超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器設(shè)計(jì)

1、第28卷第3期2005年9月電子器件Chinese Journal of Electro n DevicesVo l.28No.3Sep.2005Design of UHF RFID InterrogatorZH A NG X iao-p eng1,2,ZH U Yun-long1,L UO H ai-bo11.S heny ang Institute o f Au tomation,Chinese A cad emy o f S ciences,S henyang110016,China;2.G radu ate S chool of the Chine se A cad emy o f S

2、 ciences,B eij ing100039,ChinaAbstract:UH F RFID system is becom ing more w idespread due to its advantag e,such as fast read-w rite speed,large m em ory,long recog nition distance and simultaneous read-w rite multi-tag.This paper intro-duces the characteristic and structure and principle and r ead-

3、wr ite method of an UHF RFID tag accorded w ith ISO18000-6Standard,and presents the solution of its interr ogator,ex patiates hardw are design of in-terro gator and flow of softw are prog ram.Its has m er its of fast read-w rite speed(single tag64bit/6ms and hig h reco gnition rate,and long recog ni

4、tion distance(4mprove out as a result of practical applica-tio n.Keywords:RFID;tag;interrog ato r;UHFEEACC:7210超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器設(shè)計(jì)張曉鵬1,2,朱云龍1,羅海波1(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,沈陽110016;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100039摘要:超高頻射頻識別系統(tǒng)具有讀寫速度快、存儲容量大、識別距離遠(yuǎn)和同時讀寫多個標(biāo)簽等特點(diǎn),已經(jīng)在物流等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。介紹了符合I SO18000-6標(biāo)準(zhǔn)的超高頻R FID電子標(biāo)簽主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、工作原理及讀寫方法,提

5、出了相應(yīng)讀寫器的解決方案,重點(diǎn)闡述了讀寫器的硬件設(shè)計(jì)及軟件程序流程。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明該讀寫器讀寫速度快(單個標(biāo)簽64bit/6ms、識別率高,識別距離遠(yuǎn)(4m。關(guān)鍵詞:射頻識別;標(biāo)簽;讀寫器;超高頻中圖分類號:TM931文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1005-9490(200503-0542-04射頻識別(RFID,Radio Frequency Identifica-tio n技術(shù)是一種新興的自動識別技術(shù)。它是利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信,以達(dá)到目標(biāo)識別并交換數(shù)據(jù)的目的。可用來跟蹤和管理幾乎所有的物理對象,在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運(yùn)輸控制管理、防偽及軍事等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景

6、。按照工作頻段的不同,RFID系統(tǒng)還可以分為低頻(135kHz以下、高頻(13.56M Hz、超高頻(860960MHz和微波(2.4GHz以上等幾類12。目前大多數(shù)RFID系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng),但超高頻(U HF頻段的RFID系統(tǒng)具有操作距離遠(yuǎn)、通訊速度快、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,也為實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”提供了可能。因此超高頻RFID系統(tǒng)的發(fā)展是當(dāng)前RFID系統(tǒng)收稿日期:2005-01-30基金項(xiàng)目:中科院先進(jìn)制造基地創(chuàng)新項(xiàng)目(F040210作者簡介:張曉鵬(1979-,女,碩士研究,研究方向?yàn)镽FI D軟硬件系統(tǒng)及其應(yīng)用,zhang xp;朱云龍(1967-,男,

7、研究員,博士生導(dǎo)師,中科院沈陽自動化研究所先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任,主要研究方向?yàn)镃IM S、分布式智能技術(shù)、協(xié)同制造理論與方法以及SCM/ERP/CRM系統(tǒng)管理軟件的開發(fā)等;羅海波(1967-,男,研究員,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R別與圖像處理、DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)時信號處理系統(tǒng)。發(fā)展的重點(diǎn)。本文介紹了符合ISO 18000-6標(biāo)準(zhǔn)的超高頻RFID 電子標(biāo)簽主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、工作原理及讀寫方法,提出了相應(yīng)讀寫器的解決方案,重點(diǎn)闡述了讀寫器的硬件設(shè)計(jì)及軟件程序流程。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明該讀寫器具有以下特點(diǎn):讀寫速度快(單個標(biāo)簽64bit /6ms、識別率高,識別距離遠(yuǎn)(4m 。1標(biāo)簽工作原理及特性

8、1.1工作原理RFID 系統(tǒng)一般由讀寫器和標(biāo)簽(或稱應(yīng)答器、電子標(biāo)簽、智能標(biāo)簽及天線組成。本文采用某公司的U CODE H SL 標(biāo)簽,符合ISO 18000-4與ISO 18000-6標(biāo)準(zhǔn),本身無電源,靠讀寫器的射頻場獲得能源,采用負(fù)載調(diào)制方式,工作頻段為U HF 或2.45GHz 。工作原理如圖1所示。PC 機(jī)通過RS232接口遠(yuǎn)程控制讀寫器。讀寫器接到命令后,通過天線發(fā)送射頻命令實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽的操作,同時接收標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)。標(biāo)簽靠其偶極子天線獲得能量,并由芯片(IC 控制接收、 發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1工作原理1.2IC 結(jié)構(gòu)標(biāo)簽IC 主要由模擬、數(shù)據(jù)處理及EEPROM 三個模塊構(gòu)成,如圖2 所示。圖

9、2標(biāo)簽IC 結(jié)構(gòu)模擬RF 接口模塊為IC 提供穩(wěn)定電壓,并將獲得的數(shù)據(jù)解調(diào)后供數(shù)據(jù)模塊處理,同時將數(shù)據(jù)調(diào)制后返回給讀寫器。數(shù)字處理模塊包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)、讀寫協(xié)議執(zhí)行、與EEPROM 的數(shù)據(jù)交換處理等功能。1.3存儲特性標(biāo)簽內(nèi)置2048bit 的EEPROM ,分成64塊(block ,每塊32bit 。其中8byte 為ID 存儲空間,216byte 為用戶存儲空間。每字節(jié)都有相應(yīng)的鎖定位,該位被置“1”就不能再被改變?？梢酝ㄟ^LOCK 命令將其鎖定,通過Query lock (查詢鎖定命令讀取鎖定位的狀態(tài),鎖定位不允許被復(fù)位。Byte 07被鎖定,為標(biāo)簽的標(biāo)識碼(Unique ID。64bit

10、 U ID 包含50bit 的獨(dú)立的串號,12bit 的邊界碼和一個兩位的校驗(yàn)碼。By te 8219是未鎖定空間,供用戶使用。Byte 220223也是未鎖定的,作為寫操作完畢的標(biāo)志bit 或者用戶空間。2標(biāo)簽的讀寫2.1命令格式2.1.1讀寫器的命令格式讀寫器的命令格式如下:幀頭探測段幀頭開始符命令地址字節(jié)掩碼數(shù)據(jù)CRC幀頭探測段是一個至少持續(xù)400 s 的穩(wěn)定無調(diào)制載波(相當(dāng)于16bit 數(shù)據(jù)的傳輸;幀頭是9bit 的NRZ 格式的manchester “O ”,即:010101010101010101;開始符是用來標(biāo)記有效數(shù)據(jù),原返回率采用5位的開始符(1100111010,4倍返回率

11、采用開始符(11011100101;CRC 采用16bit 的CRC 編碼。2.1.2標(biāo)簽的應(yīng)答格式標(biāo)簽的應(yīng)答格式如下:靜默(Quiet返回幀頭數(shù)據(jù)C RC靜默是標(biāo)簽持續(xù)2byte 的無反向散射(40kb/s的速率下相當(dāng)于400 s 的持續(xù)時間;返回幀頭是:“00000101010101010101000110110001”;CRC 采用16bit 的CRC 編碼。2.2防沖突機(jī)制充電后的IC 有三種主要數(shù)字狀態(tài):準(zhǔn)備(READY ,初始狀態(tài);識別(ID ,標(biāo)簽期望讀寫器識別的狀態(tài);數(shù)據(jù)交換(DAT E EXCHANGE,標(biāo)簽已被識別狀態(tài)。圖3狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖首先,標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的射頻場,從無電狀態(tài)

12、進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。讀寫器通過“組選擇”和“取消選擇”命令來選擇工作范圍內(nèi)處于準(zhǔn)備狀態(tài)中所有或者部分的標(biāo)簽,來參與沖突判斷過程。為解決沖突判斷問題,標(biāo)簽內(nèi)部有兩個裝置:一個8bit 的計(jì)數(shù)器;一個0或1的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。標(biāo)簽進(jìn)入ID 狀態(tài)的同時把它的內(nèi)部計(jì)數(shù)器清“0”。它們中的一部分可以通過接543第3期張曉鵬,朱云龍等:超高頻射頻識別系統(tǒng)讀寫器設(shè)計(jì)收“取消”命令重新回到準(zhǔn)備狀態(tài),其它處在識別狀態(tài)的標(biāo)簽進(jìn)入沖突判斷過程。被選中的標(biāo)簽開始進(jìn)行下面循環(huán):所有處于ID 狀態(tài)并且內(nèi)部計(jì)數(shù)器為0的標(biāo)簽將發(fā)送它們的U ID 。 如果多于一個的標(biāo)簽發(fā)送,讀寫器將發(fā)送失敗命令。 所有收到失敗命令且內(nèi)部計(jì)數(shù)器不等于0的

13、標(biāo)簽將其計(jì)數(shù)器加1。收到失敗命令且內(nèi)部計(jì)數(shù)器等于0的標(biāo)簽(剛剛發(fā)送過應(yīng)答的標(biāo)簽將產(chǎn)生一個“1”或“0”的隨機(jī)數(shù),如果是“1”,它將自己的計(jì)數(shù)器加1;如果是“0”,就保持計(jì)數(shù)器為0并且再次發(fā)送它們的UID 。 如果有一個以上的標(biāo)簽發(fā)送,將重復(fù)第2步操作; 如果所有標(biāo)簽都隨機(jī)選擇了“1”,則讀寫器收不到任何應(yīng)答,它將發(fā)送成功命令,所有應(yīng)答器的計(jì)數(shù)器減1,然后計(jì)數(shù)器等于0的應(yīng)答器開始發(fā)送,接著重復(fù)第2步操作; 如果只有一個標(biāo)簽發(fā)送并且它的UID 被正確接收,讀寫器將發(fā)送包含U ID 的數(shù)據(jù)讀命令,標(biāo)簽正確接收該條命令后將進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài),接著將發(fā)送它的數(shù)據(jù)。讀寫器將發(fā)送成功命令,使處于ID 狀態(tài)的標(biāo)

14、簽的計(jì)數(shù)器減1; 如果只有一個標(biāo)簽的計(jì)數(shù)器等于1并且返回應(yīng)答,則重復(fù)第5和第6步操作;如果有一個以上的標(biāo)簽返回應(yīng)答,則重復(fù)第2步操作; 如果只有一個標(biāo)簽返回應(yīng)答,并且它的U ID 沒有被正確接收,讀寫器將發(fā)送一個重發(fā)命令。如果U ID 被正確接收,則重復(fù)第5步操作。如果UID 被重復(fù)幾次的接收(這個次數(shù)可以基于系統(tǒng)所希望的錯誤處理標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定,就假定有一個以上的標(biāo)簽在應(yīng)答,重復(fù)第2步操作。3系統(tǒng)硬件構(gòu)成本系統(tǒng)選用W77E58單片機(jī)作為主控模塊,與發(fā)射模塊和接收模塊、串口通信模塊共同構(gòu)成射頻標(biāo)簽的讀寫系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理如圖1中讀寫器部分所示。3.1主控模塊主控模塊選擇WINBOND 公司的W 77

15、E 58,它是一款高速、高集成、增強(qiáng)型內(nèi)核為8051的高性能單片機(jī);內(nèi)置32kbit 可重復(fù)編程的Flash EPROM,1kbit 用M OV 指令訪問的內(nèi)部SRAM (節(jié)省了16條數(shù)據(jù)/地址I /O 口線,以及2個增強(qiáng)型全雙工串行口。使用W77E58的系統(tǒng)速度要比傳統(tǒng)51系列單片機(jī)快2.5倍左右。工作頻率為40M Hz 的W 77E 58相當(dāng)于100MHz 左右的8051。3.2發(fā)射模塊 發(fā)射模塊由射頻調(diào)制/發(fā)射芯片和功率放大芯片組成。其原理如圖4所示。調(diào)制/發(fā)射芯片選用M otor ola 公司的MC33493,它是由鎖相環(huán)調(diào)諧的U HF 頻段調(diào)制/發(fā)射芯片,采用OOK 或FSK 調(diào)制,

16、具有集成的VCO 、環(huán)路濾波器、可調(diào)的輸出功率,工作頻段可選擇315434或868928MHz 。工作頻段由BAND (3管腳控制、調(diào)制方式則由M ODE (14管腳設(shè)定。RFOUT (10管腳的輸出頻率f (out =f (Y 1×Ratio (PLL 3。圖4發(fā)射模塊本設(shè)計(jì)中BAND (3管腳置低電平,選用868928M Hz 的頻段;工作頻率設(shè)定在915M Hz,f (Y1=915M Hz/64=14.297M Hz;MODE (14管腳置低電平,采用OOK 調(diào)制方式;DATACLK(1、DATA (2、ENABLE (13管腳分別為時鐘、數(shù)據(jù)輸入和芯片工作開關(guān),由單片機(jī)來控制

17、5。為了提高系統(tǒng)的發(fā)射功率,本設(shè)計(jì)選用了RFM icr o Dev ice 公司的RF 2132功率放大芯片對M C 33493輸出的射頻信號進(jìn)行功率放大;RF 2132是一種高功率、高效率的線性放大器,具有29dBm 的線性輸出功率。3.3接收模塊接收模塊由射頻接收/解調(diào)芯片和信號放大芯片組成。原理如圖5所示。射頻接收/解調(diào)芯片選用M otor ola 公司的M C 33593,它是一種由鎖相環(huán)調(diào)諧的UHF 頻段低功率射頻接收/解調(diào)芯片,工作頻帶在868928M Hz,中頻帶寬為500kH z,采用OOK 或FSK 調(diào)制,由DM DAT (13管腳設(shè)定。具有集成的VCO 、環(huán)路濾波器4。本設(shè)

18、計(jì)中DM DAT (13管腳置低電平,采用OOK 調(diào)制。晶體振蕩器的頻率選擇與M C33493相同。系統(tǒng)時鐘(11、數(shù)據(jù)接口(15、16及輸入控制開關(guān)(14由單片機(jī)控制5。為了提高系統(tǒng)的接收靈敏度,本設(shè)計(jì)在天線和射頻接收/解調(diào)器之間增加了一套射頻信號放大電路,主要由RF 2173組成,其功能是用于對天線接收到的射544電子器件第28卷 圖5接收模塊頻信號進(jìn)行放大,以提高M(jìn)C33593輸入射頻信號的信號強(qiáng)度;RF2173具有最大32dB 的增益。3.4串口通信模塊讀寫器采用RS232接口與計(jì)算機(jī)通信,電平轉(zhuǎn)換芯片用ICL232。通過該接口計(jì)算機(jī)向讀寫器發(fā)送讀、寫標(biāo)簽等命令,讀寫器可把結(jié)果回送給計(jì)

19、算機(jī)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序由于系統(tǒng)在PC 機(jī)的監(jiān)控下工作,兩者之間為主從通信方式。主控模塊上電完成正常初始化過程后,便進(jìn)入等待狀態(tài),等PC 機(jī)發(fā)來指令。當(dāng)接收到PC 機(jī)指令后,轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的程序。處理完畢后執(zhí)行結(jié)果信息返回PC 機(jī)6。主程序框圖如圖6 所示。圖6接收模塊4.2防沖突程序在讀寫器天線所覆蓋的范圍之內(nèi)有多個標(biāo)簽存在時,讀寫器發(fā)送命令后,會引起響應(yīng)沖突,從而導(dǎo)致通信失敗。當(dāng)讀寫器檢測到?jīng)_突后,可使用命令來處理存在的沖突。通過發(fā)送命令可以記錄讀寫器天線覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽的 UID ,然后利用UID 的唯一性,讀寫器和各個標(biāo)簽分別建立獨(dú)立的通道進(jìn)行通信,從而消除沖突。讀寫器首先發(fā)送命令給標(biāo)簽,在命令的數(shù)據(jù)域和參數(shù)域中分別包含U ID 的掩碼和掩碼的長度,傳送給標(biāo)簽的掩碼要求是整字節(jié),如果此掩碼不是整字節(jié)的話將自動在高位補(bǔ)零。通過設(shè)置標(biāo)志域的相應(yīng)標(biāo)志位,讀寫器可以設(shè)置接收標(biāo)簽響應(yīng)的時隙為3或6,在各時隙中,讀寫器都可以接收標(biāo)簽返回的U ID,讀寫器通過發(fā)送結(jié)束信號的U ID 和當(dāng)前時隙序號的最低4bit 加命令數(shù)據(jù)域中的掩碼進(jìn)行