基于 Intel R1000 的超高頻 RFID 讀寫(xiě)器設計

0 引 言

RFID技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻的方式進(jìn)行非接觸雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關(guān)數據。RFID系統通常主要由電子標簽、讀寫(xiě)器、天線(xiàn)3部分組成。讀寫(xiě)器對電子標簽進(jìn)行操作，并將所獲得的電子標簽信息反饋給PC機。射頻識別技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，逐漸被廣泛應用于生產(chǎn)、物流、交通運輸、防偽、跟蹤及軍事等方面。按工作頻段不同，RFID系統可以分為低頻、高頻、超高頻和微波等幾類(lèi)。目前，大多數RFID系統為低頻和高頻系統，但超高頻頻段的RFID系統具有操作距離遠，通信速度快，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。盡管目前，RFID超高頻技術(shù)的發(fā)展已比較成熟，也已經(jīng)有了一些標準，標簽的價(jià)格也有所下降；但RFID超高頻讀寫(xiě)器卻有變得更大，更復雜和更昂貴的趨勢，其消耗能量將更多，制造元件達數百個(gè)之多。然而，這里的設計采用高度集成的R1000，可以解決上述問(wèn)題，既可降低芯片設計中的復雜性和生產(chǎn)成本，又能使制造商制造出體積更小，更有創(chuàng )新性的讀寫(xiě)器，從而開(kāi)拓新的RFID應用領(lǐng)域。

1 讀寫(xiě)器硬件結構設計

該設計選用W78E465作為主控模塊，IntelR1000收發(fā)器作為射頻模塊。該設計可以作為手持終端，并用RS 232串行通信模塊和電平轉換接口MAX232與上位機相連。系統硬件原理見(jiàn)圖1。

1．1 主控模塊

W78E365是具有帶ISP功能的FLASH EPROM的低功耗8位微控制器，可用于固件升級。它的指令集與標準8052指令集完全兼容。W78E365包含64 KB的主ROM，4 KB的輔助FLASH EPROM，256 B片內RAM；4個(gè)8位雙向、可位尋址的I／0口；一個(gè)附加的4位I／O口P4；3個(gè)16位定時(shí)／計數器及1個(gè)串行口。這些外圍設備都由有9個(gè)中斷源和4級中斷能力的中斷系統支持。為了方便用戶(hù)進(jìn)行編程和驗證，W78E365內含的ROM允許電編程和電讀寫(xiě)。一旦代碼確定后，用戶(hù)就可以對代碼進(jìn)行保護。

W78E365內部ROM僅64 KB，內存太小，故采用AT29C256作為外擴ROM。線(xiàn)路連接見(jiàn)圖2。

1．2 收發(fā)模塊

射頻模塊采用Intel R1000收發(fā)器。R1000內包含了一個(gè)能源擴大器，使得它可以在近距離或者2 m內對標簽進(jìn)行編碼和閱讀，而具體距離由讀寫(xiě)器所使用的天線(xiàn)決定。有了額外的外部能源擴大器，使用R1000讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍可以達到10 m。R1000必須與單獨的微處理器連接，這個(gè)微處理器可以把由R1000數字信息處理器產(chǎn)生的原始數據轉換成EPc或者18000-6c格式的代碼，其工作頻率為860～960 MHz，共有56個(gè)引腳，采用0．18μmSiGe BiCMOs先進(jìn)工藝，體積僅為8 mm×8 mm，功耗只有1．5 w左右，具有很高的集成度。

R1000與W78E365的連接見(jiàn)圖3。射頻信號經(jīng)天線(xiàn)進(jìn)入電橋，輸出信號被分為兩路，一路信號經(jīng)過(guò)帶通濾波器和不平衡到平衡的轉換進(jìn)入R1000的射頻輸入口。另一路信號經(jīng)不平衡到平衡的轉換進(jìn)人R1000的本振輸入口。這兩路信號在R1000內部經(jīng)過(guò)解調和模／數轉換等一系列操作后，將所得的數字信息送給W78E365。W78E365對收到的信號經(jīng)解碼和校驗，將所得信息送往上位機，并將其對R1000的命令編碼和加密后發(fā)送給R1000。這些命令在R1000內部經(jīng)過(guò)調制和PA，再經(jīng)過(guò)平衡到不平衡的轉換和濾波，由天線(xiàn)發(fā)射出去。數字模塊中的時(shí)鐘驅動(dòng)來(lái)自于外部TCXO產(chǎn)生的24 MHz參考頻率。系統中通過(guò)∑-△DACS的信號頻率為24 MHz；通過(guò)∑-△ADCS的信號頻率為48 MHz。

R1000內部集成了接收器和發(fā)射器。實(shí)質(zhì)上，接收器是一個(gè)零中頻接收機。下變頻后，直流的大部分被復位，由交流耦合電容器濾除。模擬中頻濾波器提供粗略的頻道選擇。它具有可編程帶寬滿(mǎn)足大范圍的數字通過(guò)率。該濾波器可以配置成兩個(gè)實(shí)際的低通濾波器，也可以配置成復雜的單相帶通濾波器。經(jīng)濾波后，I，Q信號被數／模轉換器轉換成數字信號。濾波器中自動(dòng)中頻增益的升高會(huì )降低模／數轉換器的動(dòng)態(tài)范圍。

R1000中，發(fā)射器支持同相正交矢量調制和極化調制。前者，用于SSB-ASK調制和反相幅移鍵控調制；后者，用于DSB-ASK。在這兩種調制方式下，數字模塊產(chǎn)生的信號，經(jīng)過(guò)∑一△數／模轉換器和重建濾波器轉換成模擬信號。

在SSB-ASK調制方式下，基帶編碼信號經(jīng)希爾伯特濾波器產(chǎn)生復合的同相信號I和正交信號Q，經(jīng)∑-△數／模轉換器將I，Q數字信號轉換成模擬信號，進(jìn)入模擬模塊，該模擬信號經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射出去。在PR-ASK調制方式下，用混頻器將信號反相彌補AM部分的時(shí)延，反相時(shí)延控制有一個(gè)可編程時(shí)延，使極化調制的相位與幅度之問(wèn)的時(shí)間錯誤趨于最小值。在DSB-ASK調制方式下，基帶編碼和脈沖信號同樣也經(jīng)過(guò)希爾伯特濾波器產(chǎn)生一個(gè)復合的I，Q信號。所不同的是脈沖成型信號預先進(jìn)行了扭曲，這樣可以補償調幅傳遞函數中的非線(xiàn)性。這個(gè)經(jīng)過(guò)預先扭曲的調幅控制信號經(jīng)過(guò)∑-△數／模轉換器轉換成模擬信號，最后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。

基于功率要求和調制方式的不同，R1000有全功率非線(xiàn)性，低功率非線(xiàn)性和線(xiàn)性3種發(fā)射模式。在DSB-ASK調制模式下。R1000采用全功率非線(xiàn)性發(fā)射模式。為了發(fā)射R1000允許的天線(xiàn)上最大發(fā)射功率值為+30 dBm，需在R1000外部接1個(gè)PA。采用class—C極化調制能夠提高系統的功率效率。在這種發(fā)射方式下，只有在DSB—ASK調制方式才有效。低功率非線(xiàn)性發(fā)射模式與全功率非線(xiàn)性發(fā)射模式相似，只是外部不再需要PA。相反，只使用內部較低的輸出功率，在這種發(fā)射方式下只有DSB—ASK調制方式有效。在線(xiàn)性發(fā)射模式下，R1000的PA—out信號與外部線(xiàn)性PA相連，這是因為SSB—ASK調制方式要求1個(gè)線(xiàn)性的PA。需要指出的是在R1000外部接1個(gè)PA時(shí)，會(huì )增加系統的復雜度，但同時(shí)放大了傳輸信號的功率，使信號傳輸距離更遠，提高了讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)距離。

1．3 天線(xiàn)

對Intel R1000超高頻收發(fā)器，基于不同的天線(xiàn)子系統，天線(xiàn)有兩種配置情況。第一種情況是單天線(xiàn)模式。在這種情況下，用一個(gè)回路來(lái)隔離發(fā)射路徑和接收路徑，每根天線(xiàn)都具備接收器和發(fā)射器的功能。第二種情況是雙天線(xiàn)模式。同樣用分離的天線(xiàn)將接收器和發(fā)射器連接起來(lái)，通常情況下，兩根獨立的天線(xiàn)由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，每根天線(xiàn)僅具備接收器功能或發(fā)射器功能。

對單天線(xiàn)模式，因天線(xiàn)的反射系數并不理想，所以接收增益不能太大，會(huì )有飽和的問(wèn)題。以R1000的高接收靈敏度，可以搭配-10 dB左右的Coupler，視整體線(xiàn)路的隔離而定；對于雙天線(xiàn)模式，天線(xiàn)的收發(fā)隔離比較理想，接收路徑可以使用高增益。

該設計采用雙天線(xiàn)模式，用矩形微帶天線(xiàn)和同軸電纜構成讀寫(xiě)器的天線(xiàn)。該微帶天線(xiàn)的基板材料采用介電常數比較高的陶瓷基片，厚0．635 mm。天線(xiàn)寬為70．5 mm，長(cháng)為52．689 mm，微帶線(xiàn)寬度為0．598 mm，饋電點(diǎn)選取在天線(xiàn)寬邊中心。經(jīng)過(guò)ADS仿真，該天線(xiàn)中心頻率為915 MHz。為減小天線(xiàn)反射系數，達到較理想的匹配，對天線(xiàn)串聯(lián)一根長(cháng)度為18．471 mm，阻值為50Ω的傳輸線(xiàn)，然后再并聯(lián)一根長(cháng)度為24．678 mm，阻值為50Ω的傳輸線(xiàn)。經(jīng)ADS仿真優(yōu)化得知，在中心頻率915 MHz處，天線(xiàn)最大輻射方向上的方向性系數為3．535；效率為40．087％；增益為1．417。

2 系統軟件設計

2．1 主程序

若系統在PC機的監控下工作，則系統與PC機之間是主從通信模式。系統收到Pc機的命令便進(jìn)入初始化狀態(tài)，按照主控程序進(jìn)行相應的工作。處理完畢后，將所得信息送往PC機。主程序流程見(jiàn)圖4。

2．2 軟件設計

該設計采用曼徹斯特編碼方式，用2位二進(jìn)制數來(lái)表示一位二進(jìn)制數據信息。編碼波形的上升沿用01來(lái)表示，對應數據信息0；下降沿用10來(lái)表示，對應數據信息1。首先，對w78E365進(jìn)行初始化，使計數器TO工作在16位定時(shí)器工作模式下；T1工作在計時(shí)器工作模式下，對T0，T1賦初值，使：
TLO／1=(最大計時(shí)次數一要計數次數)％256
THO／1=(最大計時(shí)次數一要計數次數)／256

然后，設同步脈沖定時(shí)值為一位半碼寬，將有效數據編碼采用半位碼寬定時(shí)。接著(zhù)啟動(dòng)定時(shí)器T0，檢測同步沿的到來(lái)。若檢測不到同步沿的到來(lái)，則繼續檢測；若檢測到同步沿的到來(lái)，則開(kāi)始讀端口狀態(tài)，并啟動(dòng)計時(shí)器T1。當檢測到下一跳變沿到來(lái)時(shí)，使計數器數目加1，且將對應端口數字1編碼為10，對應端口數字0編碼為01。之后進(jìn)入下一輪循環(huán)，直至計數器數目達到碼長(cháng)為止。按照上面操作就可以實(shí)現對數據的編碼。同理，在進(jìn)行解碼時(shí)只要按照相反的逆操作進(jìn)行即可。

多字節CRC校驗的方法一般是移位法。這種方法執行起來(lái)速度較慢，但是其需要的空間??；另一種方法是查表法，即預先把多字節可能產(chǎn)生的余式計算出來(lái)組成一個(gè)余式表，直接查表而不進(jìn)行二進(jìn)制的除法。這是一種快速的方法，但是需要很大的空間。用標準CRC一16進(jìn)行校驗，則需要至少1～2 KB，對于MCU來(lái)說(shuō)是很不利的，故選擇前者。

該設計采用流密碼加密算法，將明文M分割成字符串和比特串M=m0，m1，…，mj,…，并逐位加密：EK(m)=Ek0(m0)，Ekl(m1)，…，Ekj(mj)，…，其中密鑰流是K=k0，k1，…，kj…。對明文加密就是將K和M對應的分量分別進(jìn)行模2相加，得到密文序列C。在接收端，合法的接收者將密文序列C與上述密鑰序列進(jìn)行簡(jiǎn)單的模2相加，將原來(lái)的明文恢復出來(lái)。序列密碼使用一個(gè)比特流發(fā)生器，以產(chǎn)生隨機二進(jìn)制數字流，稱(chēng)為密碼比特流。密碼比特流直接作為密鑰使用，而且其長(cháng)度與明文報文的長(cháng)度相等?？紤]到比特流發(fā)生器不是真正隨機的實(shí)際情況，流密鑰生成器用線(xiàn)性反饋移位寄存器構造。

2．3 防碰撞程序

該設計采用非基于位碰撞的二進(jìn)制算法來(lái)實(shí)現防碰撞。防碰撞流程如圖5所示。

具體流程如下：
(1)發(fā)送Request命令給應答器；
(2)發(fā)送Group-select命令和Ungroup-select命令給所有應答器，使所有或部分應答器參與沖突判斷過(guò)程：
①若有沖突，讀寫(xiě)器發(fā)送．Fail命令給選定應答器，直到?jīng)]有沖突；
②若沒(méi)有沖突，讀寫(xiě)器發(fā)送Select命令給應答器， 選定該應答器。
(3)發(fā)送Data-Read命令給選定的應答器：
①若正確接到應答器反饋的信息，讀寫(xiě)器發(fā)送Success命令給選定應答器；
②若未正確接收到應答器反饋的信息，發(fā)送一定次數Resend命令給選定應答器。超過(guò)該次數則認為有沖突，進(jìn)入步驟(2)的①。
(3)當讀寫(xiě)器讀寫(xiě)信息成功后，讀寫(xiě)器對選定應答器發(fā)送Unselect命令，使應答器進(jìn)入完全非激活的狀態(tài)，不再應答讀寫(xiě)器發(fā)送的命令。
為了重新活化應答器，必須暫時(shí)離開(kāi)讀寫(xiě)器的作用范圍，以實(shí)行復位。通過(guò)以上程序就可以實(shí)現系統的防沖突功能。

3 結 語(yǔ)

設計在Modelsire 6．1中進(jìn)行功能和時(shí)序仿真，并通過(guò)Altera QuartusⅡ6．0的Stratix EPl SlOF484C5器件綜合。結果表明，該算法使用的寄存器為347，比基于位碰撞的算法使用的寄存器數少得多，節省了硬件資源。最大讀寫(xiě)標簽數為3 595，讀寫(xiě)速度可達每秒1 000個(gè)標簽，防碰撞算法效率接近50％，比傳統算法具有更高的TDMA信號利用率及平均識別效率。支持SSB-ASK和DSB-ASK雙重調制方式，具備單、雙天線(xiàn)模式，體積小，集成度高，可作為手持終端，且能夠在各種環(huán)境下即插即用。