《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適合多協(xié)議防碰撞的射頻識(shí)別閱讀器設(shè)計(jì)

2009-07-13
作者:張捍東,,張 淳

  摘 要: 針對(duì)目前市場(chǎng)上射頻識(shí)別閱讀器只能識(shí)別單協(xié)議標(biāo)簽的情況,,設(shè)計(jì)了一種能夠識(shí)別ISO/IEC15693和ISO/IEC14443-3 TYPE A兩種協(xié)議標(biāo)簽的射頻識(shí)別閱讀器。采用TI公司的13.56 MHz頻段下的芯片S6700作為射頻模塊,,現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件作為控制器,,和單片機(jī)相比,減少了外圍電路,。同時(shí)針對(duì)同時(shí)讀取多標(biāo)簽的情況,,提出了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制防碰撞算法" title="防碰撞算法" target="_blank">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" 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  關(guān)鍵詞: 多協(xié)議;防碰撞,;現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件,;射頻識(shí)別

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  射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種,通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信,,對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID的主要核心部件是閱讀器,。閱讀器向與之相距幾厘米到幾米距離的電子標(biāo)簽發(fā)射無(wú)線電波,,可以讀取電子標(biāo)簽內(nèi)儲(chǔ)存的信息,識(shí)別電子標(biāo)簽代表的物品,、人和器具的身份等,。由于閱讀器是連接后端應(yīng)用系統(tǒng)與前端信息載體——電子標(biāo)簽之間的主要通道,因此對(duì)于閱讀器的研究具有重要意義,。
  目前常見(jiàn)的閱讀器一般只能識(shí)別某一種協(xié)議的標(biāo)簽,,本文提出一種適合多協(xié)議閱讀器的設(shè)計(jì)方案,通過(guò)輪詢法在兩種通信協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,適合于多協(xié)議標(biāo)簽共存的場(chǎng)合,。提出一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明能極大地提高閱讀器的識(shí)別效率,。
1 閱讀器設(shè)計(jì)方案
1.1 ISO/IEC15693和ISO/IEC14443 TYPEA通信協(xié)議
  閱讀器與標(biāo)簽之間的“對(duì)話”要遵循一定的通信協(xié)議,,下面對(duì)兩種協(xié)議進(jìn)行介紹,。
  國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO15693規(guī)定了非接觸疏耦合IC卡的作用原理和工作參數(shù)。該卡的作用距離可達(dá)1 m,,從閱讀器到卡的調(diào)制深度可以在10%~100%之間選擇,,有“256中取1”和“4中取1”兩種編碼方法,從卡到閱讀器為Manchester編碼,,采用時(shí)隙ALOHA防碰撞算法[1],。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443規(guī)定了非接觸近耦合IC卡的作用原理和工作參數(shù)。該卡的作用距離大約為7cm~15cm,,Type A型規(guī)定從閱讀器到卡的調(diào)制深度為100%,,采用改進(jìn)的Miller編碼,從卡到閱讀器為Manchester編碼,,采用二進(jìn)制搜索防碰撞算法[2],。
1.2 閱讀器的構(gòu)成
  閱讀器一般由射頻通道模塊和控制處理模塊兩部分組成。
  在控制器的選擇上,,由于FPGA和單片機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn),,所以選擇FPGA作為控制器。
  (1)FPGA把相應(yīng)的邏輯暫時(shí)“固化”為一個(gè)硬件電路,,對(duì)激勵(lì)作出的響應(yīng)就是電信號(hào)從FPGA的一個(gè)管腳傳播到另一個(gè)管腳,,且內(nèi)部集成了鎖相環(huán);而單片機(jī)是基于指令工作的,,同樣的激勵(lì)到達(dá)單片機(jī)后,,單片機(jī)首先要判斷,然后讀取相應(yīng)的指令,,最后作出響應(yīng),。因此,F(xiàn)PGA響應(yīng)速度要快很多,;
  (2)由于用戶通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)其邏輯功能,,因此減少了外圍電路;
  (3)單片機(jī)I/O接口有限,,所以要進(jìn)行細(xì)致的資源分配和總線隔離,。而FPGA一般具有數(shù)百個(gè)I/O口,I/O資源豐富,,可以很方便地用不同I/O連接各外設(shè),。
  EP1C6Q240C8是CycloneII系列的FPGA芯片,規(guī)模約是Cyclone系列器件的3倍,,在邏輯容量,、PLL、乘法器和I/O數(shù)量上都較Cyclone有了很大提高,,能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要,,成本比Cyclone更低,。在本設(shè)計(jì)中作為控制器。
  芯片有兩種下載模式可供選擇:Active Serial Mode和JTAG Mode,。這里采用JTAG下載模式,。串行通信采用RS232標(biāo)準(zhǔn)。這是一種常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn),。
  在射頻收發(fā)器的選擇上,,由于兩種協(xié)議的編碼解碼、調(diào)制解調(diào)方式不同,,而S6700芯片工作頻率為13.56 MHz,,兼容ISO/IEC15693協(xié)議和IS0/IEC14443-3 TYPE A協(xié)議[3],因此在本設(shè)計(jì)中作為射頻收發(fā)器,。
  圖1為閱讀器組成結(jié)構(gòu)圖,,EP1C6Q240C8芯片作為控制器,通過(guò)SCLOCK,、DOUT,、DIN、和M_ERR四根信號(hào)線對(duì)S6700芯片進(jìn)行控制,,實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別,。S6700芯片的外圍電路如圖2所示。

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  下面介紹S6700芯片的工作流程,??刂破鞯拿钶斎氲紻IN端后,芯片通過(guò)編碼將命令轉(zhuǎn)化為所選擇通信協(xié)議的格式,,經(jīng)過(guò)低通濾波器發(fā)送出去,;接收端通過(guò)一個(gè)外加電阻和天線相連,經(jīng)過(guò)檢波,、整流,、解碼后將標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳送到DOUT端。發(fā)送命令時(shí),,由控制器來(lái)控制SCLOCK;接收數(shù)據(jù)時(shí),,控制器將SCLOCK的控制權(quán)交給芯片,。如芯片正確接收到命令,將在M_ERR上產(chǎn)生一個(gè)22 μs的脈沖,,當(dāng)多標(biāo)簽發(fā)生碰撞時(shí),,M-ERR的電平將被拉高,控制器接收到此信號(hào),,將執(zhí)行防碰撞算法,。
2 防碰撞算法
  在實(shí)際應(yīng)用中,,經(jīng)常會(huì)碰到同一個(gè)閱讀器作用范圍內(nèi)有多個(gè)電子標(biāo)簽的情況。由于多個(gè)標(biāo)簽共享Tag-to-Reader的上行通道,,如果沒(méi)有相應(yīng)的防沖突機(jī)制,,必然會(huì)引起沖突的發(fā)生。這里主要討論時(shí)分多址解決碰撞的方法,。時(shí)分多址主要包括ALOHA算法和二進(jìn)制搜索算法兩種算法,,根據(jù)協(xié)議規(guī)定,分別適用于ISO/IEC15693和ISO/IEC14443 TYPEA協(xié)議,。由于適用于兩種協(xié)議的算法不同,,因此針對(duì)兩種協(xié)議卡防碰撞的情況要分開(kāi)處理。閱讀器在“閑置”狀態(tài)時(shí)能在兩種協(xié)議間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。本文給出了適用于ISO/IEC15693協(xié)議的防碰撞算法,,并與ALOHA算法進(jìn)行了比較提出了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法。從搜索次數(shù)和發(fā)送標(biāo)簽序列號(hào)的長(zhǎng)度兩方面進(jìn)行比較,,證明這種算法優(yōu)于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法,。
2.1 適用于ISO/IEC14443 TYPEA協(xié)議的防碰撞算法
  ISO/IEC14443 TYPEA采用二進(jìn)制搜索防碰撞算法。為了從一組標(biāo)簽中選擇其中之一,,閱讀器發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求命令,,有意識(shí)地將標(biāo)簽序列號(hào)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)碰撞引導(dǎo)到閱讀器上。由于序列號(hào)總是一次次完整地傳輸,,因此又發(fā)展出了動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法,,將要搜索的序列號(hào)最高碰撞位之前的部分作為搜索依據(jù),所有與位相同的標(biāo)簽應(yīng)答并回送其序列號(hào)的其余部分,。但動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法仍存在不足,,閱讀器仍要將碰撞位之前的部分全部發(fā)送。這不僅浪費(fèi)時(shí)間而且容易泄露標(biāo)簽序列號(hào)的信息,,且所有未去活的標(biāo)簽都要比較自身是否滿足請(qǐng)求命令,。因此本文提出一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法,僅將最高碰撞位作為碰撞信息置于請(qǐng)求命令中發(fā)送,,并利用休眠計(jì)數(shù)器的數(shù)值實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的雙向搜索,。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,此算法提高了識(shí)別效率,。
2.1.1 算法描述
  定義1 請(qǐng)求命令Request(x,,m):參數(shù)x為1 bit的二進(jìn)制數(shù),m為檢測(cè)到的碰撞最高位,。閱讀器發(fā)送該命令給區(qū)域內(nèi)待命標(biāo)簽,。待命標(biāo)簽檢測(cè)自己的序列號(hào)第m位與x是否相同。如相同則應(yīng)答,,并返回碰撞位及相關(guān)信息,;如不同,,則該標(biāo)簽轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài),并將相應(yīng)的休眠程度計(jì)數(shù)器置“1”,。對(duì)于已經(jīng)處于休眠狀態(tài)的標(biāo)簽,,其休眠程度計(jì)數(shù)器加1[7]。
  定義2 激活命令A(yù)ctive:該命令發(fā)出后,,休眠態(tài)的標(biāo)簽將其休眠程度寄存器減1,。如果某個(gè)標(biāo)簽的休眠程度計(jì)數(shù)器減到0,該標(biāo)簽轉(zhuǎn)為待命態(tài),,可重新響應(yīng)Request 命令,;否則,仍處于休眠狀態(tài),。
  工作過(guò)程如下:假設(shè)標(biāo)簽的編碼為8位,,閱讀器作用范圍內(nèi)有3個(gè)標(biāo)簽,分別為標(biāo)簽1:0101 0101,;標(biāo)簽2:0101 0111,;標(biāo)簽3:0111 0101。下面介紹具體執(zhí)行過(guò)程,。?(1)閱讀器發(fā)送Request(NULL,,8)命令,閱讀器作用范圍內(nèi)的所有待命標(biāo)簽應(yīng)答,,碰撞位為D5,、D1。m取5(最高碰撞位的下標(biāo)),,得到下一次Request 命令所需的參數(shù),。
  (2)閱讀器發(fā)送Request(0,5)命令,,所有待命的第5位為0的標(biāo)簽響應(yīng),,這里是標(biāo)簽1、2響應(yīng),,碰撞位為D1,,因此,m取1,,得到下次Request命令所需參數(shù),。同時(shí),將標(biāo)簽第5位為1的標(biāo)簽轉(zhuǎn)為休眠態(tài),,這里是標(biāo)簽3,并將其休眠程度計(jì)數(shù)器置“1”,。標(biāo)簽1,、2仍為待命態(tài),。
  (3)閱讀器發(fā)送Request(0,1)命令,,第1位為0的待命態(tài)標(biāo)簽應(yīng)答,,這里是標(biāo)簽l應(yīng)答。由于無(wú)碰撞發(fā)生,,故正確識(shí)別,。閱讀器可以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的操作(如select、read data等),,然后使之處于“靜默”狀態(tài),。同時(shí),第1位為1的標(biāo)簽轉(zhuǎn)為休眠態(tài),,這里是標(biāo)簽2,,其休眠程度計(jì)數(shù)器置“1”,并將處于休眠態(tài)的標(biāo)簽3的休眠程度計(jì)數(shù)器加1,。正確識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽后,,閱讀器發(fā)送Active命令,各休眠標(biāo)簽將各自的休眠程度計(jì)數(shù)器減1,,算法再采用回跳策略開(kāi)始執(zhí)行,。
  (4)閱讀器發(fā)送Request(1,1)命令,,第1位為1的待命態(tài)標(biāo)簽應(yīng)答,,只有標(biāo)簽2應(yīng)答,因而正確識(shí)別,。同理,,完成相應(yīng)的工作后,閱讀器發(fā)送Active命令,,標(biāo)簽3轉(zhuǎn)為待命態(tài),。
  (5)閱讀器發(fā)Request(1,5)命令,,第5位為1的待命態(tài)標(biāo)簽應(yīng)答,,這里是標(biāo)簽3,無(wú)碰撞,,正確識(shí)別,。
2.1.2 性能理論分析
  與動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法進(jìn)行比較[4],主要考慮搜索次數(shù)和發(fā)送標(biāo)簽序列號(hào)的長(zhǎng)度兩個(gè)性能指標(biāo),。
  (1)搜索次數(shù)的比較
  改進(jìn)的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法中,,閱讀器識(shí)別N個(gè)標(biāo)簽所需的搜索次數(shù)為:S(N)=(N-1)×2+1=2N-1。采用數(shù)學(xué)歸納法證明。
  證明:(1)N=1時(shí),,搜索次數(shù)顯然為Q=(LSEL+LNMB+L1)/(LSEL+LNMB+L2)=(16+L1)/(16+L2),。m=2 時(shí),對(duì)任意兩個(gè)標(biāo)簽,如標(biāo)簽甲和標(biāo)簽乙,。當(dāng)閱讀器發(fā)送Request(NULL,,2)命令時(shí),至少可以檢測(cè)出一個(gè)碰撞位,。下一次閱讀器發(fā)送請(qǐng)求命令,,由于只有兩個(gè)標(biāo)簽,必然只有惟一一個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答,。假設(shè)標(biāo)簽甲應(yīng)答,,因此,正確識(shí)別出標(biāo)簽甲,。根據(jù)算法約定,,再采用回跳策略開(kāi)始執(zhí)行,可正確識(shí)別標(biāo)簽乙,,所以,,S(2)=3。結(jié)論成立,。
  (2)假設(shè)N=k-1個(gè)標(biāo)簽時(shí),,搜索次數(shù)S(k-1)=2(k-1)-1=2k-3成立。當(dāng)有k個(gè)標(biāo)簽時(shí),,根據(jù)標(biāo)簽編碼的惟一性,,增加一個(gè)標(biāo)簽和原有的k-1個(gè)標(biāo)簽的編碼一定不同。為了將它與其他標(biāo)簽區(qū)分開(kāi),,必須在原有基礎(chǔ)上增加一個(gè)碰撞位的搜索,。由于對(duì)每個(gè)碰撞位都是雙向搜索,因此,,S(k)=S(k-1)+2=2k-1,。結(jié)論成立。
  對(duì)于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制算法,,從大量電子標(biāo)簽中發(fā)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的電子標(biāo)簽的搜索次數(shù)為:r(N)=log2N+1[4],,N為標(biāo)簽總數(shù),則總的搜索次數(shù)為,。兩種算法搜索次數(shù)的比較如圖3所示,。


  圖3中的實(shí)線為動(dòng)態(tài)二進(jìn)制算法的搜索次數(shù)曲線,虛線為改進(jìn)的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制算法的搜索次數(shù)曲線,,隨著標(biāo)簽數(shù)量的增大,,采用改進(jìn)動(dòng)態(tài)二進(jìn)制算法的優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯。
  (2)發(fā)送標(biāo)簽序列號(hào)長(zhǎng)度的比較
  假設(shè)發(fā)生了m次碰撞,碰撞發(fā)生的位置是隨機(jī)的,動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法每次發(fā)出的標(biāo)簽序列號(hào)UID平均長(zhǎng)度為,。改進(jìn)的算法每次碰撞傳輸?shù)呐鲎参恢眯畔⒌拈L(zhǎng)度L2僅僅與序列號(hào)長(zhǎng)度N有關(guān),,L2=log2N。同等情況下傳輸信息長(zhǎng)度即意味著抗碰撞命令傳輸時(shí)間,,盡量降低傳輸長(zhǎng)度可以提高速度,如表1,。防碰撞命令的格式為SEL+NVB+UID,,SEL和NVB的長(zhǎng)度都是8 bit,防碰撞速度改善比例為:Q=(LSEL+LNMB+L1)/(LSEL+LNMB+L2)=(16+L1)/(16+L2),。

2.2 適用于ISO/IEC15693協(xié)議的防碰撞算法
  ISO/IEC15693使用時(shí)隙ALOHA算法,,時(shí)隙數(shù)SLOT的值為16[5]。時(shí)隙ALOHA算法由ALOHA算法發(fā)展而來(lái),,ALOHA算法是最簡(jiǎn)單的防碰撞算法,。標(biāo)簽將序列號(hào)在一個(gè)周期性的循環(huán)中將數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器,所以存在一定概率,,兩個(gè)標(biāo)簽可以在不同的時(shí)間段上設(shè)置數(shù)據(jù),,使數(shù)據(jù)包不相互碰撞。平均交換的數(shù)據(jù)包量G可以通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸持續(xù)時(shí)間t計(jì)算:,。n(取值1,,2,3,,…)是系統(tǒng)中的標(biāo)簽數(shù)量,,rn是在T內(nèi)由標(biāo)簽n發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量[6]。傳輸通路的吞吐率S與數(shù)據(jù)包量G的關(guān)系為S=Ge-2G,。時(shí)隙ALOHA算法是一種時(shí)分隨機(jī)多址方式,,可以提高ALOHA算法的吞吐率。它將信道分成許多時(shí)隙(Slot),,每個(gè)時(shí)隙傳送一個(gè)分組,,數(shù)據(jù)包的傳送總在同步的時(shí)隙內(nèi)才開(kāi)始,與簡(jiǎn)單的ALOHA算法相比,,可能出現(xiàn)的碰撞時(shí)間只有一半,,可得到S=Ge(-G),信道的利用率增加一倍,。防碰撞流程圖如圖4所示,,初始命令cmd=00000000,slotvalue=0000,,slotnumber=0,。
  由于目前全球沒(méi)有統(tǒng)一的射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),各個(gè)廠家生產(chǎn)的電子標(biāo)簽符合不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),隨著射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展,,制造能兼容多種不同制式的電子標(biāo)簽的閱讀器已成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要,。FPGA以其可靠性、先進(jìn)性,、高效性,、體積小的特點(diǎn),正逐漸成為設(shè)計(jì)者的首選,。本文提出了一種支持多協(xié)議,、防碰撞的閱讀器的設(shè)計(jì)方案,驗(yàn)證表明,,如能進(jìn)一步改進(jìn)天線設(shè)計(jì),,將會(huì)增加讀寫(xiě)距離,提高穩(wěn)定性,。

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