張素琴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

一種超高頻RFID閱讀器的設(shè)計(jì)

張素琴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

RFID是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于C8051F340單片機(jī)和射頻閱讀專(zhuān)用芯片AS3992的超高頻RFID閱讀器，給出了閱讀器的硬件電路和軟件系統(tǒng)方案，詳細(xì)提出了碰撞算法和標(biāo)簽掃描流程，對(duì)閱讀器進(jìn)行測(cè)試，并給出了具體測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案符合超高頻RFID閱讀器要求，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

RFID； AS3992； 標(biāo)簽掃描

0 引言

RFID(Radio frequency Identiifcation)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是使用專(zhuān)用的RFID閱讀器及專(zhuān)門(mén)的可附著于目標(biāo)物的RFID標(biāo)簽、利用超高頻率信號(hào)將RFID標(biāo)簽信息傳送至RFID閱讀器來(lái)獲得相關(guān)特征信息的一種非接觸式射頻識(shí)別技術(shù)[1]。RFID閱讀器部署在一定的場(chǎng)空間范圍內(nèi)，以發(fā)射電磁波的形式激活在范圍內(nèi)的標(biāo)簽，標(biāo)簽在得到能量激活后進(jìn)入仲裁狀態(tài)，接受閱讀器發(fā)出的指令，通過(guò)IS018000-6X空間協(xié)議實(shí)現(xiàn)閱讀器和標(biāo)簽間的通訊。RFID閱讀器的優(yōu)點(diǎn)在于不需要所見(jiàn)就可以讀出標(biāo)簽內(nèi)容，并且可以快速群讀，在物品經(jīng)過(guò)的地方可以不停止地大量快速閱讀和盤(pán)存，大大提高物品的檢測(cè)速度；還可以將閱讀器識(shí)別的標(biāo)簽信息傳送到主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)組網(wǎng)的形式進(jìn)行高效的資源管理。因此，RFID閱讀器廣泛應(yīng)用于物流管理、零售管理、制造行業(yè)、醫(yī)療管理等領(lǐng)域。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 芯片選擇

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上很多超高頻RFID閱讀器的射頻前端采用分立元件搭建，所兼容的協(xié)議需要通過(guò)控制器內(nèi)編程實(shí)現(xiàn)，通信端口則多采用串口方式，其制作方法復(fù)雜、穩(wěn)定性差且成本較高。本方案提出基于射頻收發(fā)芯片AS3992、工作于840～960 MHz頻段的超高頻RFID閱讀器的設(shè)計(jì)方案。該方案中采用的兩個(gè)主要芯片分別是控制器C8051F340單片機(jī)和AS3992閱讀專(zhuān)用芯片。

C8051F340是silicon labs的產(chǎn)品，它基于高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，有與8051兼容的微控制器內(nèi)核；片內(nèi)具有通用串行總線(xiàn)(USB)功能控制器；有8個(gè)靈活的端點(diǎn)管道，集成收發(fā)器和1K FIFO RAM；片內(nèi)集成多達(dá)64 KB的FLASH存儲(chǔ)器和多達(dá)4 352字節(jié)片內(nèi)RAM，可以實(shí)現(xiàn)最小系統(tǒng)，因此選擇C8051F340控制器作為一個(gè)USB接口的RFID閱讀器硬件平臺(tái)的主控芯片。

AS3992是AMS公司推出的一款集成模擬前端和后端并且能處理IS0180006C/6B協(xié)議的閱讀器芯片，工作頻率范圍為840～960 MHz，內(nèi)部集成完整的射頻信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)模塊、DRM濾波器和6C協(xié)議支持模塊等，接收靈敏度高達(dá)-86 dBm，提供SPI接口作為和主控處理器的接口，因此，采用該芯片可降低超高頻閱讀器的開(kāi)發(fā)難度和周期，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性?xún)r(jià)比。

1.2 硬件電路方案

硬件電路框圖如圖1所示：

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

C8051F340主控制器通過(guò)SPI接口控制AMS3992的動(dòng)作，以USB接口和上位機(jī)進(jìn)行通訊。AS3992通過(guò)巴倫將差分的0 db的功率信號(hào)送入功率為2 W的功放，然后經(jīng)過(guò)二級(jí)FIR濾波送到定向耦合器的前端，定向耦合器再將信號(hào)送入天線(xiàn)，并耦合發(fā)射功率進(jìn)行功率測(cè)量。定向耦合器的另外一端耦合接收信號(hào)，將接收信號(hào)送入AS3992的內(nèi)部LNA進(jìn)行放大處理。為了射頻輸出和天線(xiàn)匹配，在發(fā)送端加入DTC電容，進(jìn)行阻抗匹配。

1.3 電路板設(shè)計(jì)

印制電路板布板設(shè)計(jì)方面，原則上把數(shù)字電路部分和射頻部分分開(kāi)布局，板子越小越好，可采用六層板結(jié)構(gòu)。射頻的輸入輸出部分的走線(xiàn)按照流水的原則走路，不相互交叉，盡量沒(méi)有短路孔[2]，特性阻抗控制在50 Ω。布線(xiàn)中按照λ/4原則和行旁路等強(qiáng)制接地的原則進(jìn)行等電位的設(shè)計(jì)。理論上每個(gè)模塊都要進(jìn)行阻抗匹配的設(shè)計(jì)，以保證能量能夠在每個(gè)模塊中傳遞。

2 軟件方案設(shè)計(jì)

超高頻閱讀器的軟件可分為四大模塊：上位機(jī)應(yīng)用程序和通信接口模塊程序完成閱讀器與上位機(jī)的通信；寄存器配置模塊程序完成對(duì)AS3992閱讀器的寄存器配置，使得AS3992能正常工作；協(xié)議控制模塊程序完成協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)盤(pán)存、讀/寫(xiě)、加密/解密、銷(xiāo)毀等標(biāo)簽操作；碰撞處理模塊完成軟件防碰撞處理[3]。四個(gè)模塊中的難點(diǎn)是標(biāo)簽掃描盤(pán)查涉及的協(xié)議控制和碰撞算法這兩個(gè)部分。

2.1 標(biāo)簽掃描盤(pán)查控制處理

閱讀器上電后主控程序首先對(duì)AS3992進(jìn)行初始化，即調(diào)用AS3992的庫(kù)函數(shù)中的gen2Configure()函數(shù)，初始化參數(shù)主要包括通話(huà)session、除法比率DR、miller編碼或FM0編碼、tari、標(biāo)簽反向散射鏈路頻率BLF等。初始化完成后進(jìn)入選擇、盤(pán)存、會(huì)話(huà)階段。

選擇階段：調(diào)用AS3992庫(kù)函數(shù)中g(shù)en2Select()命令選擇特定范圍的標(biāo)簽，可以根據(jù)EPC、TID、用戶(hù)存儲(chǔ)器的前幾位掩膜進(jìn)行選擇；或者使用AS3992庫(kù)函數(shù)gen2Select(0，0)選擇讀寫(xiě)器閱讀范圍的所有標(biāo)簽，延遲300 us后進(jìn)入盤(pán)存階段。

盤(pán)存階段：一個(gè)盤(pán)存周期中發(fā)送一次Query命令，涉及兩個(gè)AS3992庫(kù)函數(shù)中的掃描函數(shù)gen2SearchForTags()和gen2SearchForTagsFast()。

gen2SearchForTags()函數(shù)發(fā)送Query命令，開(kāi)始盤(pán)存標(biāo)簽。盤(pán)存過(guò)程中掃描到的標(biāo)簽從應(yīng)答狀態(tài)轉(zhuǎn)換到確認(rèn)狀態(tài)(ACK命令)，再?gòu)拇_認(rèn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到開(kāi)放狀態(tài)(Req_RN命令)。掃描到標(biāo)簽，則掃描標(biāo)簽數(shù)num_of_tags_加1；若沖突，沖突時(shí)隙Collisions加1；若未讀到，則空時(shí)隙加1。然后發(fā)送QueryRep命令，調(diào)用庫(kù)函數(shù)cbContinueScanning()繼續(xù)掃描下一個(gè)時(shí)隙，直到2Q個(gè)時(shí)隙掃描完，然后判斷有無(wú)碰撞發(fā)生并進(jìn)行碰撞處理。如果連續(xù)調(diào)用該函數(shù)10次讀到的標(biāo)簽數(shù)始終為0，則使AS3992進(jìn)入低功耗模式，直到重新激活A(yù)S3992。

gen2SearchForTagsFast()函數(shù)發(fā)送Query命令，則開(kāi)始快速盤(pán)存標(biāo)簽。盤(pán)存過(guò)程中掃描到的標(biāo)簽從應(yīng)答狀態(tài)轉(zhuǎn)換到確認(rèn)狀態(tài)(ACK命令)，但不轉(zhuǎn)換到開(kāi)放狀態(tài)。掃描到標(biāo)簽，掃描標(biāo)簽數(shù)num_of_tags_加1，發(fā)送QueryRep命令繼續(xù)掃描標(biāo)簽，共掃描2Q次結(jié)束。該函數(shù)返回讀到的標(biāo)簽數(shù)，不統(tǒng)計(jì)空時(shí)隙和碰撞時(shí)隙，發(fā)生碰撞也不處理，一次盤(pán)存即周期結(jié)束，這是一種快速盤(pán)存標(biāo)簽的方式。如果連續(xù)調(diào)用該函數(shù)10次讀到的標(biāo)簽數(shù)始終為0，則使AS3992進(jìn)入低功耗模式，直到重新激活A(yù)S3992。

會(huì)話(huà)階段：該階段主要是對(duì)標(biāo)簽用戶(hù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，也可以讀EPC、TID。

2.2 碰撞處理模塊流程

在標(biāo)簽掃描盤(pán)查2Q個(gè)時(shí)隙結(jié)束后，通過(guò)判斷碰撞時(shí)隙Collisions的值來(lái)確定是否發(fā)生碰撞并調(diào)整Q值。若碰撞時(shí)隙不為零，根據(jù)Collisions值的大小發(fā)送QueryAdjust調(diào)整Q，然后進(jìn)入盤(pán)存階段繼續(xù)掃描2Q個(gè)時(shí)隙，繼續(xù)統(tǒng)計(jì)碰撞時(shí)隙、空時(shí)隙、掃描標(biāo)簽數(shù)。若還有碰撞時(shí)隙，再次調(diào)整Q，繼續(xù)上述步驟，但碰撞處理程序設(shè)定上述過(guò)程即調(diào)整Q值最多為2次；若碰撞時(shí)隙為零，說(shuō)明未發(fā)生碰撞，則作相關(guān)處理后結(jié)束該掃描周期，返回掃描標(biāo)簽數(shù)。碰撞處理流程見(jiàn)圖2所示：

圖2 碰撞處理流程

3 測(cè)試結(jié)果和結(jié)論

對(duì)基于以上方案設(shè)計(jì)的超高頻閱讀器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，該閱讀器可外接四路天線(xiàn)，在外接12 dBi高增益天線(xiàn)時(shí)讀卡距離為12 m，符合ISO18000-6B和ISO18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并在獨(dú)特的防碰撞算法下實(shí)現(xiàn)了快速識(shí)別多標(biāo)簽功能。

測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案符合超高頻RFID閱讀器要求，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

[1] 徐鵬. 超高頻RFID閱讀器的設(shè)計(jì)[J].電子科技，2013(21)：62.

[2] 孟芳宇. 基于 Intel R1000 的超高頻射頻識(shí)別閱讀器的設(shè)計(jì)[J].航空電子技術(shù)，2010(2)：33-35.

[3] 陳勇，陸遙.基于AS3992的超高頻RFID閱讀器的設(shè)計(jì)及仿真[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用，2013(1)：128.

[責(zé)任編輯：李娟]

Design of a UHF RFID Reader

ZHANG Suqin

(Institute of Electronic and Electrical， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China)

RFID is an important technology in IOT system. This paper designs a UHF RFID reader based on C8051F340 MCU and RF reader. It explains the hardware circuit and software system scheme of this reader， presents the collision algorithm and label scanning process. The reader is also tested， and specific test data and results are given. The results show that the design meets the requirement of the UHF reader and is of great practical value.

RFID; AS3992; label scanning

2017-04-12

張素琴(1970-)，女，副教授、高級(jí)工程師，主要研究方向：電子技術(shù)

TP 391.44

A

1672-2434(2017)04-0011-03