0 引 言
RFID技術是一種非接觸的自動識別技術,,通過無線射頻的方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信,,對目標加以識別并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)通常主要由電子標簽,、讀寫器,、天線3部分組成。讀寫器對電子標簽進行操作,,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(tǒng)可以分為低頻、高頻,、超高頻和微波等幾類,。目前,大多數(shù)RFID系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng),,但超高頻頻段的RFID系統(tǒng)具有操作距離遠,,通信速度快,成本低,,尺寸小等優(yōu)點,,更適合未來物流、供應鏈領域的應用,。盡管目前,,RFID超高頻技術的發(fā)展已比較成熟,也已經(jīng)有了一些標準,,標簽的價格也有所下降,;但RFID超高頻讀寫器卻有變得更大,更復雜和更昂貴的趨勢,,其消耗能量將更多,,制造元件達數(shù)百個之多。然而,,這里的設計采用高度集成的R1000,,可以解決上述問題,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)新性的讀寫器,從而開拓新的RFID應用領域,。
1 讀寫器硬件結(jié)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(zhuǎn)換接口MAX232與上位機相連,。系統(tǒng)硬件原理見圖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(nèi)RAM,;4個8位雙向,、可位尋址的I/0口;一個附加的4位I/O口P4,;3個16位定時/計數(shù)器及1個串行口,。這些外圍設備都由有9個中斷源和4級中斷能力的中斷系統(tǒng)支持。為了方便用戶進行編程和驗證,,W78E365內(nèi)含的ROM允許電編程和電讀寫,。一旦代碼確定后,用戶就可以對代碼進行保護,。
W78E365內(nèi)部ROM僅64 KB,,內(nèi)存太小,故采用AT29C256作為外擴ROM.線路連接見圖2.
1.2 收發(fā)模塊
射頻模塊采用Intel R1000收發(fā)器,。R1000內(nèi)包含了一個能源擴大器,,使得它可以在近距離或者2 m內(nèi)對標簽進行編碼和閱讀,而具體距離由讀寫器所使用的天線決定,。有了額外的外部能源擴大器,,使用R1000讀寫器的讀寫范圍可以達到10 m.R1000必須與單獨的微處理器連接,這個微處理器可以把由R1000數(shù)字信息處理器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成EPc或者18000-6c格式的代碼,,其工作頻率為860~960 MHz,,共有56個引腳,采用0.18μmSiGe BiCMOs先進工藝,,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的連接見圖3.射頻信號經(jīng)天線進入電橋,,輸出信號被分為兩路,一路信號經(jīng)過帶通濾波器和不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進入R1000的射頻輸入口,。另一路信號經(jīng)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進人R1000的本振輸入口,。這兩路信號在R1000內(nèi)部經(jīng)過解調(diào)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列操作后,將所得的數(shù)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(nèi)部經(jīng)過調(diào)制和PA,,再經(jīng)過平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換和濾波,,由天線發(fā)射出去。數(shù)字模塊中的時鐘驅(qū)動來自于外部TCXO產(chǎn)生的24 MHz參考頻率,。系統(tǒng)中通過∑-△DACS的信號頻率為24 MHz,;通過∑-△ADCS的信號頻率為48 MHz.
R1000內(nèi)部集成了接收器和發(fā)射器。實質(zhì)上,,接收器是一個零中頻接收機,。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足大范圍的數(shù)字通過率。該濾波器可以配置成兩個實際的低通濾波器,,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(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,。濾波器中自動中頻增益的升高會降低模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍。
R1000中,,發(fā)射器支持同相正交矢量調(diào)制和極化調(diào)制,。前者,用于SSB-ASK調(diào)制和反相幅移鍵控調(diào)制,;后者,,用于DSB-ASK.在這兩種調(diào)制方式下,數(shù)字模塊產(chǎn)生的信號,,經(jīng)過∑一△數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和重建濾波器轉(zhuǎn)換成模擬信號,。
在SSB-ASK調(diào)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(shù)/模轉(zhuǎn)換器將I,,Q數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,進入模擬模塊,,該模擬信號經(jīng)天線發(fā)射出去,。在PR-ASK調(diào)制方式下,用混頻器將信號反相彌補AM部分的時延,,反相時延控制有一個可編程時延,,使極化調(diào)制的相位與幅度之問的時間錯誤趨于最小值。在DSB-ASK調(diào)制方式下,,基帶編碼和脈沖信號同樣也經(jīng)過希爾伯特濾波器產(chǎn)生一個復合的I,,Q信號。所不同的是脈沖成型信號預先進行了扭曲,,這樣可以補償調(diào)幅傳遞函數(shù)中的非線性,。這個經(jīng)過預先扭曲的調(diào)幅控制信號經(jīng)過∑-△數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號,最后通過天線發(fā)射出去,。
基于功率要求和調(diào)制方式的不同,,R1000有全功率非線性,低功率非線性和線性3種發(fā)射模式,。在DSB-ASK調(diào)制模式下,。R1000采用全功率非線性發(fā)射模式,。為了發(fā)射R1000允許的天線上最大發(fā)射功率值為+30 dBm,需在R1000外部接1個PA.采用class—C極化調(diào)制能夠提高系統(tǒng)的功率效率,。在這種發(fā)射方式下,,只有在DSB—ASK調(diào)制方式才有效。低功率非線性發(fā)射模式與全功率非線性發(fā)射模式相似,,只是外部不再需要PA.相反,,只使用內(nèi)部較低的輸出功率,在這種發(fā)射方式下只有DSB—ASK調(diào)制方式有效,。在線性發(fā)射模式下,,R1000的PA—out信號與外部線性PA相連,這是因為SSB—ASK調(diào)制方式要求1個線性的PA.需要指出的是在R1000外部接1個PA時,,會增加系統(tǒng)的復雜度,,但同時放大了傳輸信號的功率,使信號傳輸距離更遠,,提高了讀寫器的讀寫距離,。
1.3 天線
對Intel R1000超高頻收發(fā)器,基于不同的天線子系統(tǒng),,天線有兩種配置情況,。第一種情況是單天線模式。在這種情況下,,用一個回路來隔離發(fā)射路徑和接收路徑,,每根天線都具備接收器和發(fā)射器的功能。第二種情況是雙天線模式,。同樣用分離的天線將接收器和發(fā)射器連接起來,,通常情況下,兩根獨立的天線由一個開關控制,,每根天線僅具備接收器功能或發(fā)射器功能,。
對單天線模式,因天線的反射系數(shù)并不理想,,所以接收增益不能太大,,會有飽和的問題。以R1000的高接收靈敏度,,可以搭配-10 dB左右的Coupler,,視整體線路的隔離而定;對于雙天線模式,,天線的收發(fā)隔離比較理想,,接收路徑可以使用高增益。
該設計采用雙天線模式,,用矩形微帶天線和同軸電纜構成讀寫器的天線,。該微帶天線的基板材料采用介電常數(shù)比較高的陶瓷基片,厚0.635 mm.天線寬為70.5 mm,,長為52.689 mm,,微帶線寬度為0.598 mm,饋電點選取在天線寬邊中心,。經(jīng)過ADS仿真,,該天線中心頻率為915 MHz.為減小天線反射系數(shù),達到較理想的匹配,,對天線串聯(lián)一根長度為18.471 mm,,阻值為50Ω的傳輸線,然后再并聯(lián)一根長度為24.678 mm,,阻值為50Ω的傳輸線,。經(jīng)ADS仿真優(yōu)化得知,在中心頻率915 MHz處,,天線最大輻射方向上的方向性系數(shù)為3.535,;效率為40.087%;增益為1.417.
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 主程序
若系統(tǒng)在PC機的監(jiān)控下工作,,則系統(tǒng)與PC機之間是主從通信模式,。系統(tǒng)收到Pc機的命令便進入初始化狀態(tài),按照主控程序進行相應的工作,。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位二進制數(shù)來表示一位二進制數(shù)據(jù)信息,。編碼波形的上升沿用01來表示,對應數(shù)據(jù)信息0,;下降沿用10來表示,,對應數(shù)據(jù)信息1.首先,對w78E365進行初始化,,使計數(shù)器TO工作在16位定時器工作模式下,;T1工作在計時器工作模式下,對T0,,T1賦初值,,使:
TLO/1=(最大計時次數(shù)一要計數(shù)次數(shù))%256
THO/1=(最大計時次數(shù)一要計數(shù)次數(shù))/256
然后,設同步脈沖定時值為一位半碼寬,,將有效數(shù)據(jù)編碼采用半位碼寬定時,。接著啟動定時器T0,檢測同步沿的到來,。若檢測不到同步沿的到來,,則繼續(xù)檢測,;若檢測到同步沿的到來,則開始讀端口狀態(tài),,并啟動計時器T1.當檢測到下一跳變沿到來時,,使計數(shù)器數(shù)目加1,且將對應端口數(shù)字1編碼為10,,對應端口數(shù)字0編碼為01.之后進入下一輪循環(huán),,直至計數(shù)器數(shù)目達到碼長為止。按照上面操作就可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼,。同理,,在進行解碼時只要按照相反的逆操作進行即可。
多字節(jié)CRC校驗的方法一般是移位法,。這種方法執(zhí)行起來速度較慢,,但是其需要的空間小,;另一種方法是查表法,,即預先把多字節(jié)可能產(chǎn)生的余式計算出來組成一個余式表,直接查表而不進行二進制的除法,。這是一種快速的方法,,但是需要很大的空間。用標準CRC一16進行校驗,,則需要至少1~2 KB,,對于MCU來說是很不利的,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與上述密鑰序列進行簡單的模2相加,將原來的明文恢復出來,。序列密碼使用一個比特流發(fā)生器,,以產(chǎn)生隨機二進制數(shù)字流,,稱為密碼比特流,。密碼比特流直接作為密鑰使用,而且其長度與明文報文的長度相等,??紤]到比特流發(fā)生器不是真正隨機的實際情況,流密鑰生成器用線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制算法來實現(xiàn)防碰撞,。防碰撞流程如圖5所示。
具體流程如下:
?。?)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程:
?、偃粲袥_突,讀寫器發(fā)送,。Fail命令給選定應答器,,直到?jīng)]有沖突;
?、谌魶]有沖突,,讀寫器發(fā)送Select命令給應答器, 選定該應答器,。
?。?)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(shù)Resend命令給選定應答器,。超過該次數(shù)則認為有沖突,進入步驟(2)的①,。
?。?)當讀寫器讀寫信息成功后,讀寫器對選定應答器發(fā)送Unselect命令,使應答器進入完全非激活的狀態(tài),,不再應答讀寫器發(fā)送的命令,。
為了重新活化應答器,必須暫時離開讀寫器的作用范圍,,以實行復位,。通過以上程序就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的防沖突功能。
3 結(jié) 語
設計在Modelsire 6.1中進行功能和時序仿真,,并通過Altera QuartusⅡ6.0的Stratix EPl SlOF484C5器件綜合,。結(jié)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(shù)少得多,,節(jié)省了硬件資源。最大讀寫標簽數(shù)為3 595,,讀寫速度可達每秒1 000個標簽,,防碰撞算法效率接近50%,比傳統(tǒng)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(diào)制方式,,具備單、雙天線模式,,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,。