《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ISO18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的RFID閱讀器設(shè)計
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第9期
吳小龍，張紅雨
電子科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，四川 成都611731
摘要： 為了滿足市場需求，提高閱讀器讀寫效率，提出一種基于ISO18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的RFID閱讀器設(shè)計方案。該閱讀器基帶處理部分采用ARM+FPGA組合實現(xiàn)，利用FPGA編解碼速度快的特點并結(jié)合ARM的控制優(yōu)勢，使得該閱讀器具有識別速度快、識別率高的特點；閱讀器的射頻發(fā)射電路采用兩級功率放大，具備能很好地抑制噪聲、保持很好的線性度、輻射功率滿足要求、識別距離遠(yuǎn)的特點；閱讀器的接收回路采用四路解調(diào)，可以很好地解決接收“模糊點”。
中圖分類號： TP29
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)09-0032-03
Design of RFID reader based on ISO18000-6C protocol
Wu Xiaolong，Zhang Hongyu
School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731，China
Abstract： In order to meet the market demand of improving the reading and writing efficiency of reader，a kind of RFID reader design plan based on ISO18000-6C protocol is presented. Digital baseband circuit includes ARM and FPGA. Due to the advantage of FPGA in fast encoding and decoding, and the advantage of ARM in controlling, the reader has characterristic of high recognition and recognize effectively. In circuit design of RF circuit, two amplifiers are used in order to reduce noise effectively, gain well linearity, win high radiant power and recognize tags at a distance. The receiving circuit includes four ways of demodulation, so that the “fuzzy point” can be solved.
Key words : RFID reader；FPGA；ARM；radio frequency

    射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種新興的非接觸式自動識別技術(shù)，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、物流管理、防偽以及軍事等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。其中UHF RFID成為目前最受關(guān)注的RFID應(yīng)用方向，依據(jù)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是ISO18000-6C。

    國內(nèi)從事RFID技術(shù)研究的廠商并不多，在UHF頻段的研發(fā)就更少，其技術(shù)普遍不成熟。因此研究UHF RFID閱讀器是業(yè)界迫切的需要。
1 閱讀器工作原理
    RFID系統(tǒng)如圖1所示，閱讀器與后臺應(yīng)用程序連接的情況下，讀取和寫入等命令均由后臺應(yīng)用程序發(fā)出，若沒有連接后臺應(yīng)用程序，命令則由閱讀器自身發(fā)出。閱讀器采用PIE編碼向標(biāo)簽發(fā)送命令，調(diào)制方式采用雙邊帶振幅移位鍵控（DSB-ASK）[1]，調(diào)制深度90％以上；標(biāo)簽采用FM0或Miller編碼向閱讀器反射應(yīng)答信息，調(diào)制方式為反向散射ASK調(diào)制，調(diào)制深度10％左右。其基本工作流程如下：

    （1）閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送一段時間的空載波，使得標(biāo)簽有足夠的能量上電復(fù)位，計算存儲區(qū)的CRC16。
    （2）閱讀器發(fā)送盤存命令，開啟一次標(biāo)簽的讀寫過程，接著發(fā)送一系列命令完成標(biāo)簽的識別。
    （3）閱讀器解析標(biāo)簽回送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口傳送給后臺應(yīng)用程序。
2 閱讀器總體設(shè)計及實現(xiàn)
    閱讀器總體上分為3個模塊：數(shù)字基帶模塊、后臺應(yīng)用程序接口模塊和射頻發(fā)射接收模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    數(shù)字基帶模塊中的FPGA芯片主要負(fù)責(zé)Miller解碼和PIE編碼，解碼后得到的數(shù)據(jù)傳到ARM做進(jìn)一步分析。PIE編碼則通過引腳輸出到功率放大器芯片的開關(guān)引腳，控制芯片的開或關(guān)，從而實現(xiàn)ASK調(diào)制。ARM主要負(fù)責(zé)ISO18000-6C協(xié)議的實現(xiàn)以及各種命令參數(shù)的設(shè)置等。
    后臺應(yīng)用程序接口為串口，將ARM得到的標(biāo)簽信息傳入PC機相應(yīng)的程序中，以備后續(xù)的應(yīng)用。并且接收應(yīng)用程序發(fā)出的RFID標(biāo)準(zhǔn)命令（此時可以不用ARM來產(chǎn)生命令）。
    發(fā)射電路由915 MHz載波發(fā)生芯片、線性放大器芯片和功率放大器芯片構(gòu)成。接收電路由四路包絡(luò)解調(diào)電路、差分放大器和電壓比較器構(gòu)成。定向耦合器負(fù)責(zé)收發(fā)電路之間的隔離，提高接收機的接收靈敏度。
3 閱讀器硬件系統(tǒng)設(shè)計
3.1 射頻前端電路設(shè)計
    射頻發(fā)射電路包含載波發(fā)生電路、線性放大電路和功率放大電路。采用專用芯片SI4133產(chǎn)生915 MHz載波，誤差10％左右。載波經(jīng)過線性放大器放大，使其信號的幅度在功率放大器正常放大范圍內(nèi)，以避免信號失真。功率放大器采用RF2173芯片實現(xiàn)，由于功率放大電路需要比較大的電流，所以在PCB設(shè)計時[2]，這部分需要單獨供電，并且布局應(yīng)在板子的邊沿，使其芯片能夠很好地散熱。最后是微帶線的設(shè)計[3]，微帶線設(shè)計采用ADS仿真實現(xiàn)，主要完成天線的阻抗匹配。
    接收電路采用零中頻接收機方案[4]，只需要一級同頻混頻器就可以得到基帶信號，結(jié)構(gòu)簡單。但由于收發(fā)電路均采用同一根天線，發(fā)射電路的信號會泄漏到接收電路中，由于發(fā)射電路的信號強度強于接收電路的信號，如果不加入定向耦合器進(jìn)行收發(fā)隔離，會降低接收機的接收靈敏度。不同于傳統(tǒng)方案中的兩路I/O包絡(luò)解調(diào)，這里采用4路包絡(luò)檢波電路[5]，可以解決接收模糊點問題。檢波后的信號幅值十分微弱(10 mV左右)，需要經(jīng)過如圖3所示的差分放大器進(jìn)行放大。差分放大后得到的兩路信號進(jìn)入電壓比較器后可得到Miller編碼波形。

3.3 后臺應(yīng)用程序接口電路
    后臺應(yīng)用程序接口電路如圖5所示，主要由USB轉(zhuǎn)串口芯片構(gòu)成。該電路將標(biāo)簽的特征信息如EPC、TID、USER等上傳到PC機的上位機程序中以備后續(xù)的應(yīng)用。

4 閱讀器軟件設(shè)計
4.1 ARM程序設(shè)計
    ARM程序設(shè)計流程如圖6所示，主要完成ISO18000-6C協(xié)議的實現(xiàn)。閱讀器首先給標(biāo)簽發(fā)送一段時間的空載波，標(biāo)簽將載波能量轉(zhuǎn)換為電能，完成自身的復(fù)位；然后閱讀器給標(biāo)簽發(fā)送Query命令開啟一次盤存，標(biāo)簽在協(xié)議規(guī)定的時間內(nèi)回送16 bit偽隨機數(shù)（RN16）；閱讀器收到RN16后，將它作為ACK命令的一部分發(fā)給標(biāo)簽；標(biāo)簽收到ACK命令后，首先對其進(jìn)行CRC16校驗，之后檢查RN16是否匹配，如果都滿足則發(fā)送自身特征信息EPC給閱讀器；閱讀器將收到的EPC信息通過串口發(fā)給上位機；如果需要對標(biāo)簽進(jìn)行讀或?qū)懺L問，則發(fā)送Req_RN命令獲得標(biāo)簽的句柄，該句柄不僅用于讀寫命令，一些可選命令(如：Kill、Access、Lock等)也都需要它。如果還有數(shù)據(jù)傳送，則再次使能串口發(fā)送，否則重新發(fā)Query命令，開啟新的盤存過程。

4.2 FPGA程序設(shè)計
    FPGA程序總體上分為PIE編碼模塊和Miller解碼模塊，程序編譯環(huán)境為QuartusⅡ9.0。
    PIE編碼模塊接收ARM傳入的命令數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)具體命令生成不同的幀頭，因為Query命令的幀頭不同于其他命令；然后編碼命令數(shù)據(jù)。由于PIE編碼中數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1在編碼上表現(xiàn)為波形長度的不同，所以只需用計數(shù)器驅(qū)動引腳在不同的時間輸出高低電平即可完成編碼。圖7所示的波形為QuartusⅡ9.0內(nèi)嵌的邏輯分析儀SignalTap采集FPGA器件產(chǎn)生的PIE編碼波形?？梢钥闯鲩喿x器發(fā)出Query命令后，收到了標(biāo)簽RN16的Miller碼波形。

 

 

    Miller調(diào)制副載波技術(shù)中，當(dāng)M=2、4、8時，用Miller編碼基帶波形去調(diào)制副載波序列，這里采用M=2的編碼規(guī)則。Miller編碼規(guī)則為：(1)每個符號含有M個副載波周期；(2)符號‘0’期間不發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)；(3)符號‘1’中間處發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)；(4)只有在相鄰符號都為‘0’時，符號分界處才發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)。另外，在每一幀電子標(biāo)簽返回讀寫器的數(shù)據(jù)前都有幀前導(dǎo)序列。解碼器主要完成幀前導(dǎo)序列檢測和數(shù)據(jù)解碼。前導(dǎo)序列檢測到16個‘0’+‘010111’后開始儲存實際數(shù)據(jù)，如果幀頭有誤或者在解碼過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)違反編碼規(guī)則，則給ARM連接引腳“ERROR”傳一個高電平。Miller解碼波形如圖8所示。
5 測試結(jié)果
    閱讀器連接計算機的后臺應(yīng)用程序即可讀寫標(biāo)簽，測試結(jié)果如圖9所示，閱讀器頻譜如圖10所示。

    根據(jù)IS018000-6C標(biāo)準(zhǔn)，采用LPC2148、EP1C3T100C6以及射頻相關(guān)芯片，完成了閱讀器的設(shè)計。該閱讀器經(jīng)測試工作正常，既可以單獨工作也可以在PC的控制下工作，使用方便。
參考文獻(xiàn)
[1] International Standards Organization of International Electro-technical Commission．ISO/IEC l8000，information technology-radio frequency identification for item management-Part 6：parameters for air interface communicaitions at 860 MHz to  960 MHz，amendment l：extension with Ty,pe C and
update of types A and B[S].Geneva：ISO，2006．
[2] 李勇明，曾孝平．高頻PCB 設(shè)計過程中的電源噪聲的分析及對策[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2004，27(7)：72-74.
[3] 武岳山．阻抗匹配的種類及其在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，20：21-23．
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