0 引 言

　　RFID技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù),，通過無線射頻的方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),。RFID系統(tǒng)通常主要由電子標(biāo)簽,、讀寫器,、天線3部分組成,。讀寫器對電子標(biāo)簽進(jìn)行操作,，并將所獲得的電子標(biāo)簽信息反饋給PC機(jī)。射頻識別技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢,，逐漸被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn),、物流、交通運(yùn)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(yuǎn),，通信速度快，成本低,，尺寸小等優(yōu)點(diǎn),，更適合未來物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn),，標(biāo)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(fù)雜和更昂貴的趨勢，其消耗能量將更多,，制造元件達(dá)數(shù)百個之多,。然而，這里的設(shè)計采用高度集成的R1000,，可以解決上述問題,，既可降低芯片設(shè)計中的復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域。

　　1 讀寫器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　該設(shè)計選用W78E465作為主控模塊,，IntelR1000收發(fā)器作為射頻模塊,。該設(shè)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jìn)行編程和驗(yàn)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(jìn)行保護(hù),。

　　W78E365內(nèi)部ROM僅64 KB,，內(nèi)存太小，故采用AT29C256作為外擴(kuò)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(kuò)大器,，使得它可以在近距離或者2 m內(nèi)對標(biāo)簽進(jìn)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(kuò)大器,，使用R1000讀寫器的讀寫范圍可以達(dá)到10 m.R1000必須與單獨(dú)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(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的連接見圖3.射頻信號經(jīng)天線進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)，將所得信息送往上位機(jī),，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(shí)質(zhì)上,，接收器是一個零中頻接收機(jī)。下變頻后,，直流的大部分被復(fù)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(shí)際的低通濾波器，也可以配置成復(fù)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(fù)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(jìn)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(bǔ)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(fù)合的I,，Q信號,。所不同的是脈沖成型信號預(yù)先進(jìn)行了扭曲，這樣可以補(bǔ)償調(diào)幅傳遞函數(shù)中的非線性,。這個經(jīng)過預(yù)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?yàn)镾SB—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(fù)雜度,，但同時放大了傳輸信號的功率，使信號傳輸距離更遠(yuǎn),，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(dú)立的天線由一個開關(guān)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(shè)計采用雙天線模式，用矩形微帶天線和同軸電纜構(gòu)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(diǎn)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(dá)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(shè)計

　　2.1 主程序

　　若系統(tǒng)在PC機(jī)的監(jiān)控下工作,，則系統(tǒng)與PC機(jī)之間是主從通信模式,。系統(tǒng)收到Pc機(jī)的命令便進(jìn)入初始化狀態(tài),，按照主控程序進(jìn)行相應(yīng)的工作。處理完畢后,，將所得信息送往PC機(jī),。主程序流程見圖4.

　　2.2 軟件設(shè)計

　　該設(shè)計采用曼徹斯特編碼方式，用2位二進(jìn)制數(shù)來表示一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息,。編碼波形的上升沿用01來表示,，對應(yīng)數(shù)據(jù)信息0；下降沿用10來表示,，對應(yīng)數(shù)據(jù)信息1.首先,，對w78E365進(jìn)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(shè)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(dāng)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(yīng)端口數(shù)字1編碼為10,，對應(yīng)端口數(shù)字0編碼為01.之后進(jìn)入下一輪循環(huán),，直至計數(shù)器數(shù)目達(dá)到碼長為止。按照上面操作就可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼,。同理,，在進(jìn)行解碼時只要按照相反的逆操作進(jìn)行即可。

　　多字節(jié)CRC校驗(yàn)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(yù)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(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(biāo)準(zhǔn)CRC一16進(jìn)行校驗(yàn)，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(shè)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(yīng)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)行簡單的模2相加，將原來的明文恢復(fù)出來,。序列密碼使用一個比特流發(fā)生器,，以產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)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(jī)的實(shí)際情況,，流密鑰生成器用線性反饋移位寄存器構(gòu)造。

　　2.3 防碰撞程序

　　該設(shè)計采用非基于位碰撞的二進(jìn)制算法來實(shí)現(xiàn)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(yīng)答器,；

　?。?）發(fā)送Group-select命令和Ungroup-select命令給所有應(yīng)答器,，使所有或部分應(yīng)答器參與沖突判斷過程：

　　①若有沖突,，讀寫器發(fā)送。Fail命令給選定應(yīng)答器,，直到?jīng)]有沖突,；

　　②若沒有沖突,，讀寫器發(fā)送Select命令給應(yīng)答器,， 選定該應(yīng)答器。

　?。?）發(fā)送Data-Read命令給選定的應(yīng)答器：

　?、偃粽_接到應(yīng)答器反饋的信息，讀寫器發(fā)送Success命令給選定應(yīng)答器,；

　?、谌粑凑_接收到應(yīng)答器反饋的信息，發(fā)送一定次數(shù)Resend命令給選定應(yīng)答器,。超過該次數(shù)則認(rèn)為有沖突,，進(jìn)入步驟（2）的①。

　?。?）當(dāng)讀寫器讀寫信息成功后,，讀寫器對選定應(yīng)答器發(fā)送Unselect命令，使應(yīng)答器進(jìn)入完全非激活的狀態(tài),，不再應(yīng)答讀寫器發(fā)送的命令,。

　　為了重新活化應(yīng)答器，必須暫時離開讀寫器的作用范圍,，以實(shí)行復(fù)位,。通過以上程序就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的防沖突功能。

　　3 結(jié) 語

　　設(shè)計在Modelsire 6.1中進(jìn)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(biāo)簽數(shù)為3 595,，讀寫速度可達(dá)每秒1 000個標(biāo)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,。