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)簽進行操作,并將所獲得的電子標(biāo)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(yīng)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(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(biāo)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(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(fù)合的I,,Q信號,。所不同的是脈沖成型信號預(yù)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(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(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,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(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(shè)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(yīng)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(shè)計
該設(shè)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(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(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(biāo)準(zhǔn)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(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(fù)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(gòu)造,。
2.3 防碰撞程序
該設(shè)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:
(1)發(fā)送Request命令給應(yīng)答器,;
(2)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,。
(3)發(fā)送Data-Read命令給選定的應(yīng)答器:
①若正確接到應(yīng)答器反饋的信息,讀寫器發(fā)送Success命令給選定應(yīng)答器,;
②若未正確接收到應(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,進入步驟(2)的①,。
(3)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,,以實行復(fù)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(shè)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(biāo)簽數(shù)為3 595,,讀寫速度可達每秒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,。