基于DSP技術的RFID讀寫器設計
文章出處：http://5052h112.com 作者：鄒立明，范科峰 ，戴 葵 人氣： 發表時間：2011年10月14日
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。射頻識別(RFID)技術是從20世紀80年代興起并逐漸走向成熟的一項自動識別技術，它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到目標識別與數據交換的目的。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預。作為條形碼的無線版本，RFID技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量更大、存儲信息更改自如等優點，已經被世界公認為本世紀十大重要技術之一，在生產、零售、物流、交通等各個行業等各個行業有著廣闊的應用前景。我國的第2代身份證即采用了RFID技術，世界上最大的零售商沃爾瑪也要求其最大的100個供應商從2005年1月1日起開始采用RFID技術。
1 RFID概述
一個最基本的RFID系統如圖1，有以下幾部分組成：標簽(Tag)，由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象；讀寫器(Reader)，讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備；天線(Antenna)，在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。
圖1 最基本的RFID系統
電子標簽的工作頻率有3種：低頻(125 kHz)、中頻(13．56 MHz)和高頻(2．45 GHz，5．8 GHz)。文中的讀寫器設計基于IS015693標準，工作于13．56 MHz，適用的電子標簽是無源的。無源標簽從讀寫器產生的電磁場中以電感耦合的方式獲得能量。讀寫器首先從后臺計算機接收命令，然后將命令數據按照ISO標準進行編碼調制并通過天線發射出去，處于讀寫器工作區的電子標簽接收命令數據通過改變能量強度發射響應信息，讀寫器通過天線接收電子標簽的響應信號，進行解調解碼后傳送給上位機做進一步處理。
2 讀寫器的設計
2．1 讀寫器的核心控件
在本讀寫器的設計中采用的控制核心器件是DS MS320F2812，它是TI公司2003年推出的32 bit定點DSP芯片。最高主頻可達150 MHz，128 kbit的Flash，18 kbit的RAM，16通道的12 bit ADC，支持ANCIC／C++。由于TMS320F2812內部集成了16通道的12 bit ADC，故無須再外擴ADC，這樣可以使硬件電路變得更簡潔。使DSP工作它采用了位域編程的環境，程序結構更加清晰，縮短軟件開發周期。
2．2 讀寫器的硬件設計
讀寫器的硬件組成，如圖2所示，是一個基于TMS320LF2812的DSP系統，完成與電子標簽和上位機的雙向通信，其中DSP在與電子標簽的數據交換中完成編碼和解碼的功能。
圖2 讀寫器硬件結構圖
DSP產生脈沖位置編碼，控制13．56 MHz載頻的輸出，實現脈沖位置調制。調制電路輸出信號的功率很弱，需將此信號進行功率放大，然后經過濾波和調諧后加到天線上，以提高對卡的操作距離。功率放大電路采用NPN型的射頻功率晶體管MRF426，發射功率為4 w，工作頻率可達25 MHz。輸出通過電位器 實現功率調節，可以調整的最小功率為0．5 W，最大為6 W。天線線圈在13．56 MHz的工作頻率時表現為阻抗z，為了實現與50Ω系統的功率匹配，系統通過無源的匹配電路將此阻抗轉換為50Ω，然后通過50Ω的同軸電纜將功率從讀寫器末級傳送到天線匹配電路。
在設計過程共配有4個天線，可根據不同的距離需求調換。在ISO15693協議中，電子標簽到讀寫器的數據采用負載調制的方式(同時使用副載波)進行發射，即首先將曼徹斯特編碼的信號加載到副載波(有ASK單副載波423．75 kHz和FSK 雙副載波423．75 kHz、484．28 kHz兩種方式)，然后再將信號加載到主載波13．56 MHz上。因此，在讀寫器的接收通道中，首先通過帶通濾波器取出一個邊帶，放大后再送人解調器，解調器將邊帶信號與本地13．56 MHz載波混頻濾波后獲得調制到副載波上的中頻信號，再進行ASK或FSK檢波，從而得到曼徹斯特碼波形。這里所得的曼徹斯特碼波形沒有經過抽樣判決是模擬信號，經過DSP的片上AD采樣、處理、判決后進行解碼和校驗，完成整個信號的接收處理過程。
2．3 讀寫器的軟件設計
在ISO15693標準中，從讀寫器到電子標簽的數據編碼采用脈沖位置調制方，電子標簽支持兩種編碼模式，一種是1／256模式，一種是1／4模式。在1／256模式中，一個字節的值由脈沖的位置表示，脈沖的位置在連續的256個時間周期的某一處，其時間周期為256／f,(18．88μs，高低電平分別為9．44μs)， 因此一個字節的傳輸需要4．833 ms。在1／4模式中，一個脈沖的位置確定一個字節的兩位(00，01，10或11)，如圖3所示，4個連續的循環確定一個字節，傳輸一個字節需要302．08μs。
圖3 1／4模式編碼
兩種編碼模式的實現方法基本相同，首先根據要編碼的數據x確定脈沖前后高電平的時間(對1／256模式，分別為X318．88μs和(FF—x)318．88μs)，然后順序調用脈沖前的高電平產生子程序、脈沖產生子程序和脈沖后的高電平產生子程序即可。其中18．88μs的定時要盡可能精確，以避免偏差累積引起的編碼錯誤。本設計采用TMS320F2812做處理器，最高主頻可達150 MHz，可以設定主頻為135．6 MHz，這樣在程序設計方面會有一定的便利，充分利用了TMS320F2812的特點，提高了精度，但還需注意跳轉指令和流水線對精確定時的影響。本設計方安選用1／4模式編碼，使用4取1脈沖位置調制模式，這種位置一次決定2個位。4個連續的位對構成1個字節，首先傳送最低的位對。例如：圖3示出了VCD(讀寫器)傳送 E1 =(11100001)b=225。
2．4 設計結果分析
讀寫器從電子標簽接收的數據是按幀發送的，每一幀包括幀頭(SOF)、數據和幀尾(EOF)，幀尾前是2個字節(16位)的CRC校驗值。本讀寫器接收數據的幀頭波形如圖4，接收數據的幀未波形與幀頭波形相反。讀寫器接收數據的波形如圖5所示，啟始部分是接收命令，第二部分是幀頭，第三部分是傳輸數據，最后是幀尾。讀寫器在向電子標簽發出一個命令后即開始采樣，如果在一定的時間內接收到SOF，說明有返回信號，則繼續采樣，直至接收到EOF；否則，立即返回。
圖4 讀寫器接收數據的幀頭波形
圖5 讀寫器接收數據的波形
在實際實驗中讀寫器的讀寫距離、信號強弱、噪聲干擾的大小對讀寫的準確度有較大影響。讀寫器在在電子標簽距離讀寫器的天線較近時，信號相對干擾信號比較強，判決門限容易選取。對信號的判別比較容易，解碼方便，結果也比較準確。但當電子標簽距離讀寫器的天線較遠但又在讀寫器的工作范圍之內時，信號的強度與噪聲相當，判決門限很難選取，需要對采樣信號進行濾波，然后自適應地選定判決門限，提高讀寫距離和讀寫精度。
2．5 防沖突程序設計
防沖突程序設計是讀寫器程序設計中的一個重要組成部分。防沖突序列的目的，是在VCD工作域中產生由VICC的惟一ID(UID)決定的VICCs目錄。VCD在與一個或多個VICCs通訊中處于主導地位。它通過發布目錄請求初始化卡通訊。當讀寫器進入工作狀態時，在其天線覆蓋范圍內的所有標簽將被激活，處于等待狀態，隨時準備響應讀寫器指令操作，這就造成了標簽讀寫沖突。為了解決這一問題，標簽內部設計了自帶防沖突機制，只需利用相關的指令集輔助設計一種防沖突程序即可。
防沖突程序流程圖，如圖6所示。當處于激活狀態的標簽接收到讀寫器SELECT命令時，便發送自身UID給讀寫器。此時如果有一個以上的標簽同時發送UID，則讀寫器判定沖突發生，發送FAIL命令給標簽，標簽通過內部防沖突算法對自身相關參數值進行修改之后，符合條件的標簽將再次發送UID給讀寫器，由讀寫器判定沖突，重復上述操作，直到只有一個標簽符合條件，則跳出防沖突程序，進入標簽后續處理程序。同時，剩余標簽自動修改自身相關數值，為下一次讀取做準備，如果此時沒有符合條件的標簽，則讀寫器發送SUCCESS命令，標簽修改自身參數，等待讀寫器檢測命令 。
圖6 防沖突程序流程圖
3 結束語
文中基于RFID的國際標準ISO15693，設計了工作于13．56 MHz的RFID讀寫器，可以進行全方向讀寫標簽的新型讀寫設備，配有輸入輸出IO、RS232、RS485及CAN總線等通信接口，配備有兩個天線，最大讀寫距離可以達到1．5 m-1．8 m左右，多卡識別能力達到每秒45張，可以有效地滿足各類RFID應用領域的需求。基于該讀寫器的門禁系統已經在實際中得到應用，實際效果良好。
(1．桂林電子科技大學電子工程學院, 2．中國電子技術標準化研究所電子設備與信息研究中心，鄒立明，范科峰 ，戴 葵)
