摘  要： 介紹了基于DSP實現(xiàn)RFID超高頻(UHF)射頻識別系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)采用TMS320F2812 DSP作為主控芯片，AS3991作為無線收發(fā)模塊，基于EPC GEN2協(xié)議實現(xiàn)RFID讀寫器對標(biāo)簽的識別、讀寫等操作。DSP的使用簡化了射頻系統(tǒng)的復(fù)雜度，使得該系統(tǒng)具有低成本、通信穩(wěn)定、操作簡單等優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊，對RFID 的推廣具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞： DSP；RFID；標(biāo)簽；EPC；GEN2

    射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動標(biāo)識技術(shù)，它利用射頻信號和空間耦合來實現(xiàn)對物體的自動識別。與其他的識別方式相比，射頻識別技術(shù)能對移動的多個目標(biāo)識別，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)的提出，RFID技術(shù)的優(yōu)勢更加突顯，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。例如，RFID標(biāo)簽中有足夠的存儲空間，可以存放物品的有用信息，能夠真正實現(xiàn)讓物品“開口說話”[1，2]。
    本文利用TI公司TMS320F2812 DSP 處理器作為主控芯片，設(shè)計實現(xiàn)了一套基于EPC GEN2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻識別系統(tǒng)，通過USB與上位機通信。
1 RFID系統(tǒng)原理
    一個典型的RFID系統(tǒng)是由讀寫器、標(biāo)簽和天線等組成。讀寫器用來讀寫標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)，標(biāo)簽是存儲數(shù)據(jù)的記憶芯片，天線則用來傳輸讀寫器和標(biāo)簽之間的射頻信號。讀寫器首先從上位機得到指令，然后對指令進行編碼調(diào)制并通過天線發(fā)送出去，處在讀寫器工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽接收命令并通過改變能量強度發(fā)射響應(yīng)信號，讀寫器通過天線接收響應(yīng)信號并對其解調(diào)解碼后傳輸?shù)缴衔粰C做進一步處理。
    EPC GEN2標(biāo)準(zhǔn)定義了UHF射頻識別系統(tǒng)的通信協(xié)議，其工作頻率范圍為860 MHz～960 MHz，采用ITF通信方式，包括物理層和標(biāo)簽識別層兩部分。
    閱讀器發(fā)往標(biāo)簽的信息可以采用雙邊帶幅度鍵控（DSB-ASK）、單邊帶幅度鍵控（SSB-ASK）或者反向相位幅度鍵控（PR-ASK）的方法進行調(diào)制載波，數(shù)據(jù)編碼方式采用脈沖間隔編碼（PIE）。標(biāo)簽從其未調(diào)制波中獲取工作能量，要發(fā)送的信息通過反向散射調(diào)制載波的相位或者幅度，編碼方式采用雙向間隔碼（FM0）編碼或者Miller調(diào)制副載波。閱讀器和標(biāo)簽之間的通信是半雙工的，閱讀器可以通過發(fā)送選擇（Select）、盤存（Inventory）和訪問（Access）命令來對標(biāo)簽進行讀寫等操作[3]。
    本系統(tǒng)通過主控芯片來發(fā)送命令/數(shù)據(jù)和接收處理過的數(shù)據(jù)，射頻模塊完成協(xié)議的操作和數(shù)據(jù)的編、解碼，并通過主控芯片USB與上位機進行數(shù)據(jù)交互。
2 RFID硬件設(shè)計
2.1 主控芯片
    本系統(tǒng)的主控芯片使用TI公司TMS320F2812。該DSP芯片采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有低功耗、高速度的特點。其內(nèi)核依靠1.8 V供電，I/O口則是3.3 V供電，主頻高達150 MHz，單指令周期僅為6.67 ns。另外該芯片還提供了SPI接口，并支持JTAG邊界掃描，方便了代碼的開發(fā)[4]。芯片的高速運算能力和短指令周期，保證了信息不會丟失，且有效減少了干擾信號，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
    本系統(tǒng)采用SPI串行口與射頻模塊進行通信，F(xiàn)2812中SPI接口還支持一個16級的發(fā)送接收FIFO，從而保證了信息的可靠，減少了CPU的損耗，如圖1所示。

2.2 電源模塊
    采用TI公司的TPS767D318作為電壓的轉(zhuǎn)換芯片，可同時為DSP提供1.8 V和3.3 V電壓，滿足內(nèi)核和I/O口的供電要求。
2.3 射頻模塊
    射頻模塊采用的是奧地利微系統(tǒng)公司研制的用于超高頻RFID讀寫器的專用芯片AS3991，其封裝形式為64腳QFN，原理如圖2所示。該芯片具有集成度高的特點，芯片內(nèi)集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議處理單元、連接MCU的并行接口或者SPI串行接口等。支持兩種工作模式——完全支持EPC GEN2協(xié)議和兼容IS0 18000-6A/B協(xié)議[5]。本系統(tǒng)采用的是EPC GEN2協(xié)議。

    需要發(fā)送給RFID的命令和數(shù)據(jù)信號經(jīng)編碼、調(diào)制、射頻放大后輸出到天線。由天線接收到的RFID響應(yīng)信號送到芯片輸入端，經(jīng)由IQ MIXER得到兩路的中頻信號IQ，再由增益、濾波、數(shù)字化轉(zhuǎn)換就得到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號，之后由芯片的協(xié)議處理模塊進行解碼、CRC校驗后存入FIFO中，此時再由DSP根據(jù)SPI協(xié)議讀取數(shù)據(jù)。
3 RFID軟件設(shè)計
3.1 防碰撞算法
    本系統(tǒng)所采用的防碰撞算法是EPC GEN2協(xié)議的概率分槽防碰撞算法。根據(jù)EPC GEN2協(xié)議，算法流程如圖3所示。

    讀寫器開始一個查詢周期，向標(biāo)簽群發(fā)送一個Query()命令，在這個命令中有一個參數(shù)Q，當(dāng)處在讀寫器的工作區(qū)內(nèi)時，標(biāo)簽會產(chǎn)生一個0~2Q-1之間的隨機數(shù)，并將此隨機數(shù)放入槽計數(shù)器中。當(dāng)處在工作區(qū)中的標(biāo)簽的隨機數(shù)為0時，返回RN16給讀寫器，進行應(yīng)答；當(dāng)有多個標(biāo)簽發(fā)送RN16時，發(fā)生沖突，可以在下一輪的搜索中通過命令QueryAdjust()進行Q值調(diào)節(jié)，重新進行搜索；當(dāng)沒有標(biāo)簽應(yīng)答時，可以發(fā)送QueryRep()命令將槽計數(shù)器中的值減一，直至有標(biāo)簽應(yīng)答出現(xiàn)。
3.2 讀標(biāo)簽
    讀標(biāo)簽操作可以分為單標(biāo)簽和多標(biāo)簽讀操作，由于單標(biāo)簽讀操作是多標(biāo)簽讀操作的特例，本文只介紹多標(biāo)簽讀操作。首先使用函數(shù)GEN2SelectTag()確定標(biāo)簽群，再使用GEN2QueryStandard()命令對標(biāo)簽開始盤存周期，然后使用QueryRep()和ACK()命令對選定標(biāo)簽群中標(biāo)簽逐個識別，并對正確識別的標(biāo)簽序列號進行存儲，需要進行2Q-1次才能識別所有標(biāo)簽。如果發(fā)生沖突則需要重新設(shè)置Q值，然后重復(fù)上述操作。
3.3 標(biāo)簽的寫操作
    讀寫器首先通過GEN2SelectTag()和GEN2QueryStandard()命令確定一個唯一的標(biāo)簽，然后判斷是否進行了加密，如果沒有，則直接進行寫操作；否則，讀寫器需要發(fā)送Access()和Req_RN(16)命令來判斷對標(biāo)簽是否具有寫操作的權(quán)限。工作流程如圖4所示。

    本文利用TMS320F2812 DSP和AS3991設(shè)計了一個RFID超高頻系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了對EPC GEN2電子標(biāo)簽的讀寫操作，并且可以通過USB與上位機實現(xiàn)通信。多標(biāo)簽讀取時抗干擾性良好。本系統(tǒng)操作簡單、傳輸可靠、應(yīng)用方便，對RFID的推廣有重要意義。
參考文獻
[1] 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)[EB/OL].[2010-7-5].http：//www.yzkx.org/reada.asp?id=2966.
[2] 什么是RFID[EB/OL].[2009-9-17].http：//finance.ifeng.com/stock/special/wlbk/gmxx/20090917/1250660.shtml.
[3] EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz～ 960 MHz.Version 1.1.O.2005.
[4] 孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.
[5] Austria Micro Systems.AS3990/AS3991 UHF RFID Single Chip Reader EPC ClasslGen2 Compatible.Datasheet.  ReviSion 1.4[S].2010.