射頻識別系統(tǒng)中高頻讀寫器的研究與開發(fā)

文章出處：http://m.compasssalessolutions.com 作者：吳戰(zhàn)克，孫多春，劉賀平   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月16日

　　射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)于20世紀(jì)80年代興起，最近幾年得到迅速發(fā)展。它是一種利用射頻通信方法實(shí)現(xiàn)非接觸式、快速、實(shí)時、準(zhǔn)確地采集與處理信息的自動識別技術(shù)。RFID技術(shù)同互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息的共享，被世界公認(rèn)為21世紀(jì)十大最熱門的重要技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來RFID產(chǎn)業(yè)在我國迅速增長，已滲透到人們生活、工作等各個方面。RFID市場分析預(yù)測顯示，我國RFID需求增長迅速。2006年10月份國家將射頻識別（RFID）技術(shù)列入863重大應(yīng)用項目，科技部撥巨額資金重點(diǎn)支持我國RFID領(lǐng)域技術(shù)的突破與自主創(chuàng)新。

　　讀寫器在整個射頻識別系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。讀寫器的頻率決定了射頻識別系統(tǒng)的工作頻段，其功率直接影響射頻識別的距離。人們通過計算機(jī)應(yīng)用軟件來處理對射頻標(biāo)簽寫入或讀取其攜帶的數(shù)據(jù)信息，由于標(biāo)簽的非接觸性，人們必須借助處于應(yīng)用系統(tǒng)與標(biāo)簽之間的讀寫器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫功能。這使得讀寫器在整個通信過程中起著關(guān)鍵性的橋梁作用。

　　1 讀寫器的組成結(jié)構(gòu)

　　讀寫器可以簡化為兩個基本的功能模塊：控制部分和射頻部分?？刂撇糠旨碝CU控制電路，其功能是由智能單元發(fā)出命令，對射頻部分回收來的信號進(jìn)行必要的處理，將結(jié)果放入存儲單元。 而射頻部分由讀寫器芯片及外圍電路組成，包括發(fā)射器和接收器，其功能包括對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制、將數(shù)據(jù)傳送給電子標(biāo)簽、接收并解調(diào)來自電子標(biāo)簽的高頻信號。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1讀寫器芯片S6700

　　S6700是TI公司推出的一款具有代表性的多協(xié)議收發(fā)器芯片（RI-R6C-001A），工作頻率為13.56MHz；支持三種協(xié)議，分別是Tag-it協(xié)議、ISO/IEC 15693-2、ISO/IEC 14443-2（TYPE A）；其典型電源為+5V，典型發(fā)射功率為200mW，確保電壓在3～5.5V之間；采用SSOP20封裝，內(nèi)部集成有發(fā)射調(diào)節(jié)器和接收解調(diào)器，采用曼徹斯特編碼方式，有空閑模式（IDLE）、掉電模式（POWER DOWN）、工作模式（FULL POWER）三種電源管理功能；支持的調(diào)制方式有100%和10%～30%的ASK（Amplitude Shift Keying），這兩種調(diào)制方式可以通過應(yīng)用軟件切換，調(diào)制深度通過改變與R_MOD端相連的電阻值來實(shí)現(xiàn)。

　　發(fā)射通道首先對DIN、SCLOCK的數(shù)據(jù)解碼，經(jīng)過深度調(diào)制，再經(jīng)過功率放大器和低通濾波器后輸出。接收通道對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢波，得到423/484/848kHz的信號，經(jīng)解碼后輸出DOUT和M_ERR信號。

　　在讀寫過程中，ISO/IEO15693-2所規(guī)定的讀寫器與應(yīng)答器通信物理層協(xié)議的接口全部由S6700實(shí)現(xiàn)，CPU通過同步串行接口（SPI）與S6700相連，CPU和S6700的通信接口有四根線：時鐘線(SCLOCK)、數(shù)據(jù)輸入線(DIN)、數(shù)據(jù)輸出線(DOUT)、出錯檢測線(M_ERR)。其中時鐘線是雙向的，在時鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。DOUT 除了有在接收數(shù)據(jù)期間的數(shù)據(jù)輸出功能外，還用來表征芯片內(nèi)部FIFO 的情況。

　　2.2 模塊總體設(shè)計

　　控制部分MCU選用ATMEL公司的ATmega128芯片，是AVR單片機(jī)中功能很強(qiáng)的一款單片機(jī)，該芯片具有高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器，有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有128KB的系統(tǒng)內(nèi)在線可編程Flash。

　　所設(shè)計的讀寫器電路如圖4所示,包括三個部分：S6700典型應(yīng)用電路及外圍輔助電路、CPU接口電路和天線等效電路。S6700各對應(yīng)端分別連接在ATmega128的PE5、PA0、PA1、PB5引腳上。在S6700的TX_OUT端將調(diào)制好的信號輸出，經(jīng)過一個LC網(wǎng)絡(luò)將信號諧振放大，然后經(jīng)過一個T形網(wǎng)絡(luò)(雙L網(wǎng)絡(luò)) 進(jìn)行通帶的選擇與阻抗的匹配，最后輸出到50Ω的天線。由于使用同一收發(fā)天線，在芯片的接收端應(yīng)接一個2.2kΩ保護(hù)電阻，以避免發(fā)射信號電壓過大對芯片接收引腳造成損壞。R4、L4、C8、C9組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗為50Ω，可調(diào)電容C9用來準(zhǔn)確調(diào)整電路諧振點(diǎn)在13.56MHz。因為S6700與外部天線模塊是直接相連，考慮到加上同軸電纜后將使得接口電路的穩(wěn)定性下降，可通過調(diào)節(jié)C9得到13.56MHz且滿足50Ω的匹配阻抗。這一設(shè)計有利于讀寫器正確地收發(fā)信息。

       3 通信協(xié)議

       讀寫器與電子標(biāo)簽通信采用半雙工模式，即一問一答模式。一般都是由讀寫器先發(fā)言（Reader talks first）。參照圖3所示的讀寫器的通信過程，必須符合控制器與收發(fā)器S6700之間的通信協(xié)議以及收發(fā)器S6700與電子標(biāo)簽遵循的ISO15693-3規(guī)范。這里主要結(jié)合這兩部分的通信協(xié)議加以討論。

　　3.1 請求命令結(jié)構(gòu)

　　控制器發(fā)送一個命令給收發(fā)器必須保證正確的時序。一個典型命令的結(jié)構(gòu)是:起始位S1，8位命令，數(shù)據(jù)（域），結(jié)束位ES1。

　　(1)起始位S1、結(jié)束位ES1波形。 
　　(2)命令字節(jié)：規(guī)定收發(fā)器與電子標(biāo)簽通信時的相關(guān)參數(shù)。
　　(3)數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)域內(nèi)容由ISO15693-3規(guī)定，取決于命令內(nèi)容。

　　命令參數(shù)是表明遠(yuǎn)耦合器(VCD)到遠(yuǎn)耦合IC卡(VICC)之間的通信規(guī)則，包括采用什么支持協(xié)議、脈沖位置編碼方式、調(diào)制深度、AM或FSK(頻移鍵控)，例如：2EH，表示普通模式、支持射頻協(xié)議15693（1 out of 4）、AM調(diào)制方式、調(diào)制深度100%、返回數(shù)據(jù)采用高數(shù)據(jù)率。只有該命令字節(jié)的發(fā)送順序是高位在先，即MSB FIRST，其他的數(shù)據(jù)、標(biāo)志位發(fā)送順序都是低位在先，即LSB FIRST。

　　以命令2E（00101110）和數(shù)據(jù)4E（01001110）為例的通信如圖所示。

　　每個數(shù)據(jù)位在SCLOCK的上升沿時發(fā)送。當(dāng)SCLOCK的管腳保持高電平時，數(shù)據(jù)位的電平必須保持不變。命令模式有二種：普通模式和寄存器模式。表明所采用的射頻協(xié)議、調(diào)制方式及傳輸速率等是由命令序列中規(guī)定的還是由寄存器所設(shè)定的。普通模式指令包含所有參數(shù)，而寄存器模式不含這些參數(shù)，而是由預(yù)先寫入寄存器的數(shù)值決定，在該模式下，命令字節(jié)為1位，且該位為1。

　　15693-3 規(guī)定的請求格式如表1所示。

　　標(biāo)志位（FLAG）用來指出將由VICC執(zhí)行的行為以及相應(yīng)的域存在與否，相當(dāng)于從VICC到VCD的通信規(guī)則，如采用何種方式：單/雙副載波頻率和高/低數(shù)據(jù)傳輸率等。比較上面兩個請求命令格式，注意到S1和ES1在收發(fā)器命令中已經(jīng)存在，這里只需把15693命令序列中的標(biāo)志位、命令碼、數(shù)據(jù)、CRC等內(nèi)容放入收發(fā)器命令的數(shù)據(jù)域中。序列S1、CMD、DATA、ES1會發(fā)送一個“SOF，數(shù)據(jù)，EOF”給電子標(biāo)簽，即從MCU至S6700，從S6700至VICC兩個請求過程，這兩個通信過程不是同時刻發(fā)送的，S6700中存在FIFO緩沖器，并在DOUT中體現(xiàn)出來。傳送的一些編碼等信息會從幀首中體現(xiàn)出來(可參考15693-2定義)。

    3.2 響應(yīng)結(jié)構(gòu)

    VICC響應(yīng)的基本格式如表2所示。

　　起始位S2和結(jié)束位ES2：分別表示VICC響應(yīng)數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束。其波形如圖所示。

　　4 程序設(shè)計流程

　　4.1 Inventory 及程序流程

　　Inventory 請求指令和響應(yīng)結(jié)構(gòu)分別如表3、表4所示，其中請求Flags設(shè)置為06，即選擇16時隙（slot），不顯示AFI域。Inventory 命令代碼為01，防沖撞算法參數(shù)為Mask length和Mask value。只進(jìn)行16時隙時，Mask length設(shè)為0。

　　命令流程是SOF/發(fā)送Inventory請求命令/EOF后進(jìn)入slot 1, 以EOF切換到下一時隙直到slot 16為止。在一時隙中遇到有沖撞或是無標(biāo)簽響應(yīng)時，切換到下一時隙。Inventory流程圖如圖所示。

　　4.2 底層驅(qū)動實(shí)現(xiàn)

　　從以上分析 ISO15693 的通信協(xié)議和時序可知，閱讀器軟件設(shè)計主要工作是按照 ISO15693 的通信格式及時序要求進(jìn)行接口驅(qū)動程序的編寫。下面是底層驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)方法，主要是寫命令函數(shù) Write_cmd(char cmd)、寫數(shù)據(jù)函數(shù) Write_data(char data_buf)和讀數(shù)據(jù)函數(shù)Read_data(char *cdata)。

    void Write_cmd(char cmd)
    {for (char Bitnum=8;Bitnum>0;Bitnum--)
    {PB5=0;              //DIN=0
    if(cmd&0x80)
    PB5=1;              //DIN=1
    PE5=1;              //SCLOCK=1
    PE5=0;              //SCLOCK=0
    cmd<<=1;
    }}
    void Write_data(char data_buf)
    {while(PA1);        //FIFO Manage
    for (char Bitnum=8;Bitnum>0;Bitnum--)
    { while(PA1); 
    PB5=0;             //DIN=0
    if(Data_buf&0x01)
    PB5=1;              //DIN=1
    PE5=1;              //SCLOCK=1
    PE5=0;              //SCLOCK=0
    Data_buf>>=1;
    } }
    void Read_data(char *cdata)
    {char Readin;
    for (char Bitnum=0;Bitnum<8;Bitnum++)
    { while(PE5==1);    //等待SCLOCK=0
    while(PE5==0);      //等待SCLOCK=1
    Readin>>=1;
    if(PA1==1)          //判斷 DOUT=1？
    Readin |=80; }
    Cdata(bitnum)=Readin;    }

　　本文主要介紹射頻識別系統(tǒng)中讀寫模塊的軟硬件設(shè)計，其讀寫器模塊通過PC機(jī)和串口通信軟件測試，實(shí)現(xiàn)了識別與數(shù)據(jù)通信，能成功用Inventory命令識別出電子標(biāo)簽的唯一序列號。通過進(jìn)一步地改進(jìn)硬件設(shè)計與優(yōu)化軟件編程，將會進(jìn)一步提高讀寫距離、識別效率、防沖撞性能和穩(wěn)定性。