一卡通解決方案-基于IntelR1000的超高頻RFID讀寫器設(shè)計(jì)

一卡通解決方案——基于Int超高頻 讀寫器設(shè)計(jì)關(guān)鍵字：讀寫器超高頻 天線摘 要：設(shè)計(jì)并提出一種超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)讀寫器設(shè)計(jì)的新方案。該讀寫器采用 收發(fā)器芯片、微控器符合 一和標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為~ ,讀寫距離在~之間。同時(shí)給出讀寫器硬件系統(tǒng)的組成和軟件工作流程，并針對(duì)同時(shí)讀取多張卡的情況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了防沖突算法。該讀寫器支持一和 雙重調(diào)制方式，可根據(jù)需要改變使用天線的單、雙模式。0引言技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)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(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。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(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行操作，并將所獲得的電子標(biāo)簽信息反饋給機(jī)。射頻識(shí)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，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) 系統(tǒng)為低頻和高頻系統(tǒng)，但超高頻頻段的 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， 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(jià)格也有所下降；但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(gè)之多。然而，這里的設(shè)計(jì)采用高度集成的 ，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 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 作為主控模塊，收發(fā)器作為射頻模塊。該設(shè)計(jì)可以作為手持終端，并用串行通信模塊和電平轉(zhuǎn)換接口 與上位機(jī)相連。系統(tǒng)硬件原理見圖1。1．1主控模塊是具有帶 功能的的低功耗8位微控制器，可用于固件升級(jí)。它的指令集與標(biāo)準(zhǔn) 指令集完全兼容。 包含的主的輔助 ，片內(nèi)；個(gè)位雙向、可位尋址的/口；一個(gè)附加的位/口；個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器及1個(gè)串行口。這些外圍設(shè)備都由有9個(gè)中斷源和4級(jí)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， 內(nèi)含的 允許電編程和電讀寫。一旦代碼確定后，用戶就可以對(duì)代碼進(jìn)行保護(hù)。內(nèi)部僅 ，內(nèi)存太小，故采用作為外擴(kuò) M線路連接見圖。

1JI-H.IDDLDni1JI-H.IDDLDniDb2DD3Uk-IDDIni<iDH5DUnDHhDFn?.'LJH/DD7AD12 WE ■r：A1.2 A14A4> A.13AL ABA2 A?AJ A111 1A'CCAE4AIMahiA53Al>?AD2Ml、：AD3A□呂A;J1.；ad/li.MAFMADSAD5PS-\八口$我心門ALHC-AD7A157ARIW口R7DU6IJH*.?1”D'J D6D1 DiUZ JMEND DJAT29C156rm-iijhS行「2口口」「圖2 Jr維連接示意法收發(fā)模塊射頻模塊采用收發(fā)器。內(nèi)包含了一個(gè)能源擴(kuò)大器，使得它可以在近距離或者內(nèi)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行編碼和閱讀，而具體距離由讀寫器所使用的天線決定。有了額外的外部能源擴(kuò)大器使用讀寫器的讀寫范圍可以達(dá)到。 必須與單獨(dú)的微處理器連接，這個(gè)微處理器可以把由 數(shù)字信息處理器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成或者 格式的代碼，其工作頻率為?,共有個(gè)引腳，采用.M先進(jìn)工藝，體積僅為 x,功耗只有.左右，具有很高的集成度。與 的連接見圖。射頻信號(hào)經(jīng)天線進(jìn)入電橋，輸出信號(hào)被分為兩路，一路信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器和不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進(jìn)入的射頻輸入口。另一路信號(hào)經(jīng)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換進(jìn)入的本振輸入口。這兩路信號(hào)在內(nèi)部經(jīng)過解調(diào)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列操作后，將所得的數(shù)字信息送給 3 對(duì)收到的信號(hào)經(jīng)解碼和校驗(yàn)，將所得信息送往上位機(jī)，并將其對(duì)的命令編碼和加密后發(fā)送給 。這些命令在內(nèi)部經(jīng)過調(diào)制和 ，再經(jīng)過平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換和濾波，由天線發(fā)射出去。數(shù)字模塊中的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)來自于外部 產(chǎn)生的 參考頻率。系統(tǒng)中通過2△ 的信號(hào)頻率為 ；通過，△ 的信號(hào)頻率為 M4Z<—MVI『：o-TlarM一旦hM耳""|鳥百.,?二.NK.5一：二I.工--LTe.JJ.frhyzk-7-y-s<U.-,?E?Fr.Jr1士一Lm//-7XL上4Z<—MVI『：o-TlarM一旦hM耳""|鳥百.,?二.NK.5一：二I.工--LTe.JJ.frhyzk-7-y-s<U.-,?E?Fr.Jr1士一Lm//-7XL上巴：又［匚相?AII>T-II.CM'IC-I-I-SIJy.il-is30：tit/Ui；,l!二UiyT「打-rr^Ty.pT5nlirtV.IJ小rJJUsKJJlkH--a-1■■?￡HIl=i:p!<:1.Hp.⑶歸JtXDIhC：KCM；LI-"iri$nVDDT"J上;"--*.7MP一■=￥3￡LT.II-DT.7.rFTr力受一二?二:>7>.|1mJaAm-iJ.±x?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(gè)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(gè)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，，信號(hào)被數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。濾波器中自動(dòng)中頻增益的升高會(huì)降低模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。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 調(diào)制和反相幅移鍵控調(diào)制；后者，用于A在這兩種調(diào)制方式下，數(shù)字模塊產(chǎn)生的信號(hào)，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(hào)。在 調(diào)制方式下，基帶編碼信號(hào)經(jīng)希爾伯特濾波器產(chǎn)生復(fù)合的同相信號(hào)和正交信號(hào)經(jīng)2△數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，進(jìn)入模擬模塊，該模擬信號(hào)經(jīng)天線發(fā)射出去。在 調(diào)制方式下，用混頻器將信號(hào)反相彌補(bǔ) 部分的時(shí)延，反相時(shí)延控制有一個(gè)可編程時(shí)延，使極化調(diào)制的相位與幅度之問的時(shí)間錯(cuò)誤趨于最小值。在 調(diào)制方式下，基帶編碼和脈沖信號(hào)同樣也經(jīng)過希爾伯特濾波器產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合的，信號(hào)。所不同的是脈沖成型信號(hào)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(gè)經(jīng)過預(yù)先扭曲的調(diào)幅控制信號(hào)經(jīng)過2-△數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最后通過天線發(fā)射出去?；诠β室蠛驼{(diào)制方式的不同，有全功率非線性，低功率非線性和線性種發(fā)射模式。在調(diào)制模式下。采用全功率非線性發(fā)射模式。為了發(fā)射允許的天線上最大發(fā)射功率值為 ，需在外部接個(gè)。采用一極化調(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 —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A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—調(diào)制方式有效。在線性發(fā)射模式下，的一信號(hào)與外部線性相連這是因?yàn)橐徽{(diào)制方式要求個(gè)線性的A需要指出的是在外部接個(gè)時(shí)，會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，但同時(shí)放大了傳輸信號(hào)的功率，使信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)，提高了讀寫器的讀寫距離。1．3天線對(duì) 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(gè)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(gè)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(duì)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(huì)有飽和的問題。以 的高接收靈敏度，可以搭配 左右的 ，視整體線路的隔離而定；對(duì)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.。天線寬為.，長為.，微帶線寬度為.，饋電點(diǎn)選取在天線寬邊中心。經(jīng)過仿真，該天線中心頻率為z為減小天線反射系數(shù)，達(dá)到較理想的匹配，對(duì)天線串聯(lián)一根長度為.，阻值為0的傳輸線，然后再并聯(lián)一根長度為.，阻值為0的傳輸線。經(jīng)仿真優(yōu)化得知，在中心頻率處，天線最大輻射方向上的方向性系數(shù)為3．53；5效率為40．08％7；增益為1．41。7系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2．1主程序若系統(tǒng)在機(jī)的監(jiān)控下工作，則系統(tǒng)與機(jī)之間是主從通信模式。系統(tǒng)收到機(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，將所得信息送往機(jī)。主程序流程見圖。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(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息0；下降沿用10來表示，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息1。首先，對(duì) 進(jìn)行初始化，使計(jì)數(shù)器 工作在位定時(shí)器工作模式下； 工作在計(jì)時(shí)器工作模式下，對(duì)，賦初值，使：/ 最大計(jì)時(shí)次數(shù)一要計(jì)數(shù)次數(shù)%/最大計(jì)時(shí)次數(shù)一要計(jì)數(shù)次數(shù)/然后，設(shè)同步脈沖定時(shí)值為一位半碼寬，將有效數(shù)據(jù)編碼采用半位碼寬定時(shí)。接著啟動(dòng)定時(shí)器，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(dòng)計(jì)時(shí)器1當(dāng)檢測到下一跳變沿到來時(shí)，使計(jì)數(shù)器數(shù)目加1，且將對(duì)應(yīng)端口數(shù)字1編碼為10，對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)的編碼。同理，在進(jìn)行解碼時(shí)只要按照相反的逆操作進(jìn)行即可。多字節(jié)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(gè)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)一進(jìn)行校驗(yàn)，則需要至少?，對(duì)于來說是很不利的，故選擇前者。該設(shè)計(jì)采用流密碼加密算法，將明文分割成字符串和比特串，，…，…，并逐位加密：， ，…， ，…，其中密鑰流是，，…，…。對(duì)明文加密就是將和對(duì)應(yīng)的分量分別進(jìn)行模相加，得到密文序列。在接收端，合法的接收者將密文序列與上述密鑰序列進(jìn)行簡單的模相加，將原來的明文恢復(fù)出來。序列密碼使用一個(gè)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(bào)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：發(fā)送 命令給應(yīng)答器;命令發(fā)送 命令和命令給所有應(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. 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 命令給應(yīng)答器，選定該應(yīng)答器。發(fā)送 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) 命令給選定應(yīng)答器。超過該次數(shù)則認(rèn)為有沖突，進(jìn)入步驟的①。（3當(dāng)）讀寫器讀寫信息成功后，讀寫器對(duì)選定應(yīng)答器發(fā)送 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