基于 Intel R1000 的超高頻 RFID 讀寫器設(shè)計(jì)

0 引 言

RFID技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，通過無線射頻的方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)通常主要由電子標(biāo)簽、讀寫器、天線3部分組成。讀寫器對電子標(biāo)簽進(jìn)行操作，并將所獲得的電子標(biāo)簽信息反饋給PC機(jī)。射頻識別技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，逐漸被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通運(yùn)輸、防偽、跟蹤及軍事等方面。按工作頻段不同，RFID系統(tǒng)可以分為低頻、高頻、超高頻和微波等幾類。目前，大多數(shù)RFID系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng)，但超高頻頻段的RFID系統(tǒng)具有操作距離遠(yuǎn)，通信速度快，成本低，尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，更適合未來物流、供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管目前，RFID超高頻技術(shù)的發(fā)展已比較成熟，也已經(jīng)有了一些標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽的價格也有所下降；但RFID超高頻讀寫器卻有變得更大，更復(fù)雜和更昂貴的趨勢，其消耗能量將更多，制造元件達(dá)數(shù)百個之多。然而，這里的設(shè)計(jì)采用高度集成的R1000，可以解決上述問題，既可降低芯片設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，又能使制造商制造出體積更小，更有創(chuàng)新性的讀寫器，從而開拓新的RFID應(yīng)用領(lǐng)域。

1 讀寫器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)選用W78E465作為主控模塊，IntelR1000收發(fā)器作為射頻模塊。該設(shè)計(jì)可以作為手持終端，并用RS 232串行通信模塊和電平轉(zhuǎn)換接口MAX232與上位機(jī)相連。系統(tǒng)硬件原理見圖1。

1．1 主控模塊

W78E365是具有帶ISP功能的FLASH EPROM的低功耗8位微控制器，可用于固件升級。它的指令集與標(biāo)準(zhǔn)8052指令集完全兼容。W78E365包含64 KB的主ROM，4 KB的輔助FLASH EPROM，256 B片內(nèi)RAM；4個8位雙向、可位尋址的I／0口；一個附加的4位I／O口P4；3個16位定時／計(jì)數(shù)器及1個串行口。這些外圍設(shè)備都由有9個中斷源和4級中斷能力的中斷系統(tǒng)支持。為了方便用戶進(jìn)行編程和驗(yàn)證，W78E365內(nèi)含的ROM允許電編程和電讀寫。一旦代碼確定后，用戶就可以對代碼進(jìn)行保護(hù)。

W78E365內(nèi)部ROM僅64 KB，內(nèi)存太小，故采用AT29C256作為外擴(kuò)ROM。線路連接見圖2。

1．2 收發(fā)模塊

射頻模塊采用Intel R1000收發(fā)器。R1000內(nèi)包含了一個能源擴(kuò)大器，使得它可以在近距離或者2 m內(nèi)對標(biāo)簽進(jìn)行編碼和閱讀，而具體距離由讀寫器所使用的天線決定。有了額外的外部能源擴(kuò)大器，使用R1000讀寫器的讀寫范圍可以達(dá)到10 m。R1000必須與單獨(dú)的微處理器連接，這個微處理器可以把由R1000數(shù)字信息處理器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成EPc或者18000-6c格式的代碼，其工作頻率為860～960 MHz，共有56個引腳，采用0．18μmSiGe BiCMOs先進(jìn)工藝，體積僅為8 mm×8 mm，功耗只有1．5 w左右，具有很高的集成度。

R1000與W78E365的連接見圖3。射頻信號經(jīng)天線進(jìn)入電橋，輸出信號被分為兩路，一路信號經(jīng)過帶通濾波器和不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進(jìn)入R1000的射頻輸入口。另一路信號經(jīng)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進(jìn)人R1000的本振輸入口。這兩路信號在R1000內(nèi)部經(jīng)過解調(diào)和模／數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列操作后，將所得的數(shù)字信息送給W78E365。W78E365對收到的信號經(jīng)解碼和校驗(yàn)，將所得信息送往上位機(jī)，并將其對R1000的命令編碼和加密后發(fā)送給R1000。這些命令在R1000內(nèi)部經(jīng)過調(diào)制和PA，再經(jīng)過平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換和濾波，由天線發(fā)射出去。數(shù)字模塊中的時鐘驅(qū)動來自于外部TCXO產(chǎn)生的24 MHz參考頻率。系統(tǒng)中通過∑-△DACS的信號頻率為24 MHz；通過∑-△ADCS的信號頻率為48 MHz。

R1000內(nèi)部集成了接收器和發(fā)射器。實(shí)質(zhì)上，接收器是一個零中頻接收機(jī)。下變頻后，直流的大部分被復(fù)位，由交流耦合電容器濾除。模擬中頻濾波器提供粗略的頻道選擇。它具有可編程帶寬滿足大范圍的數(shù)字通過率。該濾波器可以配置成兩個實(shí)際的低通濾波器，也可以配置成復(fù)雜的單相帶通濾波器。經(jīng)濾波后，I，Q信號被數(shù)／模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。濾波器中自動中頻增益的升高會降低模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍。

R1000中，發(fā)射器支持同相正交矢量調(diào)制和極化調(diào)制。前者，用于SSB-ASK調(diào)制和反相幅移鍵控調(diào)制；后者，用于DSB-ASK。在這兩種調(diào)制方式下，數(shù)字模塊產(chǎn)生的信號，經(jīng)過∑一△數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和重建濾波器轉(zhuǎn)換成模擬信號。

在SSB-ASK調(diào)制方式下，基帶編碼信號經(jīng)希爾伯特濾波器產(chǎn)生復(fù)合的同相信號I和正交信號Q，經(jīng)∑-△數(shù)／模轉(zhuǎn)換器將I，Q數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，進(jìn)入模擬模塊，該模擬信號經(jīng)天線發(fā)射出去。在PR-ASK調(diào)制方式下，用混頻器將信號反相彌補(bǔ)AM部分的時延，反相時延控制有一個可編程時延，使極化調(diào)制的相位與幅度之問的時間錯誤趨于最小值。在DSB-ASK調(diào)制方式下，基帶編碼和脈沖信號同樣也經(jīng)過希爾伯特濾波器產(chǎn)生一個復(fù)合的I，Q信號。所不同的是脈沖成型信號預(yù)先進(jìn)行了扭曲，這樣可以補(bǔ)償調(diào)幅傳遞函數(shù)中的非線性。這個經(jīng)過預(yù)先扭曲的調(diào)幅控制信號經(jīng)過∑-△數(shù)／模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，最后通過天線發(fā)射出去。

基于功率要求和調(diào)制方式的不同，R1000有全功率非線性，低功率非線性和線性3種發(fā)射模式。在DSB-ASK調(diào)制模式下。R1000采用全功率非線性發(fā)射模式。為了發(fā)射R1000允許的天線上最大發(fā)射功率值為+30 dBm，需在R1000外部接1個PA。采用class—C極化調(diào)制能夠提高系統(tǒng)的功率效率。在這種發(fā)射方式下，只有在DSB—ASK調(diào)制方式才有效。低功率非線性發(fā)射模式與全功率非線性發(fā)射模式相似，只是外部不再需要PA。相反，只使用內(nèi)部較低的輸出功率，在這種發(fā)射方式下只有DSB—ASK調(diào)制方式有效。在線性發(fā)射模式下，R1000的PA—out信號與外部線性PA相連，這是因?yàn)镾SB—ASK調(diào)制方式要求1個線性的PA。需要指出的是在R1000外部接1個PA時，會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，但同時放大了傳輸信號的功率，使信號傳輸距離更遠(yuǎn)，提高了讀寫器的讀寫距離。

1．3 天線

對Intel R1000超高頻收發(fā)器，基于不同的天線子系統(tǒng)，天線有兩種配置情況。第一種情況是單天線模式。在這種情況下，用一個回路來隔離發(fā)射路徑和接收路徑，每根天線都具備接收器和發(fā)射器的功能。第二種情況是雙天線模式。同樣用分離的天線將接收器和發(fā)射器連接起來，通常情況下，兩根獨(dú)立的天線由一個開關(guān)控制，每根天線僅具備接收器功能或發(fā)射器功能。

對單天線模式，因天線的反射系數(shù)并不理想，所以接收增益不能太大，會有飽和的問題。以R1000的高接收靈敏度，可以搭配-10 dB左右的Coupler，視整體線路的隔離而定；對于雙天線模式，天線的收發(fā)隔離比較理想，接收路徑可以使用高增益。

該設(shè)計(jì)采用雙天線模式，用矩形微帶天線和同軸電纜構(gòu)成讀寫器的天線。該微帶天線的基板材料采用介電常數(shù)比較高的陶瓷基片，厚0．635 mm。天線寬為70．5 mm，長為52．689 mm，微帶線寬度為0．598 mm，饋電點(diǎn)選取在天線寬邊中心。經(jīng)過ADS仿真，該天線中心頻率為915 MHz。為減小天線反射系數(shù)，達(dá)到較理想的匹配，對天線串聯(lián)一根長度為18．471 mm，阻值為50Ω的傳輸線，然后再并聯(lián)一根長度為24．678 mm，阻值為50Ω的傳輸線。經(jīng)ADS仿真優(yōu)化得知，在中心頻率915 MHz處，天線最大輻射方向上的方向性系數(shù)為3．535；效率為40．087％；增益為1．417。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2．1 主程序

若系統(tǒng)在PC機(jī)的監(jiān)控下工作，則系統(tǒng)與PC機(jī)之間是主從通信模式。系統(tǒng)收到Pc機(jī)的命令便進(jìn)入初始化狀態(tài)，按照主控程序進(jìn)行相應(yīng)的工作。處理完畢后，將所得信息送往PC機(jī)。主程序流程見圖4。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用曼徹斯特編碼方式，用2位二進(jìn)制數(shù)來表示一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息。編碼波形的上升沿用01來表示，對應(yīng)數(shù)據(jù)信息0；下降沿用10來表示，對應(yīng)數(shù)據(jù)信息1。首先，對w78E365進(jìn)行初始化，使計(jì)數(shù)器TO工作在16位定時器工作模式下；T1工作在計(jì)時器工作模式下，對T0，T1賦初值，使：
TLO／1=(最大計(jì)時次數(shù)一要計(jì)數(shù)次數(shù))％256
THO／1=(最大計(jì)時次數(shù)一要計(jì)數(shù)次數(shù))／256

然后，設(shè)同步脈沖定時值為一位半碼寬，將有效數(shù)據(jù)編碼采用半位碼寬定時。接著啟動定時器T0，檢測同步沿的到來。若檢測不到同步沿的到來，則繼續(xù)檢測；若檢測到同步沿的到來，則開始讀端口狀態(tài)，并啟動計(jì)時器T1。當(dāng)檢測到下一跳變沿到來時，使計(jì)數(shù)器數(shù)目加1，且將對應(yīng)端口數(shù)字1編碼為10，對應(yīng)端口數(shù)字0編碼為01。之后進(jìn)入下一輪循環(huán)，直至計(jì)數(shù)器數(shù)目達(dá)到碼長為止。按照上面操作就可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼。同理，在進(jìn)行解碼時只要按照相反的逆操作進(jìn)行即可。

多字節(jié)CRC校驗(yàn)的方法一般是移位法。這種方法執(zhí)行起來速度較慢，但是其需要的空間??；另一種方法是查表法，即預(yù)先把多字節(jié)可能產(chǎn)生的余式計(jì)算出來組成一個余式表，直接查表而不進(jìn)行二進(jìn)制的除法。這是一種快速的方法，但是需要很大的空間。用標(biāo)準(zhǔn)CRC一16進(jìn)行校驗(yàn)，則需要至少1～2 KB，對于MCU來說是很不利的，故選擇前者。

該設(shè)計(jì)采用流密碼加密算法，將明文M分割成字符串和比特串M=m0，m1，…，mj,…，并逐位加密：EK(m)=Ek0(m0)，Ekl(m1)，…，Ekj(mj)，…，其中密鑰流是K=k0，k1，…，kj…。對明文加密就是將K和M對應(yīng)的分量分別進(jìn)行模2相加，得到密文序列C。在接收端，合法的接收者將密文序列C與上述密鑰序列進(jìn)行簡單的模2相加，將原來的明文恢復(fù)出來。序列密碼使用一個比特流發(fā)生器，以產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字流，稱為密碼比特流。密碼比特流直接作為密鑰使用，而且其長度與明文報文的長度相等?？紤]到比特流發(fā)生器不是真正隨機(jī)的實(shí)際情況，流密鑰生成器用線性反饋移位寄存器構(gòu)造。

2．3 防碰撞程序

該設(shè)計(jì)采用非基于位碰撞的二進(jìn)制算法來實(shí)現(xiàn)防碰撞。防碰撞流程如圖5所示。

具體流程如下：
(1)發(fā)送Request命令給應(yīng)答器；
(2)發(fā)送Group-select命令和Ungroup-select命令給所有應(yīng)答器，使所有或部分應(yīng)答器參與沖突判斷過程：
①若有沖突，讀寫器發(fā)送．Fail命令給選定應(yīng)答器，直到?jīng)]有沖突；
②若沒有沖突，讀寫器發(fā)送Select命令給應(yīng)答器， 選定該應(yīng)答器。
(3)發(fā)送Data-Read命令給選定的應(yīng)答器：
①若正確接到應(yīng)答器反饋的信息，讀寫器發(fā)送Success命令給選定應(yīng)答器；
②若未正確接收到應(yīng)答器反饋的信息，發(fā)送一定次數(shù)Resend命令給選定應(yīng)答器。超過該次數(shù)則認(rèn)為有沖突，進(jìn)入步驟(2)的①。
(3)當(dāng)讀寫器讀寫信息成功后，讀寫器對選定應(yīng)答器發(fā)送Unselect命令，使應(yīng)答器進(jìn)入完全非激活的狀態(tài)，不再應(yīng)答讀寫器發(fā)送的命令。
為了重新活化應(yīng)答器，必須暫時離開讀寫器的作用范圍，以實(shí)行復(fù)位。通過以上程序就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的防沖突功能。

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)在Modelsire 6．1中進(jìn)行功能和時序仿真，并通過Altera QuartusⅡ6．0的Stratix EPl SlOF484C5器件綜合。結(jié)果表明，該算法使用的寄存器為347，比基于位碰撞的算法使用的寄存器數(shù)少得多，節(jié)省了硬件資源。最大讀寫標(biāo)簽數(shù)為3 595，讀寫速度可達(dá)每秒1 000個標(biāo)簽，防碰撞算法效率接近50％，比傳統(tǒng)算法具有更高的TDMA信號利用率及平均識別效率。支持SSB-ASK和DSB-ASK雙重調(diào)制方式，具備單、雙天線模式，體積小，集成度高，可作為手持終端，且能夠在各種環(huán)境下即插即用。