（控制理论与控制工程专业论文）超高频rfid读写器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 无线射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术，是一种利用 无线信道实现双向通信的非接触式自动识别技术，它综合利用了芯片技术、天 线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术以及电磁场理论等。相对于低频 段的射频识别系统，工作在8 6 0 - - 9 6 0 m h z 的超高频段( 唧) 射频识别系统有 着读取距离远，阅读速度快等优点，是目前国际上r f i d 技术发展的热点。 本文在深入讨论i s o i e c18 0 0 0 6a y p eb 协议的基础上，着重介绍了8 6 0 一 9 6 0 m h z 频段读写器的设计与实现。目前，在此频段上的集成射频读写芯片还没 有成熟的产品，因此本系统采用分立元件设计射频收发电路，这是系统的难点 和关键。本文选择n x p 公司的l p c 2 1 3 2a r m 7 微处理器为主控芯片，硬件部分 主要研究及实现了由频率合成、调制、功放、通道选择等模块组成的发射系统 电路，基于零中频的射频接收电路，并使用高频示波器和频谱分析仪等仪器进 行测试、评估；在软件设计中，采用模块化设计，以k e i l v i s o n 为开发环境， 通过嵌入式c 语言实现了电子标签的读写操作、多标签的防冲突算法等程序， 制作成功能够读写i s o i e c18 0 0 0 6t y p eb 电子标签的样机。 关键字：射频识别超高频读写器防冲突 a b s t r a c t ab s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i san e wt e c h n o l o g yo fn o n c o n t a c t a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nw h i c hc a nr e a l i z ei n t e r c o m m u n i c a t i o nb yu s i n gw i f e l e s s c h a n n e l i tu s e sal o to ft e c h n o l o g i e s ，s u c ha si c ，a n t e n n a , w i r e l e s st r a n s c e i v e r , d a t a c o d i n g ，a n de l e c t r o m a g n e t i c st h e o r y c o m p a r e dw i t hl o wf r e q u e n c yr f i ds y s t e m s ， t h eu h fr f i ds y s t e mw o r k i n ga t8 6 0 - 9 6 0 m h zh a sl o n g e rr e a d i n gd i s t a n c ea n d f a s t e rs p e e d ，e t c n o w a d a y s ，i th a sb e c o m eah o t s p o ti nr f i dp r o d u c t s w ep u te m p h a s i z eo nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f8 6 0 - 9 6 0 m h zr e a d e rw h i c hi s b a s e do ni s o i e c18 0 0 0 6t y p ebp r o t o c 0 1 t h e r eh a s n tb e e na n ym a t u r ep r o d u c t s o fi n t e g r a t e dr ft r a n s c e i v e rt i l ln o w , s ow eu s es e p a r a t ec o m p o n e n t si n s t e a d w h i c hi s a l s ot h em o s td i f f i c u l ta n dk e yp a r to ft h i ss y s t e m i nt h i sp a p e r , n x p sl p c 2 13 2w a s s e l e c t e da st h ec o n t r o l l e r i nt e r m so fh a r d w a r ed e s i g n ，t h er ft r a n s m i tc i r c u i tw a s a c h i e v e d ，i n c l u d i n gf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，m o d u l a t i o n ，p o w e ra m p l i f i e ra n dc h a n n e l c h o i c e a sr e f e rt ot h er e c e i v ec i r c u i t ，t h ez e r o - i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ym e t h o dw a s u s e d ，a n ds t i l l ，t e s ta n de v a l u a t i o nw a sm a d ew i t l lh i g hf r e q u e n c yo s c i l l o s c o p ea n d s p e c t r u ma n a l y s i z e r i nt h es o f t w a r ed e s i g n , w ef o l l o wt h ep r i n c i p l eo fm o d u l a r i z a t i o na n dl 1 s c e m b e d d e dcl a n g u a g e 谢mk e i l v i s i o ni d et oc o m eu pw i n lr e a da n dw r i t e o p e r a t i o no ft a gp r o g r a m ，a n t i c o l l i s i o np r o g r a m ，e t c m e a n w h i l e ，s a m p l em a c h i n e w a sm a d ew h i c hc o u l dd oo p e r a t i o no fr e a da n dw r i t es u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) u l t r ah i g hf r e q u e n c y ( u h f ) r e a d e ra n t i c o l l i s o n i l 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：砰渤哆 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一- - - - - - - 一一一- 一一一一一一一一一一- 一一一一一- 一一一一一一一一一一一一 7 o0 8 年厂月弘日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 唧洵哆 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 鄱洵坛 i ；5 年s 只 第一章绪论 第一章绪论 第一节自动识别技术简介 自动识别技术是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的 接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机系统来 完成相关后续处理的一种技术。它是以计算机技术和通信技术的发展为基础的 综合性科学技术，是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段。 目前，自动识别技术主要有以下产品： 1 、条形码 条形码( b a r c o d e ) 是由美国的n t w o o d l a n d 在1 9 4 9 年首先提出的。它是 一种二进制代码，是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则 ( 码制) 构成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符，即条形码 是一组粗细不同，按照一定的规则安排间距的平行线条图形。通过激光扫描读 出，也就是说，通过照射在黑色线条和白色间隙上的激光不同反射来读出。条 形码可以标出商品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、 邮件起止地点、类别、日期等信息，因而在商品流通、。图书管理、邮电管理、 银行系统等许多领域都得到了广泛的应用。条形码识别技术同其他的识别技术 相比获得越来越多的认可。 2 、光学符号识别 光学符号识别( o c r - o p t i c a lc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ) 出现在2 0 世纪6 0 年代， 这种识别技术是采用人和机器都可以识别的印刷符号，把数据转换成专用的特 殊类型的字体，人们可以按照正常的方式来阅读，也可以由机器自动检测。光 学符号识别系统最主要的优点是：信息密度高，在紧急情况下也可以用眼睛阅 读数据。o c r 的三个重要的应用领域是：办公室自动化中的文本输入、邮件自 动处理、与自动获取文本过程相关的其他领域。这些领域包括：零售价格识读、 订单数据输入、单证、支票和文件识读、微电路及小件产品上状态特征识读等。 然而这种自动识别系统的推广由于价格昂贵以及同其他识别方法相比较为复杂 而受到限制。 3 、生物识别技术 第一章绪论 生物识别技术( b i o m e t f i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 是利用人体生物特征进行 身份认证的一种技术。生物特征是唯一的( 与他人不同) 可以测量或可自动识别 和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。生物识别系统对生物 特性进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并进一步将这些代码组 成模板，人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获其特征并与数据库中 的特征模板进行比较，以确定是否匹配，从而决定接受或是拒绝该人。基于人体 的生物特征，人们己经发展了手型识别、指纹识别、语音识别、虹膜识别、签名 识别等多种生物识别技术。生物识别技术认定的是人本身，比较安全、方便，由 于每个人的生物特征具有其他人不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不 易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认证，安全、可靠、准确。此外， 生物识别技术产品均借助于现代计算机技术实现，很容易配合电脑和安全、监控、 管理系统整合，实现自动化管理。 4 、接触式i c 卡技术 i c 卡的概念是2 0 世纪7 0 年代初提出来的，法国布尔( b u l l ) 公司于1 9 7 6 年首先创造出i c 卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份认证等多 个行业，i c 卡将一个集成电路芯片镶嵌于塑料卡片内，封装成卡的形式，其外形 于与覆盖磁条的磁卡相似。它是一种数据存储系统，具有写入数据和存储数据的 能力，i c 卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，供内部信息处理 和判定之用。工作时，将接触式i c 卡插入阅读器，阅读器的接触弹簧与i c 卡的 触点产生电接触，阅读器通过接触触点给i c 卡提供能量和定时脉冲，阅读器与i c 卡之间的数据传输通过双向串行接口( i o 口) 进行。根据卡中所镶嵌的集成电路 的不同可以分为三种类型：存储卡、逻辑加密卡、c p u 卡。 接触式i c 卡的优点是存储容量大，安全性高、体积小、重量轻、便于携带、 易于使用、对网络要求不高；可以防止内部存储的数据被恶意存取和处理，能使 几乎所有与信息获取，现金交易相关的服务变得更加简洁、安全和经济。因此应 用十分广泛，1 9 9 2 年全世界发售了1 4 亿张i c 卡，1 9 9 5 年己有6 亿张i c 卡，到 2 0 0 1 年接近4 0 亿张，市场增长速度很快。其缺点是触点对腐蚀和污染缺乏抵抗 能力，阅读器维护费用较高。 5 、射频识别技术 射频识别技术( 即r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，以下简称r f i d ) 是一项从 八十年代开始逐步走向成熟的自动识别技术，将在下一节详细介绍。表1 1 所示 2 第一章绪论 为各种识别技术的比较。 表1 1 各种识别技术的优缺点的比较 系统 条形码接触式 光学符号识别 生物识别技术射频识别 参数 识别技术i c 卡识别 数据密度小小高很高很高 机器的可读性好好费时间好好 个人的可读性受制约简单容易困难 不可能不可能 受环境的影响很严重很严重可能( 接触)没有 光遮影响全部失效全部失效可能没有 方向位置影响很小 很小一个方向 没有 用坏磨损有条件有条件接触没有 阅读设备成本很低一般很高很低一般 工作费用很小很小无一般无 阅读速度快较低很低较快最快 阅读距离o 5 0 c m 4 5 d b ) ，最高工作频率可达3 5 g h z 。其引脚如下图所示： a b r f c n c r f 2 g n d g n d r f l 图3 1 4h 2 8 4 引脚示意图 其中，a 、b 为控制信号，且为相反输入；r f c 为信号输入端；r f l 和r f 2 为两路通道。控制输入信号真值表如下： 输入控制控制电压通道状态 a ( v d c )b ( v d c )i a ( )i b ( u a ) r f c 到r f lr f 至4r f 2 o+ 52 52 5 开关 + 502 52 5 关开 即当a 为低电平，b 为高电平，则到r f l 通路导通；当b 为低电平，a 为 高电平，则r f 2 通路导通。 4 5 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 为保证a 、b 相反控制，我们采用7 4 h c t l 4 非门控制。 a s k 调制的原理图如下： 图3 1 5a s k 调制原理图 其中，定向耦合器的1 为载波信号输入端，4 、6 分别为主输出和耦合输出 端。u 3h 2 8 4 和u 4h 2 8 4 的a 、b 脚都与7 4 h c t l 4 相连，通过控制7 4 h c t l 4 输入即可以控制u 3 、u 4 的通路选择。当选择1 1 调制深度时，可使u 4 一直导 通，控制u 3 的r f l 、r f 2 轮流导通，即基带信号为1 的时候导通耦合器的主输 出端，基带信号为0 时导通耦合器的耦合信号输出端。由此完成1 1 调制深度 的a s k 。同理，若是o o k 调制，则使u 3 的r f 2 ( 定向耦合器的主输出通路) 一直导通，控制u 4 的导通，即基带信号为1 时，r f 2 导通，基带信号为0 时， r f 2 关闭。由此实现9 9 ( o o k ) 调制。如下图3 1 6 为h 2 8 4 ( u 4 ) r f 2 脚输 出的o o k 调制波形： 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 图3 1 6o o k 调制波形 从上圈可以看出，当基带信号为1 时，h 2 8 4 输出载波，园为载波频率为 9 0 0 m h z 左右，而基带信号输出速率为4 0 k b p s ，因此波形中每个高电平由一系列 正弦曲线组成，高电平的幅度即为正弦曲线的最大振幅值，低电平时振幅为零 没有载波输出，即为o o k 调制。 3 33 功率放大电路 高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频己调波信号进行功率放 大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域 内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功 率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带 高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有 选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率 放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电 路，困此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件它 将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出”。 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 本系统选用日立公司出产的p f 0 1 4 1 1 b 高频功率放大器，它的工作频率为 8 8 0 9 15 m h z ，最大工作电压8 v ，最大工作电流为3 a ，最大输入和输出功率分 别为1 0 m w 和5 w ，最大效率4 5 。各引脚功能如下： 1 ：p i n ，信号输入； 2 ：v a p e ，放大器功率控制输入引脚，电压范围0 5 v ，砣2 v ，电压上升，控 制p a 的增益上升。 3 ：v d d ，电源； 4 ：p o u t ，输出信号； 5 ：g n d ，地。 其原理图如下所示： 图3 1 7 功放原理图 只有在有信号输入时，功放才工作，当功率控制引脚输入电平为0 时，功 放没有信号通过，如图3 1 8 所示，上方数字波形为发送命令，下方为功放控制 引脚电平变化。 4 8 第三章超高颠r f d 读写器硬件设计 国3 1 8 功率控制引脚时序 本系统中，控制电压约为1 5 v ，输出功率可达1 2 6 w 左右。l p c 2 1 3 2 的d a 模块控制模拟电压的输出，表41 为d a 引脚描述 表4 1 d a 引脚描述 引脚名称 类型 引脚描述 模拟输出。当d a c r 写入一个新值并选择好设定时间后该引 a o u t输出 脚上的电压为v a l u f j l 0 2 4 * v r g 、h f 参考电压参考电压。该引脚连接到a d 转换器的v r e f 信号。 模拟电源和地。它们分别与标称为v d d 和v s s 的电压相同。但 v d d a ，v s s a电源 为了降低噪声和出错几率两者应当隔离。 通过设置d a 转换寄存器d a c r 的v a l u e 值以及使能d a c 可控制功放的 输入电压。图3 1 1 中，r 7 、r 8 、t 1 9 构成3 d b 衰减网络，以防止功放输入功率过 大损坏功放。c 8 、c 9 、r 1 0 构成低通滤波网络，滤除模拟输出的高频杂质电流。 另外，高频功放的电源输入端也应充分去耦，以防止高功率噪声辐射到整个电 路板引发多种问题。 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 3 3 4 发射通道选择 本系统中设计2 个发射通道，天线可以选择任意一个通道，因此采用开关 芯片h 4 8 4 ，它与前面介绍的h 2 8 4 主要区别时允许输入功率更高( + 4 0 d b m ) ， 因为其位于高频功放后面。主要原理与h 2 8 4 相同，不再赘述。 第四节接收电路结构方案 在介绍接收电路方案之前，我们先介绍一下微带线的概念，为后面的计算 提供理论依据。 3 4 1 微带线 微带线口j 可以看成是由双导线演变而来的双导体传输线。如图所示3 1 9 ( a ) 所示的平行双线对称面上放一块无限薄的导电平板并不影响原来的场分布，去 掉导电平板下方的一根导线后其导电板上半空间的场分布仍然不变，如图3 1 9 ( b ) 所示，再将导体板上放的圆柱导体换成薄导带，在导带与导电平板之间填 充介质后即可构成标准的微带线，如图3 1 9 ( c ) 所示。微带线横截面上的场分 布可认为是平行双线横截面场分布的一半。因此微带线的主模也近似认为是接 近t e m 模，但它属于部分填充介质：导带上方是空气，导带下方是介质基片。 ( 丑) 一一 ( b ) 图3 1 9 微带线的演变过程示意图 微带线的几何结构和电力线如图3 2 0 所示，包括导体接地板、介质基片和 导体带三部分。由于介质基片的存在，场的能量主要集中在导体带和接地板之 5 0 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 间，其场分布与t e m 波非常接近，故称为准t e m 波。t e m 波的特点是传播方 向上不存在电场和磁场分量。 w 图3 2 0 微带线的几何和电力线分布 为了计算微带线的相关参数，我们引入有效介电常数t 的概念，其原理如 图3 2 1 所示。其中v p 在电磁波在微带线中的相速度。 t = 1 匕了 g r 匕二= 3 图3 2 1 微带线有效介电常数 s t 匕= = 匕= = = = = = c 。，2 万 当系统不存在介质基片时，相当于= 1 ，如图3 2 1 ( a ) 所示，这时系统可 以传输t e m 波，其速度相当于真空中的光速c ；当系统充满均匀电介质且电介 质的介电常数e r 1 ，该系统同样可以传输t e m 波，其相速度1 ，。= c q ，如图 3 2 1 ( b ) 所示；微带线为部分填充介质系统，其相速度取决于能量在两部分介 质中的分配情况。可以预料，其相速度介于c 和c 之间，如图3 2 1 ( c ) 所 示。图3 2 1 ( d ) 是图3 2 1 ( c ) 的等效。有效介电常数可表示为： 5 l 耋耳 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 占。：g 盟 ( 3 8 ) 一百万 国 式中，c l ( 1 ) 是空气填充时图( 3 2 1 ( a ) 所示) 的单位长度电容，c 1 ( q ) 是部分 介质填充时的微带线单位长度电容，也是假想的有效介电常数为e e 的介质全部 填充时的单位长度电容。微带线的相速度v p 和微带线上波长以与有效介电常数 的关系分别为： 和 其中，c 是光速， 3 4 2 接收电路结构方案 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 在选择接收机电路方案的时候，设计复杂度、成本、功耗等是首先需要考虑 的因素。常见的两种接收机设计原理包括超外差式和零差式。超外差接收机不 仅电路复杂，成本也非常昂贵，相比之下，零中频接收机只需要一级同频混频 器就可以直接得到解调信号( 即基带信号) ，不仅极大的降低了成本，而且结构 非常简单，调测试方便 1 4 】【”】。 零中频接收机最吸引人之处在于下变频过程中不需经过中频，且镜像频率即 是射频信号本身，不存在镜像频率干扰，原超外差结构中的镜像抑制滤波器及 中频滤波器均可省略，可以实现单片集成，因而在通信领域中受到了广泛的重 视。同时，其结构较超外差接收机以简单许多。这样一方面取消了外部元件， 有利于系统的单片集成，降低成本。另一方面系统所需的电路模块及外部节点 数减少，降低了接收机所需的功耗并减少射频信号受外部干扰的机会。其工作 过程为：接收到的射频信号经移相和滤波后，两路本振信号混频，产生反相的 两路基带信号，然后送入差分放大器。由于本振信号频率与射频信号频率相同， 因此混频后直接产生基带信号。零中频接收机结构图如下图3 2 2 所示： 5 2 三厄 玉厄 = i | 以 氏波问 空 由自是 厶 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 a 图3 2 2 零中频接收结构框图 b 一 d f 图3 2 3 零中频结构不慈图 如上图3 2 3 所示，a 为系统本振信号输入点；b 为接收信号输入；c 、d 为 本振信号和接收信号混频点；e 、f 分别为混频后输出；a b 段为9 0 。微带线移 相网络，计算过程如下：载波频率为9 0 0 m h z 左右时，其波长为气= c o 厂约为 3 3 c m ，等效介电常数一般取4 - 5 2 之_ f s - j ，因此微带线上波长以= 彳坠约为1 6 c m ， 心s e 因此要使载波发生9 0 0 相移，只需取1 4 波长长度的微带线约4 c m 即可。 系统本振信号为连续波，用v l a ( t ) = a c o s 0 0 t ，a 为信号幅度。天线接收到 的标签回发信号为a m 波，它在b 点与本振信号差n 2 的相移，即b 点信号可 表示为： 珊= 踯) c 。s ( c o o t + 妒+ 三) ( 3 11 ) ，l，i丫 e 第三章超高频r f i d 读写器硬件设计 其中b ( t ) 为标签的数据信息，一般为单极性的二进制数据，伊为收发信 号之间的相位差，跟天线和标签之间的距离有关。 因此，在c 点混频的两个信号分别为：本振班4 ( f ) = a c o s c o o t 、b 点经z 2 相移后： v r b ( t ) = b ( t ) c o s ( c o o t + c p + 了万+ 要) ( 3 1 2 ) 混频后c 点信号为： a c o s t o o t * b ( f ) c o s ( f + 缈+ 万) ：兰掣( c o s ( 2 c o o t + q ，+ z ) + c o s ( 伊+ 万) ) ( 3 1 3 ) 高频分量2 f 可以通过低通滤波器滤除掉，就得到基带信号 ，一：a b i ( 一t ) c 。s ( 矽+ 万) ( 3 1 4 ) 同理d 点混频信号为： 彳酬咐争踯) c o s ( 帅+ 7 l = 半( c o s ( 2 咿伊例+ c o s ( 湖( 3 1 5 ) 滤除高频分量后得到 ，+ ：a b - ( t ) c 。s ( 缈) ( 3 1 6 ) 可见与厂反相，之后两路信号进入差分放大器。但厂5 9 l i + 我们可以看出，当够为 + - 互时厂和j + 同时为零，即此时混频后无信号，本系统接收方案在理论上还 2 存在一定盲区，需待进一步改进。 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 第一节总体方案设计 单片机开发所使用的语言通常为汇编语言和c 语言。汇编语言是一种用文 字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优 点是占用资源少，程序执行效率高。但是不同的c p u ，其汇编语言可能有点差 异，所以不易移植。c 语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好，移植 容易，是普遍使用的是一种计算机语言。 a r m 核嵌入式处理器通常采用c 语言编程。目前a r m 公司的开发工具 a d s 、r e a l v i e w 以及k e i l 与a r m 核处理器结合较好，得到了广大嵌入式学习 者的一致认可。 k e i lu v i s i o n 调试器可以帮助用户准确地调试a r m 器件的片内外围功能 ( 1 2 c 、c a n 、u a r t 、s p i 、中断、i o 口、a d 转换器、d a 转换器和p w m 模 块等功能) 。u l l n ku s b j t a g 转换器将p c 机的u s b 端口与用户的目标硬件相 连( 通过j t a g 或o c d ) ，使用户可在目标硬件上调试代码。通过使用k e i lu v i s i o n i d e 调试器和u l i n ku s b j t a g 转换器，用户可以很方便地编辑、下载和在实 际的目标硬件上测试嵌入的程序。它支持n x p 、s a m s u n g 、a t m e l 、a n a l o gd e v i c e s 、 s h a r p 、s t 等众多厂商a r m 7 内核的a r m 微控制器。本系统采用的即为k e i l u v i s i o n 集成开发环境和与之配套的u l i n k 仿真器。 本系统选用的m c u 是n x p 公司出产的基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 微控制器，本射频识别系统的目标是实现与标签通信， 开发标签的各种功能，不涉及具体的应用背景。系统软件可分为：串行通信协 议、主控程序、底层程序和防冲突程序。系统主程序流程图可表示为图4 1 ： 5 5 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 图4 1 系统主程序流程框图 主程序工作过程如下： ( 1 ) 系统上电完成初始化工作； ( 2 ) 等待串口发送操作命令； ( 3 ) 发送g r o u ps e l e c t 命令，激活场内标签；_eq ( 4 ) 如果读写器收到正确i d 应答，则进行单卡读操作，操作成功将i d 通过串口发回p c 机；如操作不成功读写器发重发命令5 次，若还不成功认为有 多张卡参与发送，转到冲突处理程序； ( 5 ) 如果读写器收到错误i d 应答则进行防冲突处理。 5 6 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 第二节读写器控制程序 本设计中读写器对外部的串行通信接口采用r s 2 3 2 接口。 位+ 8 位数据位+ 1 位标志位+ 1 位停止位 的通信结构。 系统上电初始化以后，微控制器等待串口发送来的指令， 为i d 识别、读标签、写标签等。 主控程序完成i s o1 8 0 0 0 6 b 中规定的对标签的各种操作， 和接收。以发送读命名为例，读写器发送命令具体流程如下： 图4 2 发送命令流程 使用“1 位起始 并判断操作类型 完成数据的发送 如图4 3 为命令g r o u p _ s e l e c t _ e q ( 命令码“0 0 ”) 的发送过程。 ( 1 ) 发送持续4 0 0 u s 的高电平为帧检测； ( 2 ) 发送9 个0 1 序列为帧头； ( 3 ) 发送分隔符1 10 11 1o o1 01 ； 5 7 第四章超高频r f o d 读写器软件系统设计 ( 4 ) 发送命令码和参数共8 8 b i t 0 ； ( 5 ) 发送1 6 b i tc r c 循环冗余检测码。 f i ho r a l u d l b 图43 命令0 0 发送过程 第三节底层程序设计 本设计中的底层程序包括基带信号编码和解码，c r c 校验和防冲突程序。 4 3 1 曼彻斯特编码 前面章节我们已经知道曼彻斯特编码的规则，曼彻斯特编码可以用硬件实 现，也可以用软件实现。在本论文中，我们采用软件实现的方法完成曼彻斯特 码的编码。i s o1 8 0 0 0 6 b 中规定基带速率为4 0 k b p s ，每位码元的周期为 t - i 4 0 k - 2 5 u s 。曼彻斯特码的高低电平持续时间t f f i1 25 u s 。先将1 个字节数据 编码成2 字节曼彻斯特码，再用软件采用定时操作完成高低电平发送。每次循 环过程完成一位曼彻斯特编码发送。由计数器判断完成一个字节的曼彻斯特编 码发送。编码的程序流程如下所示： 园剐带侧删震雪 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 图4 4 曼彻斯特编码流程 e n c o d e 【】里的数据为1 6 位两个字节的曼彻斯特编码。然后每位再定时或延 时1 2 5 u s 发送。 从图4 3 可以看出，数据传输速率为3 9 9 5 7 5 k b p s ，每位码元周期为 2 5 0 2 6 6 u s ，符合协议要求。 4 3 2f m 0 解码 i s o1 8 0 0 0 6 b 里规定标签到读写器的编码方式为f m 0 编码，即如果电平从 位窗的起始处翻转则表示逻辑“l ；如果电平除了在位窗的起始处翻转，还在 位窗的中间翻转则表示为逻辑“0 。可见f m 0 编码携带了自身时钟信息( 每位 码元之间进行电平跳变) 。解码程序在接收完一个码元后寻找电平跳变，完成了 对f m 0 码时钟信息的提取。 f m 0 解码程序流程图如下： 5 9 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 4 3 3 防冲突程序 图4 5f m 0 解码流程 i s o1 8 0 0 0 6 b 协议的防冲突程序是随机二进制搜索法，当读写器进入工作 状态时，在其天线覆盖范围内的所有标签将被激活处于等待状态，随时准备响 应读写器指令操作，这就造成了标签读写冲突。 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 随机二进制搜索法按照递归的工作方式，遇到碰撞就进行分支成两个子集， 这些分支越来越小，直到最后分支下面只有一个信息包或者为空，如果在某个 时隙发生碰撞，所有信息包不占用信道，直到碰撞问题得以解决。如同抛一枚 硬币一样，这些信息包随机的分为两个分支，在第一个分支里是抛0 面的信息 包，在接下来的时隙内，主要解决这些信息包发生的碰撞，如果再次发生碰撞， 则继续随机分支【l7 1 。直到某个时隙为空或者是成功完成一次的数据传输，然后 返回上一个分支，直到所有信息包传输成功。 本文设计的防冲突程序基本思想为：读写器发送选择组命令后，如果收到 响应错误则说明有多个标签参与发送，则进入防冲突处理；若没有响应错误则 进行单个标签操作。具体规则2 2 3 节已详细讲述。具体流程可表示如下： 6 1 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 图4 6 防冲突协议流程图 读写器上电完成初始化动作后，发送寻卡指令，如果射频区域内有多个标 签则这几个标签同时发送应答产生冲突后，读写发送f a i l 命令，收到命令后在 标签在随机数的控制下选择等待和继续发送，直到只有一个标签被正确识别， 这时发送s u c c e s s 指令使标签内部计数器减1 ，若计数器都不为o ，则不断发 s u c c e s s 直到有标签回复。 6 2 第四章超高频r i ：i d 读写器软件系统设计 第四节试验结果 本论文在一个开阔的室内环境对所设计的超高频r f i d 阅读器进行了测试 试验。系统的阅读距离和功率、天线增益、环境因素都有关系。我们以标签距 离2 米，天线增益1 2 d b i ，功放输出功率15 w 情况下进行试验。以最基本的识 别一张标签为例，读写器发送数据流程为； 1 发送寻卡命令，等待接收标签，若无卡则一直发送寻卡指令； 2 发送读卡命令，等待接收标签应答： 3 发s u c c e s s 命令，等待是否还有标签发送d ； 4 再发两次s u c c e s s 命令，确保阅读器内无卡，完成一次交互。 下图47 为整个交互过程发送端波形，图48 为它的局部放大： j“ _ _ ￥ “ 。 图4 7 单卡识别发送命令过程 团幽必蝴爿荆同圄 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 f i l e 1s n 日黼 r 】a 岫t 1 t t lk l 瞄, m b 留4 8 单f 识别发送命令过程局部放大 从圈4 8 可见该局部放大为命令g r o u p ，它的数据包格式为：_ s e l e c te q 4 0 0 u s 载波+ 0 1 叭0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 ( 前导码) + 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 ( 第四种定界符) + 0 0 ( 命令码) + 0 0 ( 掩码) + 6 4 b i t s0 ( 数据) 十1 6 b i t s c r c ： 由于系统发送时采用了第四种定界符因此，反向速率为前向速率的4 倍， 即为1 6 0 k b p s ，从下陶4 9 可以看出，波形稀疏不同，密的部分为标签返回给阅 读器的信号： 第四章超高频r j f l d 读写器软件系统设计 图4 , 9 副队d 命令标签返回信号波形 图41 0 返回信号局部放大 囡匿呵圆圈矗墨圈画等 第四章超高频r f 读写器软件系统设计 从图4 1 0 可以看出，返回信号前导码的曼彻斯特编码每位宽度较接近3 u s 速率约为1 6 8 k b p s 。 图41 1 为解调出的r e a d 返回信号数据包，图41 2 为测试环境实物图 f * l b 图4 1 1 r e a d 命令返回数据包 囤幽幽幽蝴h嘲圈 第四章超高频r f i d 读写器软件系统设计 圉4 1 2 测试环境实物圈 从本次试验看，读写器的读写距离还不是很理想，限于2 3 米，分析原因 在系统阻抗匹配方面还存在问题；当处于多卡环境时，2 张标签识别正确率较高， 3 张以上标签识别正确率较低，这些都有待于改进。 第五章总结与展望 第五章总结与展望 第一节总结 本次的设计研究对本人而言具有相当的难度，同时也是十分有意义的。作 为近年来逐渐兴起的一种智能识别技术，r f i d 技术的很多应用已经接近成熟， 但这些应用主要集中在较低频段，对于u h f 频段的r f i d 应用较少，因此在设 计调试的过程中，资料十分匮乏，更多还是要靠自己一点点的摸索及与老师同 学的交流。因此在这过程中，很好的锻炼了学习新知识的能力、独立解决问题 的能力及与老师同学交流合作的能力，在这个过程中也积累总结了很多有益的 教训和感悟。对于将来的工作有着极其重要的影响和积累。r f i d 读写器是一个 典型的通信系统，虽然规模不大，但涉及的模块很多，包括从r f 载波信号的产 生，调制，小信号的滤波，混频放大，再到a r m 控制、解码和接口通信。通过 这次设计，较为深刻地认识了通信系统的结构和工作原理，同时也熟练地掌握 了电路设计相关软件，a r m 开发系统及测试仪器如示波器和频谱分析仪的使用。 本文在了解r f i d 系统工作原理及应用特点的基础上，对本系统遵循的超高 频r f i d 技术标准i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p eb 做了详细的分析，在此基础上，采用 分立元件设计实现了射频收发电路，标签识别距离为3 m 左右，我们结合在此过 程中遇到的问题总结如下经验： 1 在高频电路中，射频接插件的引入实际上等效地也引入了一些分布参数 的电容或者电感，从而改变了各个单元电路的输入输出之间的匹配。这与低频 电路有很大差别。因此设计电路时应尽可能优化设计参数以减少测试接插件以 改善连接信号线上的阻抗匹配状况。在必须进行测试的位置上预留两个表贴零 欧姆电阻的位置，可分别进行测试和正常工作两种操作。 2 在高频电路设计中，阻抗匹配是一个至关重要的环节。对于射频电路的 正常工作和达到与其预期的电气性能非常重要，因此在印制板设计中一定要进 行阻抗匹配的相关设计。但是在实践中，通常所用的r f 4 印制板的介电常数是 在很大范围内波动( 一般为4 5 2 ) ，因此最后得到的印制板上，经过传输线连 6 8 第五章总结与展望 接的各级电路之间很有可能阻抗不匹配而降低了电气性能。因此，在关键的位 置，如功率放大器和天线之间预留好匹配网络的位置，以备阻抗调谐所需。 第二节展望 本论文主要探讨了射频收发系统相关模块的设计与实现，由于时间和能力 有限，目前系统接收部分的效果不是很理想，对于接收系统还需要详细分析和 改进设计，也是整个系统的难点和要点。在本论文基础上，可以在以下几个方 面展开后续的研究工作： 1 改进系统性能，提高读写距离，可从进一步改善系统阻抗匹配方面考虑； 2 接收电路改进，方案可进一步改善，可以采取4 路混频两路正交解调的 方案或者两路正交混频方案来改善读写盲区。 3 对防冲突算法加以优化以提高处理速度和可靠性。 参考文献 【1 2 3 【3 】 【4 】 【5 】 【6 】 7 】 8 】 9 1 1 0 1 1 1 】 1 2 】 1 3 1 4 】 1 5 】 【1 6 】 1 7 1 1 8 1 1 9 】 2 0 1 参考文献 于洪珍，通信电子电路，北京：清华大学出版社，2 0 0 5 8 赵春晖， 杨莘元，现代微波技术基础，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1 9 9 9 1 1 游战清，李苏剑，无线射频识别技术( r f i d ) 理论与应用【m 】，北京：电子工业出版 社，2 0 0 4 范佳林，9 1 5 m h z r f i d 读卡器设计：( 硕士学位论文) ，大连理工大学 梁东华，射频识别u h f 频段关键技术的研究：( 硕士学位论文) ，安徽，合肥工业大 学，2 0 0 7 。 广州智荟科技有限公司，r f i d 的工作频段，p c w o r l d c o r n o n ，2 0 0 5 4 i s o i e c ，i s o i e c1 4 4 4 3p a r t l ：p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，2 0 0 1 i s o i e c ，i s o i e c1 4 4 4 3p a r t 2 ：r a d i of r e q u e n c yp o w e ra n ds i g n a li n t e r f a c e ，2 0 0 1 i s o ，正c ，i s o ，f e c1 4 4 4 3p a r t 3 ：i n i t i a l i z a t i o na n da n t i c o l l i s i o n ，2 0 0 l i s o i e c ，i s o i e c1 4 4 4 3p a n 4