio Frequency identifICation）技術(shù)是指以識別和數據交換為目的，利用感應、無(wú)線(xiàn)電波或微波進(jìn)行非接觸雙向通信的自動(dòng)識別技術(shù)，利用這種技術(shù)可以實(shí)現對所有物理對象的追蹤和管理。

1 FMO編碼原理

FM0（即Bi-Phase SPACe）編碼的全稱(chēng)為雙相間隔碼編碼。在一個(gè)位窗內采用電平變化表示邏輯。如果電平從位窗的起始處翻轉，則表示邏輯“1”。如果電平除了在位窗的起始處翻轉，還在位窗中間翻轉則表示邏輯“O”。根據FM0編碼的規則可以發(fā)現無(wú)論傳送的數據是0還是1，在位窗的起始處都需要發(fā)生跳變，如圖1所示。


圖1 FMO編碼示意圖

根據EPC Gen2協(xié)議規定，從標簽接收剄的數據都是FM0編碼格式，是以前同步碼開(kāi)始的，前同步由2部分構成：前12個(gè)前導零與之后的6位特定位。需要注意的是在前同步碼中有1位發(fā)生了偏移（即應發(fā)生相轉化但實(shí)際上沒(méi)有），表示為“V”，用于區分前同步碼與數據碼，前同步碼之后為收到的數據，如圖2所示。


圖2 FMO前同步碼

2 UHF讀寫(xiě)器讀寫(xiě)原理

根據EPC Gen2標準，該UHF讀寫(xiě)器屬于半雙工通信，遵循讀寫(xiě)器先發(fā)言（RTF）原則，即標簽是否需要返回信號建立在有沒(méi)有接收到并正確解調出讀寫(xiě)器發(fā)來(lái)的指令。系統開(kāi)始工作時(shí)，先由讀寫(xiě)器通過(guò)射頻模塊進(jìn)行調制，發(fā)出一系列的讀標簽指令，當標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器響應區域時(shí)，接收到射頻能量，開(kāi)始解調讀寫(xiě)器的指令，只有正確得到讀指令后，標簽才會(huì )將自己的ID信息等數據通過(guò)反向散射方式回發(fā)給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器將收到的反向散射信號解調成基帶信號之后再送到處理器中進(jìn)行解碼處理。

標簽主要由射頻接口（天線(xiàn)、數據調制、解調、電源電路）、控制邏輯及EEPROM存儲器3個(gè)模塊構成，調制解調模塊完成對發(fā)送接收信號的調制解調，能量檢測電路通過(guò)天線(xiàn)線(xiàn)圈接收到電壓后給控制中心提供穩定的電壓?？刂七壿嬘蓻_突檢測、讀寫(xiě)控制、存取控制、EEPROM接口控制和RF接口控制部分組成，主要負責處理與外部通信協(xié)議和與讀寫(xiě)EEPROM。

采用高性能的ARM7的LPC2103進(jìn)行解碼，采用12MHz外部晶振，該芯片可內部倍頻，內部時(shí)鐘工作在60 MHz的頻率上，完全滿(mǎn)足高速下的解碼需求。LPC2103有2個(gè)32位的捕獲比較器，具有多達7路捕獲通道。采用LPC2103的定時(shí)器TO和相應的捕獲引腳，在輸入信號發(fā)生上跳變或者下跳變時(shí)捕獲定時(shí)器值，并產(chǎn)生中斷將該定時(shí)器值取出進(jìn)行判斷，其系統框圖如圖3所示。


圖3 系統框圖

3 FMO解碼

根據FMO解碼的特點(diǎn)，目前常見(jiàn)的解碼方法是：根據起始處的上升沿或下降沿以及位窗中的采樣點(diǎn)來(lái)判斷出此位窗所表示的數據。設定一個(gè)位窗時(shí)間長(cháng)度為T(mén)，1）位窗起始處為下降沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數據“0”，采樣為0則位窗表示數據“1”；2）位窗起始處為上升沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數據“1”，采樣為0則位窗表示數據“0”。

這種方法的缺點(diǎn)很明顯。因為UHF頻段頻率很高，當在接收過(guò)程中會(huì )出現頻率偏移的情況時(shí)，會(huì )造成位寬時(shí)間T較大的變化，而程序仍以固定的時(shí)間間隔3/4T去解碼，所以每次都會(huì )發(fā)生一定的偏移，根據協(xié)議，UHF讀寫(xiě)器將接收到標簽傳送過(guò)來(lái)的1個(gè)128字節的數據，這樣在解碼過(guò)程中，將出現累積偏移過(guò)多導致漏讀或多讀情況，從而產(chǎn)生誤判。

通過(guò)讀寫(xiě)器命令設置，可以使標簽返回數據采用160 Kb/s的速率，在FM0碼相鄰兩個(gè)邊沿之間的間隔只可能有3種情況：0.5T、T、1.5T.在12 MHz的外部時(shí)鐘下，“0”的高半位寬“H”和低半位寬“H”為3.125μs，捕獲出的定時(shí)器計數值為0x25左右，記為0.5T；收到1個(gè)“0”或者1個(gè)“1”的位寬為6.25μs，捕獲出的定時(shí)器計數值為Ox4B左右，記為T(mén)；在前同步碼中，“V”的位寬為9.375μs，捕獲出的定時(shí)器計數值為0x70左右，記為1.5T.解碼流程圖如圖4所示。


圖4 解碼流程圖

根據FMO碼特點(diǎn)，當捕獲到一個(gè)“H”或者“L”時(shí)，要判斷這個(gè)O.5T是“0”的前半位還是后半位。是前半位時(shí)，要等待下一個(gè)0.5T結合成1個(gè)“0”；是后半位時(shí)，要與之前剩余的半位結合成“0”。捕獲到1個(gè)T寬度的數據時(shí)，則記為“1”。

在進(jìn)行對接收到的FMO碼解碼時(shí)，因為沒(méi)有同步信號，所以必須要先對數據進(jìn)行同步，也就是要先解碼到連續的12個(gè)“0”與之后的1010 V1前同步碼數據，才能對后面真正需要的數據進(jìn)行解碼。在解前同步碼時(shí)，前12個(gè)“O”按照2個(gè)0.5T組成1個(gè)“0”的原則，要有連續的24個(gè)0.5T出現才會(huì )進(jìn)行下面的解碼，不然就會(huì )返回重新開(kāi)始統計12個(gè)“0”。在之后解碼1010V1時(shí)，要注意一個(gè)特殊的位“V”，當捕獲到一個(gè)1.5T寬度的數據時(shí)，才記為“V”；在此期間，只要解碼出一位有錯誤，則返回重新開(kāi)始統計12個(gè)“0”。只有前同步碼全部正確解出時(shí)，才能進(jìn)行對需要的數據進(jìn)行解碼，依據捕獲到的寬度是0.5T還是1T來(lái)判斷是“0”的半位還是一個(gè)完整的“1”。

在EPC Gen2使用中，根據讀寫(xiě)器發(fā)送命令的不同，標簽返回的FM0碼里或者存在CRC5，或者存在CRC16，或者沒(méi)有校驗，有CRC的碼在解碼完成后都要進(jìn)行CRC校驗。當檢測到結束位時(shí)，CRC校驗正確，則本次通信正常，可以進(jìn)行下一步的通信。

在實(shí)際運用中，讀寫(xiě)器接收回路上會(huì )出現發(fā)送回路泄露過(guò)來(lái)的很多雜波信號以及一些毛刺，會(huì )有連續多個(gè)“0”出現，會(huì )形成連續的24個(gè)寬度為0.5T的間隔，可能會(huì )誤判成前同步碼開(kāi)始，但后續的前同步碼解碼過(guò)程在出現1.5T寬的“V”時(shí)會(huì )出錯，在進(jìn)行校驗或檢測停止位時(shí)也可能會(huì )出現錯誤，這時(shí)也要重新搜索前同步碼。

4結語(yǔ)

2006年EPC global（全球產(chǎn)品電子代碼管理中心）納入ISO/IEC 18000-6C標準，批準了新標準EPC Gen2，用于900 MHz左右的UHF的RFID技術(shù)規范，現在被我國作為第1類(lèi)第2代UHF RFID 860 MHz-960 MHz通信協(xié)議。UHF頻段RFID系統具有讀寫(xiě)速度快、存儲容量大、識別距離遠、成本低、尺寸小等特點(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)”提供可能。因此超高頻RFID系統的發(fā)展是當今RFID系統發(fā)展的重點(diǎn)。

在UHF讀寫(xiě)器設計中，關(guān)鍵問(wèn)題就是對接收到的解調數據進(jìn)行正確解碼，既要解決信號頻率的偏移，也要能在高速通信過(guò)程中，快速正確解碼，采用這種解碼方法可以在對FM0碼捕獲位寬的同時(shí)進(jìn)行同步解碼，速度比較快，而且由于對載波頻率的變化不敏感，故讀卡成功率高。