一種多模式的低頻RFID閱讀器設(shè)計(jì)方案

　　現(xiàn)有的單通道低頻RFID閱讀器在組成大規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)時非常不便，會使系統(tǒng)累贅、可靠性下降、成本增加。為了解決這些問題，有必要探討多通道低頻RFID閱讀器的設(shè)計(jì)方法。

　　1 閱讀器的組成

　　圖1為多通道多模式低頻RFID閱讀器的結(jié)構(gòu)框圖。閱讀器包含6個讀取通道，每個通道包含一個EM4095芯片，它們在同一個MCU的程序控制下工作。設(shè)計(jì)6個通道的目的是組成多種有效的工作模式，便于實(shí)際應(yīng)用。閱讀器每個通道的解碼均由MCU的程序控制完成，這樣可以大大地簡化硬件設(shè)計(jì)、降低成本。閱讀器通過CAN總線或RS485總線與上位機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接受工作模式的設(shè)定指令和其他的控制指令，上傳各通道讀取的標(biāo)簽信息和閱讀器本身的工作狀態(tài);同時也可構(gòu)成集散型系統(tǒng)，便于大規(guī)模應(yīng)用。

　　圖1 多通道多模式低頻RFID閱讀器的結(jié)構(gòu)框圖

　　2 EM4095芯片的用法

　　EM4095是瑞士EM Microelectronic公司的一款用于RFID閱讀器的專用芯片。圖2為EM4095的應(yīng)用原理圖。DEMOD_OUT引腳為AM解調(diào)信號的輸出端;MOD為調(diào)制控制端，低電平時沒有調(diào)制，高電平時100%調(diào)制;RDY/CLK輸出端具有多個功能指示作用，或作為發(fā)送已準(zhǔn)備好指示，或作為接收同步時鐘信號輸出指示。當(dāng)芯片內(nèi)部鎖相環(huán)工作建立，接收電路開始工作時，RDY/CLK端會輸出連續(xù)的與DEMOD_OUT端數(shù)據(jù)信號同步的時鐘信號;SHD為高電平時，EM4095進(jìn)入睡眠省電模式，RDY/CLK也被置為低電平。

　　圖2 EM4095的應(yīng)用原理圖

　　3 數(shù)據(jù)接收解碼方法

　　由于EM4095只是提供了產(chǎn)生載波與AM調(diào)制解調(diào)功能，因此閱讀器數(shù)據(jù)發(fā)送編碼與數(shù)據(jù)接收解碼須由MCU完成。通常125 kHz的RFID數(shù)據(jù)傳輸速率為2～3.2 kb/s。數(shù)據(jù)發(fā)送編碼相對簡單，只需要控制發(fā)送端口定時輸出指定的數(shù)據(jù)位就可以了。數(shù)據(jù)的接收解碼要復(fù)雜一些，下面以遵循ISO11784/11785標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議為例說明采用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)接收解碼的方法。

　　3.1 標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)幀的格式

　　圖3為RFID標(biāo)簽在收到閱讀器發(fā)送的電磁波信號后，返回的信息數(shù)據(jù)幀格式。根據(jù)ISO11785標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)幀(共128位)分為4個段，分別為幀頭段、標(biāo)識代碼段、CRC校驗(yàn)碼段以及準(zhǔn)備將來使用的擴(kuò)展預(yù)留段。幀頭段代碼為00 0000 0000 1，包含有10個“0”。為了防止出現(xiàn)與幀頭相同的代碼，所有后續(xù)碼段每8位數(shù)據(jù)插入1個控制位“1”。標(biāo)識代碼段內(nèi)的標(biāo)志位1為附加數(shù)據(jù)塊標(biāo)志，標(biāo)志位2為動物標(biāo)志。CRC校驗(yàn)碼段為CCITT 16位CRC校驗(yàn)碼。擴(kuò)展預(yù)留段現(xiàn)在還沒有使用，統(tǒng)一設(shè)為00000000 1 00000000 1 00000000 1，其中的“1”即控制位。

　　圖3 RFID標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)幀的格式

　　3.2 標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)的編碼

　　采用MCU進(jìn)行接收數(shù)據(jù)幀解碼的關(guān)鍵步驟是幀頭段的捕獲。圖4為RFID標(biāo)簽回饋給閱讀器的信息比特流的編碼方式。MCU檢測到EM4095芯片RDY/CLK引腳端產(chǎn)生時鐘信號時，進(jìn)入幀頭段的捕獲狀態(tài)。

　　圖4 標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)編碼方式[next]

　　圖5 輸入到MCU的幀頭段信號波形

　　3.3 標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)的程序控制解碼方法

　　考慮到數(shù)據(jù)的傳輸率不會大于3.2 kb/s，根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)調(diào)制編碼方式可知，信息數(shù)據(jù)輸出端口(如圖2的DEMOD_OUT引腳)的信號變化頻率不會大于6.4kHz。在硬件實(shí)現(xiàn)的異步串行通信解碼接口中，通常選擇采樣頻率為信號變化頻率的16倍、32倍或更高。在這里由MCU程序控制進(jìn)行串行數(shù)據(jù)解碼的方法是：對接收的編碼信號脈沖跳變的時間間隔進(jìn)行測量。由圖4的編碼方式(曼徹斯特編碼)可知，表示數(shù)碼0的時間間隔是表示數(shù)碼1的時間間隔的1/2，因此測得信號脈沖跳變的時間間隔，通過程序判斷比較就可解碼出數(shù)據(jù)0或1。要測量信號脈沖跳變的時間間隔就需要有參考時鐘信號，在這里，當(dāng)參考時鐘信號頻率為被測信號最高頻率的32倍時，其值為204.8 kHz。大多數(shù)MCU的定時器/計(jì)數(shù)器都能對這一頻率的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)測時。若采用LPC214x的定時器/計(jì)數(shù)器捕獲功能就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

　　將需要解碼的信號(圖2的DEMOD_OUT引腳輸出)接入到MCU定時器的捕獲端口，當(dāng)沒有接收信號時，接收端口保持為低電平。當(dāng)RFID閱讀器發(fā)送出閱讀命令后，接收程序準(zhǔn)備就緒，同時啟動定時器計(jì)數(shù)。一段延時后接收信號到來，輸入信號每次發(fā)生跳變時，捕獲定時器的計(jì)數(shù)值，讀取并保存。設(shè)第0次跳變的捕獲保存值為T0，第n次跳變的捕獲保存值為Tn，相鄰上次捕獲的保存值為Tn-1，從第1次跳變開始，計(jì)算差值△Tn：

　　△Tn=|Tn-Tn-1|(n≥1)

　　如果連續(xù)18次以上的差值△T相同(即△T1、～△T18相同)，則幀頭段捕獲成功?？紤]到接收信號放大檢波帶來的誤差以及MCU定時器/計(jì)數(shù)器存在有計(jì)數(shù)誤差，判定差值相同的依據(jù)為：

　　|△Tn-△Tn-1|≤2

　　式中，1≤n≤20，即相互之間的誤差不大于2。

　　差值的平均值為：

　　△T=(△T1+△T2+…+△TN)/N(18≤N≤20)。

　　△T為后續(xù)數(shù)據(jù)段解碼的檢測周期;如果后續(xù)碼段信號產(chǎn)生跳變的時間間隔等于平均值△T，則解碼為數(shù)據(jù)0;如果跳變的時間間隔值為平均值△T的2倍，則解碼為數(shù)據(jù)1。據(jù)此，就可以對接收的整個標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼。

　　4 閱讀器多通道、多模式的用法

　　閱讀器包含6個通道，可以根據(jù)應(yīng)用需要配置出幾種典型的工作模式，如6通道輪循工作模式、6通道同步工作模式等。6通道輪循工作模式可用于靜態(tài)(如倉儲、圖書館等)物品的監(jiān)管，其輪循的周期時長可根據(jù)要求設(shè)置;6通道同步工作模式，可用于每個通道所對應(yīng)的位置對系統(tǒng)時間響應(yīng)都有嚴(yán)格要求的場合;6通道獨(dú)立工作模式主要針對一些需求少于6通道的場合，它可以靈活地關(guān)閉或開啟其中任意幾個通道;雙3D工作模式，則是將6通道分成2組，每組3個通道監(jiān)測同一個位置，3個通道的天線波束指向分別為前后、左右、上下3個相互垂直的方向(3D)，確保進(jìn)入監(jiān)控位置的RFID標(biāo)簽不會因擺放方向的差異而出現(xiàn)漏讀。另外，這種模式可同時對2個位置進(jìn)行3D監(jiān)測，當(dāng)RFID標(biāo)簽分別通過這兩個被監(jiān)測的位置時，閱讀器能根據(jù)RFID標(biāo)簽信號出現(xiàn)的時間先后判斷出RFID標(biāo)簽移動的方向。

　　結(jié)語

　　設(shè)計(jì)的多通道、多模式低頻RFID閱讀器具有組態(tài)方式靈活、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，且閱讀器的多通道集中控制可以有效地降低通道之間的串?dāng)_。實(shí)際應(yīng)用表明，多通道、多模式低頻RFID閱讀器具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。