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1、超高频射频识别系统读写器设计引言射频识别(RFID，RadioFrequencyIdentiFication)技术是一种新兴的自动识别技术。它是利用无线射频方式进行非接触双向数据通信，以达到目标识别并交换数据的目的。可用来跟踪和管理几乎所有的物理对象，在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪及军事等众多领域都有广泛的应用前景。按照工作频段的不同，RFID系统还可以分为低频(135kHz以下)、高频(13.56MHz)、超高频(860960MHz)和微波(2.4GHz以上)等几类。目前大多数RFID系统为低频和高频系统，但超高频(UHF)频段的RFID系统具有操作距离远、通讯速度快、成本
2、低、尺寸小等优点，更适合未来物流、供应链领域的应用，也为实现“物联网提供了可能。因此超高频RFID系统的发展是当前RFID系统发展的重点。本文介绍了符合ISO1800026标准的超高频RFID电子标签主要特点、结构、工作原理及读写方法，提出了相应读写器的解决方案，重点阐述了读写器的硬件设计及软件程序流程。实际应用结果表明该读写器具有以下特点：读写速度快(单个标签64bit/6ms)、识别率高，识别距离远(4m)。标签工作原理及特性工作原理RFID系统一般由读写器和标签(或称应答器、电子标签、智能标签)及天线组成。本文采用某公司的UCODEHSL标签，符合ISO18000-4与ISO18000-
3、6标准，本身无电源，靠读写器的射频场获得能源，采用负载调制方式，工作频段为UHF或2.45GHz。工作原理如图1所示。PC机通过RS232接口远程控制读写器。读写器接到命令后，通过天线发送射频命令实现对标签的操作，同时接收标签返回的数据。标签靠其偶极子天线获得能量，并由芯片(IC)控制接收、发送数据。620)this.style.width=620;border=0图1：工作原理IC结构标签IC主要由模拟、数据处理及EEPROM三个模块构成，如图2所示。620)this.style.width=620;border=0图2：标签IC结构模拟RF接口模块为IC提供稳定电压，并将获得的数据解调后供
4、数据模块处理，同时将数据调制后返回给读写器。数字处理模块包括状态转换机、读写协议执行、与EEPROM的数据交换处理等功能。存储特性标签内置2048bit的EEPROM，分成64块(block)，每块32bit。其中8byte为ID存储空间，216byte为用户存储空间。每字节都有相应的锁定位，该位被置“1就不能再被改变。可以通过LOCK命令将其锁定，通过QuerylocK(查询锁定)命令读取锁定位的状态，锁定位不允许被复位。Byte07被锁定，为标签的标识码(UniqueID)。64bitUID包含50bit的独立的串号，12bit的边界码和一个两位的校验码。Byte8219是未锁定空间，供用
5、户使用。Byte220223也是未锁定的，作为写操作完毕的标志bit或者用户空间。标签的读写命令格式读写器的命令格式读写器的命令格式如下：620)this.style.width=620;border=0帧头探测段是一个至少持续400Ls的稳定无调制载波(相当于16bit数据的传输)；帧头是9bit的NRZ格式的manchester“O，即：010101010101010101；开始符是用来标记有效数据，原返回率采用5位的开始符(1100111010)，4倍返回率采用开始符(11011100101)；CRC采用16bit的CRC编码。标签的应答格式标签的应答格式如下：620)this.styl
6、e.width=620;border=0静默是标签持续2byte的无反向散射(40kb/s的速率下相当于400Ls的持续时间)；返回帧头是：“00000101010101010101000110110001；CRC采用16bit的CRC编码。防冲突机制充电后的IC有三种主要数字状态：准备(READY，初始状态)；识别(ID，标签期望读写器识别的状态)；数据交换(DATEEXCHANGE，标签已被识别状态)。620)this.style.width=620;border=0图3：状态转换图首先，标签进入读写器的射频场，从无电状态进入准备状态。读写器通过“组选择和“取消选择命令来选择工作范围内处于
7、准备状态中所有或者部分的标签，来参与冲突判断过程。为解决冲突判断问题，标签内部有两个装置：一个8bit的计数器；一个0或1的随机数发生器。标签进入ID状态的同时把它的内部计数器清“0。它们中的一部分可以通过接345第3期张晓鹏，朱云龙等：超高频射频识别系统读写器设计收“取消命令重新回到准备状态，其它处在识别状态的标签进入冲突判断过程。被选中的标签开始进行下面循环：所有处于ID状态并且内部计数器为0的标签将发送它们的UID。如果多于一个的标签发送，读写器将发送失败命令。所有收到失败命令且内部计数器不等于0的标签将其计数器加1。收到失败命令且内部计数器等于0的标签(刚刚发送过应答的标签)将产生一个
8、“1或“0的随机数，如果是“1，它将自己的计数器加1；如果是“0，就保持计数器为0并且再次发送它们的UID。如果有一个以上的标签发送，将重复第2步操作；如果所有标签都随机选择了“1，则读写器收不到任何应答，它将发送成功命令，所有应答器的计数器减1，然后计数器等于0的应答器开始发送，接着重复第2步操作；如果只有一个标签发送并且它的UID被正确接收，读写器将发送包含UID的数据读命令，标签正确接收该条命令后将进入数据交换状态，接着将发送它的数据。读写器将发送成功命令，使处于ID状态的标签的计数器减1；如果只有一个标签的计数器等于1并且返回应答，则重复第5和第6步操作；如果有一个以上的标签返回应答，
9、则重复第2步操作；如果只有一个标签返回应答，并且它的UID没有被正确接收，读写器将发送一个重发命令。如果UID被正确接收，则重复第5步操作。如果UID被重复几次的接收(这个次数可以基于系统所希望的错误处理标准来设定)，就假定有一个以上的标签在应答，重复第2步操作。系统硬件构成本系统选用W77E58单片机作为主控模块，与发射模块和接收模块、串口通信模块共同构成射频标签的读写系统。系统硬件原理如图1中读写器部分所示。主控模块主控模块选择WINBOND公司的W77E58，它是一款高速、高集成、增强型内核为8051的高性能单片机；内置32kbit可重复编程的FlashEPROM，1kbit用MOV指令
10、访问的内部SRAM(节省了16条数据/地址I/O口线)，以及2个增强型全双工串行口。使用W77E58的系统速度要比传统51系列单片机快2.5倍左右。工作频率为40MHz的W77E58相当于100MHz左右的8051。发射模块发射模块由射频调制/发射芯片和功率放大芯片组成。其原理如图4所示。调制/发射芯片选用MotorolA公司的MC33493，它是由锁相环调谐的UHF频段调制/发射芯片，采用OOK或FSK调制，具有集成的VCO、环路滤波器、可调的输出功率，工作频段可选择315434或868928MHz。工作频段由BAND(3)管脚控制、调制方式则由MODE (14)管脚设定。RFOUT(10)
11、管脚的输出频率F(oUt)=F(Y1)Ratio (PLL)。620)this.style.width=620;border=0图4：发射模块本设计中BAND(3)管脚置低电平，选用868928MHz的频段；工作频率设定在915MHz，f(Y1)=915MHz/64=14.297MHz；MODE (14)管脚置低电平，采用OOK调制方式；DATACLK(1)、DATA(2)、ENABLE (13)管脚分别为时钟、数据输入和芯片工作开关，由单片机来控制。为了提高系统的发射功率，本设计选用了RFMicroDevice公司的RF2132功率放大芯片对MC33493输出的射频信号进行功率放大；RF21
12、32是一种高功率、高效率的线性放大器，具有29dBm的线性输出功率。接收模块接收模块由射频接收/解调芯片和信号放大芯片组成。原理如图5所示。射频接收/解调芯片选用MotorolA公司的MC33593，它是一种由锁相环调谐的UHF频段低功率射频接收/解调芯片，工作频带在868928MHz，中频带宽为500kHz，采用OOK或FSK调制，由DMDAT(13)管脚设定。具有集成的VCO、环路滤波器。本设计中DMDAT(13)管脚置低电平，采用OOK调制。晶体振荡器的频率选择与MC33493相同。系统时钟(11)、数据接口(15、16)及输入控制开关(14)由单片机控制。为了提高系统的接收灵敏度，本设
13、计在天线和射频接收/解调器之间增加了一套射频信号放大电路，主要由RF2173组成，其功能是用于对天线接收到的射频信号进行放大，以提高MC33593输入射频信号的信号强度；RF2173具有最大32dB的增益。620)this.style.width=620;border=0图5：接收模块串口通信模块读写器采用RS232接口与计算机通信，电平转换芯片用ICL232。通过该接口计算机向读写器发送读、写标签等命令，读写器可把结果回送给计算机。系统软件设计主程序由于系统在PC机的监控下工作，两者之间为主从通信方式。主控模块上电完成正常初始化过程后，便进入等待状态，等PC机发来指令。当接收到PC机指令后，
14、转去处理相应的程序。处理完毕后执行结果信息返回PC机。主程序框图如图6所示。620)this.style.width=620;border=0图6：接收模块防冲突程序在读写器天线所覆盖的范围之内有多个标签存在时，读写器发送命令后，会引起响应冲突，从而导致通信失败。当读写器检测到冲突后，可使用命令来处理存在的冲突。通过发送命令可以记录读写器天线覆盖范围内的标签的UID，然后利用UID的唯一性，读写器和各个标签分别建立独立的通道进行通信，从而消除冲突。读写器首先发送命令给标签，在命令的数据域和参数域中分别包含UID的掩码和掩码的长度，传送给标签的掩码要求是整字节，如果此掩码不是整字节的话将自动在高
15、位补零。通过设置标志域的相应标志位，读写器可以设置接收标签响应的时隙为3或6，在各时隙中，读写器都可以接收标签返回的UID，读写器通过发送结束信号的UID和当前时隙序号的最低4bit加命令数据域中的掩码进行比较，如果不匹配则无应答，如果匹配将送回自己的UID。在某一时隙可能出现多个标签同时做出响应，这时读写器要记下冲突的标签掩码和时隙计数器的值，以做进一步冲突处理。流程图如图7。620)this.style.width=620;border=0图7：接收模块结束语本文设计的超高频射频识别读写器能够读写UCODEHSL系列多种标签，读写速度最快(从单个标签上平均读取64bit，耗时不超过6ms每多取32bit耗时累加1ms；每单个标签上平均写入32bit，耗时不超过25ms每多写入32bit耗时累加25ms)，读写距离(4m)，有效地解决了多标签防冲撞问题，此超高频射频识别系统尤其适用于物流、供应链领域。1