（信号与信息处理专业论文）超高频便携式rfid读写器的研究与设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 r f i d 技术是一种基于电磁波耦合或反射原理的非接触式自动识别技术，通过 与计算机通信技术进一步结合可以形成一个连通物流及信息流的物联网。物联网 的大规模应用能给全球经济复苏提供巨大的技术源动力，大大降低全球供应链的 成本，因此日益受到世界各国的重视。要建立一个真正的物联网，一是要具备相 当大的规模的应用，这就要求尽量降低标签及读写器的成本；二是前端采集设备 要具有远距离多目标同时识别的能力。采用无源标签的超高频r f i d 系统由于成本 低、天线尺寸小、保密性强及读写距离远等优点被认为是取代条形码并构成物联 网前端的最理想技术。 r f i d 技术的进一步发展取决于若干关键技术的突破，近年来大规模集成电路 的发展使设计出一款低成本、低功耗的便携式读写器成为可能。本课题的研究内 容是基于射频芯片设计一款超高频便携式r f i d 读写器。作为超高频r f i d 系统的核 心，读写器是连接分散于各处的r f i d 标签与上层应用程序的纽带。本次设计的便 携式读写器选用a r i d 9 芯片，内嵌w i n c e 系统作为上位机，能够提供大量的人性化接 口和触摸屏控制方式；同时采用专门的电源管理模块降低整机功耗，可以脱离p c 机运行；搭配小型平板微带天线后，整个读写器可以靠锂电池供电独立工作，实 现了低功耗与可靠性的完美结合。 本论文组织结构如下，第一章首先介绍 r f i d 技术的分类、优势及产业状况： 第二章着重分析了便携式超高频读写器采用的e p cc l a s s lg e n 2 协议，在此基础上 第三章给出了整个便携式读写器的系统框架设计，然后按照锁相环本振模块、射 频发射及接收模块、电源管理模块、人机交互模块、小型平板微带天线的顺序完 成了整个读写器硬件设计；第四章介绍了读写器软件的分层结构并依次介绍了整 个控制流程及软件实现方式；第五章对整个读写器的调试及测试过程进行了总结 并对其中的一些问题进行了分析；第六章对整个课题进行了总结并对r f i d 技术发 展进行了展望。 关键字：i j h f 低功耗r f i d 嵌入式 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r f i di san o n - c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nt h ec o u p l i n go f e l e c t r o m a g n e t i cw a v eo rt h er e f l e c t i o np r i n c i p l e i tw i l lc o n s t r u c tt h ei n t e r n e to ft h i n g s ， w h i c hc o n n e c t st h e l o g i s t i c sa n di n f o r m a t i o nf l o w , 、j i ，i t l lc o m b i n eo ft h ec o m p u t e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 皿ew i d ea p p l i c a t i o n so ft h ei n t e m e to ft h i n g sp r o v i d ea n i m p o r t a n ta n dt e c h n i c a lr e s o u i v ：ef o rt h ee c o n o m i cr e c o v e r yo fg l o b a la n dr e d u c et h e c o s to ft h eg l o b a ls u p p l yc h a i ng r e a t l y s oi th a sa t t r a c t e da g r e a td e a lo fi n t e r e s ti n m a n yc o u n t r i e s t h ef i r s te l e m e n tf o rc o n s t r u c t i n gt h ei n t e m e to ft h i n g si st h es i z eo f s c a l ew h i c hm e a n st h a tt h el o w e rc o s tt a g sa n dl e a d e r s ，a n dt h es e c o n de l e m e n ti st h e f i o n t - e n da c q u i s i t i o nd e v i c eh a v i n gt h el o n g - d i s t a n c ea n dm u l t i - o b j e c t i v er e c o g n i t i o n a b i l i t y o w i n gt oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t , a n t e n n ao fs m a l ls i z e ，c o n f i d e n t i a l i t y s t r o n ga n dl o n gr e c o g n i t i o nd i s t a n c e ，t h eu h fr f i ds y s t e m ，w h i c hi sb a s e do np a s s i v e t a ga n df o r mt h ef r o m - e n do ft h e i n t e r n e to ft h i n g s ，i sr e g a r d e da st h em o s ti d e a l t e c h n i q u ef o rr e p l a c i n gt h eb a rc o d e t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fr f i dt e c h n i q u ei sd e p e n d i n go nt h eb r e a kt h r o u g ho f s o m ek e yt e c h n o l o g i e s t h es p e e dd e v e l o p m e n to fl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tm a k e si t b eap o s s i b l ef o rd e s i g n i n gap o r t a b l er e a d e rw h i c hi sl o wc o s ta n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o ni nr e c e n ty e a r s a sac o r eo ft h eu h fr f l ds y s t e m , r e a d e ri sab o n dt o r e l a t et h el o t so fr f i dt a g sa n du p p e ra p p l i c a t i o np r o g r a m i np r e s e n tw o r k , w ec h o o s e aa r m 9 c h i pa sa c o r ea n de m b e d d e dw i n c es y s t e ma su p p e rc o m p u t e r ，w h i c hc a n p r o v i d et o u c hs 口e e nc o n t r o lm o d e 1 1 把r e a d e r 咖r e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o nb y u s i n gp o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e s b yi n s t a l l i n gt h es m a l lf l a tm i c m s t r i pa n t e n n a s ，t h e 蒯e rc o u l dw o r ki n d e p e n d e n t l yw i t ht h ee n e r g yo fl ib a t t e r y w o r ki ss t r u c t u r e da sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h ek i n d so fr f i dt e c h n i q u ei s c a r r i e do u t , a n di t sa d v a n t a g e sa n dc u r r e n ts i t u a t i o na l s oa r ci n t r o d u c e d w ea r cf o c u s e d o na n a l y z i n gt h ee p cc l a s s lg e n 2p r o t o c o lw h i c hi s e m p l o y e di np o r t a b l er f i d r e a d e rb a s eo nu h fi nc h a p t e r2 i nc h a p t e r3 ，t h et o t a ls y s t e mf r a m e w o r ko f p o r t a b l e r f i dr e a d e ri sp r e s e n t e db a s e do nt h ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g eo f c h a p t e r sla n d 2h a v e b e e ng i v e na n df u r t h c l m o r e , a st h eo r d e ro fv i b r a t i o nm o d u l e ，r fm o d u l e ，p o w e r m a n a g e m e n tm o d u l e , p r i n c i p a lc o m p u t e rm o d u l ea n ds m a l lm i c r o s t r i pf l a ta n t e n n a , w e 2 山东大学硕士学位论文 d e s i g nt h eh a r d w a r eo fr e a d e r t h es o r w a r es t r u c t u r eh a sb e e ni n t r o d u c e di nc h a p t e r4 a n dt h e r e b yw ed e s c r i b et h em e t h o do fr e a l i z a t i o no fs o f t w a r ef o rc o n t r o lf l o w t h e d i s c u s s i o n so fd e b u ga n dt e s tf o rr e f e ri sc a r r i e do u ta n ds o m eq u e s t i o n sw eh a v e s u f f e r e da l s ob e e na n a l y z e di nc h a p t e r5 t h ec o n c l u s i o nf o rt h et h e s i sa n dt h ef u t u r ef o r t h ef i e l do fu h fi 强i da r ep r e s e n t e di nt h el a s tc h a p t e r6 k e yw o r d s ：u h f ，) l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , r f i d ，e m b e d d e d 3 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1r f i d ( 射频识别) 技术概述 温家宝总理在去年的政府工作报告中明确指出了大力发展物联网的重要意义， 物联网是在计算机互联网的基础上，利用r f i d n l 、无线数据通信等技术，构造一 个覆盖世界上万事万物的“i n t e r n e to ft h i n g s 圆以达到万物皆入网的目的。在 这个网络中，无需人工干预，所有物品都能够彼此进行“交流 ，其实质就是给 每一件物品编上一个独一无二的编号，通过计算机互联网实现物品的自动识别和 信息的共享。r f i d 作为物联网发展的排头兵，业已成为了当今世界最为关注的技 术之一。 1 1 1r e i d 技术特征及优势 r f i d 全称为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 一射频识别技术，是一种从 上世纪9 0 年代兴起的，利用利用空间电磁感应或者电磁波传播来进行通信，将目 标唯一编码以进行自动识别的非接触式读写技术。 电磁感应，即变压器模型口1 ，通过空间交变电磁场实现耦合，这种方式一般应 用于近距离r f i d 系统。电磁波传播耦合，即雷达模型，依据的是电磁波的空间传 播规律；发射出去的电磁波碰到识别目标后反射，携带回该目标的信息，这种方 式适合于远距离r f i d 系统。 相对于条形码、磁卡、光学字符等技术，r f i d 系统具有多标签同时识别、远 距离读写、保密性好等优点。r f i d 技术最大的优势在于非接触，完成标签识别工 作时无需人工干预、便于实现自动化，可以识别高速运动物体并且具有多标签同时 盘存能力。r f i d 标签具有条形码等技术所不具备的防水、防磁、耐高温、读写距离 远、数据加密、存储数据容量大、存储信息修改简单等特点。正是由于这些优点， r f i d 技术正被广泛应用于工业自动化、商业自动化和智能交通管理等领域h 1 。 1 1 2r f i d 技术分类 r f i d 系统一般来讲可以按照如下的方式进行分类： 4 山东大学硕士学位论文 1 按照标签的供电形式分类 根据标签工作能量来源的不同，r f i d 系统可分为有源、无源以及半有源系统。 有源标签主动对外发射电磁信号，识别距离远，但寿命较短，成本高；无源标签 接收读写器发射的电磁波为自己提供能量，重量轻、体积小、寿命长，成本较低， 但读写距离受到限制；半有源标签内部电池只负责对内部电路供电，标签本身并 不主动发射信号。 2 根据系统工作频率分类 r f i d 系统的工作频率为载波信号所使用的频率，一般可以划分为低频 ( l f3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( h f3 - 3 0 姗i z ) 、超高频( u h f3 0 0 - 9 6 8 m h z ) 、微波 ( m w2 4 5 - 5 8 g h z ) 系统。 低频系统一般工作在1 0 0 - - - 3 0 0 1 d l z ，常见的工作频率有1 2 5 k h z 、1 3 4 2k h z ； 高频系统工作在1 卜1 5 删z 左右，典型的工作频率为1 3 5 6 m h z ：超高频频段为 8 4 0 - - - 9 6 0 1 吁1 z ，还有一些射频识别系统工作在2 4 5 g h z ，例如：蓝牙、z i g b e e 等技 术。 3 根据标签和读写器之间的工作时序分类 根据标签和读写器之间的工作时序不同，系统可以分为标签先讲和读写器先 讲系统，这涉及到标签和阅读器的工作次序问题。标签先讲即标签首先自动向外发 射信息( t a gt a l kf i r s t ，t t f ) ，有源标签一般采用这种工作方式；读写器先讲 即读写器主动唤醒标签( r e a d e rt a l kf i r s t ，r t f ) ，无源标签均采用此种工作模 式，防碰撞技术也都是基于无源标签和r t f 方式的。 1 1 3i 疆i d 技术国内外应用状况 目前r f i d 技术发展很快，已经被广泛应用于众多领域。在实际应用中，低频 r f i d 技术一般用于近距离的门禁管理，但由于其信噪比( s n ) 较低且防碰撞性能 差，读写距离受到很大限制。高频r f i d 产品可以部分的解决这些问题，它的数据 读取速度较快，而且可以实现多标签的同时识别，但读写距离仍有很大的限制。 超高频r f i d 技术由于读写距离远、能实现高速读写以及安全性好；而且由于所处 频段的特性，天线尺寸可以做到较小，便于集成整个系统，尤其适合应用在供应 链管理上，构成整个物联网的框架。但在这类应用中对设备便携式的要求很高， 山东大学硕士学位论文 如何有效的设计一款高可靠性、低功耗的超高频读写器是问题的关键。 r f i d 技术目前已经应用于以下领域： 1 、现代智能交通管理 中国铁路车号管理是亚洲目前除中国大陆二代身份证系统外最大的r f i d 技术 应用项目，将防拆卸的标签安装在火车底部，当车辆驶过监测点时，自动读取标 签信息，完成对车辆的监控。其他成功应用还包括全国联网的高速公路不停车收 费系统、各地停车场及新建小区的不停车收费系统、海关车辆进出口监管系统等。 2 、证照管理 证照防伪是目前r f i d 应用最广、规模最大的领域，我国的二代身份证系统是 目前全球最大的r f i d 应用系统。此外，学生铁路售票优惠系统、火车票实名制系 统、大型会议的电子门票以及部分地区的房产证等重要证件也都采用了r f i d 技术。 3 、供应链管理哺1 r f i d 技术，特别是超高频r f i d 技术广泛适用于追踪供应链上的产品以及货物， 能够方便的计算库存、防止假冒产品、实时的追踪供应信息。在现代制造业中， 实时的掌握一件货物是从哪里来，要运到哪里去，以及它现在所处的位置是十分 重要的，通过r f i d 技术的应用可以大幅度的提高工作效率，使产品的入库及分发 更具有效率，从而达到降低物流成本、提高效率的目的。以射频识别技术为核心 的集装箱自动识别，将记录有集装箱位置、物品类别、数量等数据的标签安装在 集装箱上，在移动时将更新的数据写入标签，就可以对其进行自动管理。除此之 外，高档木材供应链管理在德国也得到了应用。 4 、动物识别 将小玻璃封装的标签植于牲畜皮下，可以对其进行识别。目前常见的动物识 别管理包括赛鸽管理( 脚环) 、宠物管理、生猪屠宰及动物精准喂养等。将宠物植 入r f i d 标签，可以很好的解决走失宠物的归属以及宠物防疫问题。近些年来禽流 感不断威胁养殖业，许多发达国家通过对牲畜个体识别，保证大规模疾病爆发时 对感染者的有效追踪及隔离。 5 、电子支付 目前，电子支付已经广泛应用于公交一卡通、企事业单位售饭系统、学校校 园卡、计量仪表( 水、电、煤气等) 等与大众生活息息相关的领域。 6 山东大学硕士学位论文 6 、人员追踪1 近年来，我国煤矿特大型安全事故频发，引起全社会对煤矿安全生产问题的 高度重视。r f i d 技术可以应用于井下人员考勤及定位监控上，可以解决矿难责任 人隐瞒真实下井人数的问题，在救援时也可以快速定位井下人员，便于施救。 1 1 4r f i d 产业现状 从国内外的一些领先市场的经验来看，r f i d 最广泛的应用前景是在生产制 造、仓储物流和零售等领域，随着中国经济的不断发展，提高整个物流供应链的 效率尤其重要，这些领域基本上是需要超高频r f i d 产品。超高频r f i d 技术应用 于这些领域，可以实现过程控制的自动化和可追踪化，有助于降低运营成本和提 高运营效率。 在标准制定方面，2 0 0 6 年6 月9 日，中国发布了全国乃至全球r f i d 行业期待 的 3 5 3 m 3 5 3 1 3 5 6 删z2 2 13 5 m 3 5 m 4 3 3 删z0 6 9 31 i c m 1 l c m 9 1 5 删z0 3 2 85 2c m6 1 c m 2 4 5 g h z0 1 2 21 9c m1 6 4 c m 5 8g h z0 0 5 28 2 8 m3 8 5 c m 2 3e p cc l a s slg e n 2 协议介绍 超高频系统中读写器与标签之间的通信是一种半双工通信方式，即同一时间 只能由读写器向标签发送信息或者标签向读写器发送信息，二者不能同时发送信 息，而且必须遵从读写器先讲( r t f ) 的原则，只能由读写器先发起会话。由于标 签是无源的，在得到读写器天线传递的电磁波能量之前，自己不能初始化对话， 同时标签后向散射的载波强度非常小，不足以驱动别的标签与之进行通信，因此 在向标签发射完含有信息的已调信号后，读写器仍然需要发射未调制的连续载波， 来给标签供应能量。 2 0 0 6 年6 月1 5 日e p cc l a s s lg e n 2 协议正式进入i s 01 8 0 0 0 6 系列，成为 1 8 0 0 0 - 6 c 标准，相比于6 a 及6 b 协议，6 c 协议在数据速率、可靠性、设备成本等 方面有更大的优势，而且该协议完全支持e p c 编码，与物联网技术完美结合，因 此已经成为现今主流的超高频通信协议。本设计是也基于当今最为流行的e p c c l a s s lg e n 2 协议，该协议由两个层次组成：物理层和标签识别层。下面简要分析 一下这个协议。 2 3 1e p cc l a s s lg e n 2 协议物理层 物理层描述了读写器与标签之间通信的流程，对双方的通信频率、调制解调及 编解码方式、链路速率及时序进行了定义。 1 3 山东大学硕士学位论文 2 3 1 1 编码和调制 由于标签和读写器所拥有的硬件资源以及它们之间的结构非常不同，所以前向 链路( 刀 t ) 和后向链路( t - 刀) 采用不同的编码及调制方式。 对于詹= i r 链路： 采用脉冲间隔编码( p i e ) 方式；可选择双边带幅移键控( d s b a s k ) 、单边带 幅移键控( s s b - a s k ) 或反相幅移键控( p r a s k ) 对载波进行调制，读写器决定使 用哪一种调制方式，标签具备解调这三种调制波的能力。s s b a s k 是d s b a s k 滤除 一个边带的特殊情形，p r - a s k 具有最深的调制深度，这个值甚至可以达到1 0 0 ， 调制波形也更为尖锐，利于抑制噪声及标签检测时钟信号。 r - t 链路的p i e 编码符号如图2 3 所示n ： 数据0 数据1 5t a r i s 数据1s 2 0 t a f t t a d 一。0 5 t 矗r i x s t a f t p w ip w 图2 3p i e 符号 数据0 和数据1 是以一个持续不同时间的高电平起始，结束于一个等长度的低 电平( 称为p w ) 。数据0 持续的脉冲时间叫做t a r i ，这个值只能取在f 6 2 5 ，2 5 z s 之 间，是一个基本的时间段，数据1 的脉冲在1 5 到2 个t a r i 之间。p i e 编码的高 电平持续时间较长，这样做的好处是可以向无源标签供应更多的能量，增加了标 签反向散射回来的信号强度，从而提高了标签识别的距离。 对于t _ r 链路： 标签反向散射链路采用幅移键控( a s k ) 或相移键控( p s k ) 方式。标签制造商 决定调制方式，读写器能够解调两种调制方式。 标签可以对后向散射数据进行f m o 基带或者m ill e r 副载波调制编码，读写器 指定编码方式。在f m o 编码中，在所有的符号位边界发生相位转换；另外，电平 转换也发生在被发送的逻辑0 符号位的中间。f m o 符号及序列如图2 4e 1 2 所示： 1 4 山东大学硕士学位论文 同盯符号 f i o 序列 0 0 广1 广 0 0 i 厂 n ： ： ： l 0 1 n 厂 0 1 l 几； ： ： ： ： 1 0 广 n1 0 in j ，广1 j 1 i 广1 ： 图2 4f m o 符号及序列 f m o 编码方式具有记忆性，如果在数据位边界没有发生电平翻转，则必然有错 误出现，所以f m 0 编码有一定的识别数据错误能力，利于读写器对微弱的标签反 射信号进行检测。 m i l l e r 调制副载波编码的传输波形是基带波形乘以符号速率m 倍的方波，每 个比特包括2 个，4 个或者8 个副载波周期，对应m = 2 ，4 ，8 的情况，m 的取值由发 起盘存的q u e r y 指令中的m 值决定。m i l l e r 编码方式具也有记忆性，而每个副载 波中包含了更多的周期，因此相比于f m o 编码它的数据错误识别能力更强，但同 时也造成了额外的开销，导致数据率下降。当m = 2 时的m il l e r 调制副载波波形如 图2 5 所示嘲： 基带信号- 0 1 0 - i： 1 ； 1 j 昌0 载波1 = 2 _ 1n 几n 几几nr 1 1 ： ： 结呆1 厂1 ：r 几厂 几几 0 ：o： 1 ： 1 图2 5m i l l e r 调制副载波波形( m - - - 2 ) 2 3 1 2 数据速率 忽略诸如链路时序、前同步码及结束位的影响，讨论数据速率如下： r = t 链路：由于数据0 比数据1 要短，假设二者是等概率出现的，在取不同 的t a r i 值条件下前向链路的数据速率如下： 丽面靠而蜕6 石7 1 2 呦州趴 t = r 链路：t r c a l 和除法比率( d r ) 及标签的反向散射链路频率( b l f ) 的关 1 5 臼 o 1 日 o ， 山东大学硕士学位论文 系为：b l f = 而d r ，。r 是盘存命令中的一个参数取值为6 4 3 或8 ，因此b l f 的 取值值在 4 0 ，6 4 0 k h z 之间。考虑到m i l l e r 编码中副载波周期个数( m - 2 ，4 ，8 ) 的影响，数据速率修改为：b l f m j 56 4 0 k b i t s 。 2 3 1 3 工作频段划分 考虑到自身具体的状况，各个国家之间的超高频频段规定是不同的。为了适应 各地不同的要求，读写器必须具有在8 4 0 - - 9 6 0 m h z 之间整个频率段上操作标签的 能力。各国划定的超高频r f i d 设备使用的频段如表2 2 所示n 3 1 。 表2 2 各国超高频r f i d 划分的频段 形黝“翟象5 鳓一翻睁频段疆主箩獬俐粥秽7 掏家1 粥弋矗球频段- ( 滴彩锄9 嬲舄 k d ，。“m “_ “自_ g “n ，、。 m 搋“：。、m 。越 蠡a 搋二纽血二。、知，o “ 自g 溯 欧盟8 6 5 8 6 8韩国9 0 8 5 9 1 4 美国、加拿大 9 0 2 勺2 8 澳大利亚 91 8 - - 9 2 8 日本 9 5 0 - - 9 5 6 中国8 4 0 5 - 8 4 4 5 ，9 2 0 5 9 2 4 5 频段分配与数据速率密切相关，欧洲的标准要求这3 m h z 带宽分为1 5 个频道， 这样每个频道为2 0 0 k l t z 带宽。采用双边带幅移键控( d s b - - a s k ) 调制时，当t a r i 值设定为2 5 z s 时，频谱所占的带宽为1 5 5 k h z ( - 6 0 d b m ) ，如图2 6 所示： 图2 6 信号所占带宽图 如果将t a r i 值设定为1 2 5 s ，根据傅里叶变换，时域上缩小一半相当于频域 上扩大一倍( 时缩频展) ，这样带宽就要求为3 1 0 k h z ，超过了欧洲的标准要求。因 此需要根据各国不同的规定调整调制解调参数，以满足当地无线电管理规定。 2 3 2e p cc l a s s lg e n 2 协议标签识别层 标签识别层是读写器管理标签群所需要的命令，由选择、盘存、访问三种基本 1 6 山东大学硕士学位论文 操作来实现，每种操作又包含一系列相关的命令。 标签选择操作使用一个简单命令s e l e c t ，读写器可以根据用户的标准选择一 个特定的标签群，读写器可以基于标签的分区进行并、交、取反等操作对标签进 行筛选。通过发送多条不同的s e l e c t 命令，读写器逐渐分离出符合盘存条件的标 签，这可以减少参与盘存的标签数量。 盘存是识别标签的过程，用来和标签建立通信关系以进一步对标签进行操作。 盘存命令及功能如表2 3 所示。 表2 3 盘存命令功能表 ” 命令”掣一类型删一。”一7 ”功摧1 一聊”嘲弼 翰k 如，。，t ?，。渤 q u e r y强制性开启一个新的盘存周期，更新q 值 q u e r y a d j u s t强制性更新q 值，但不开启新的盘存周期 q u e r y r e p强制性重复查询，时隙计数器减1 a c k 强制性确认标签 n a k 强制性不确认标签 在确认一个标签后，读写器可以选择访问它。标签访问命令如表2 4 所示。 表2 4 访问命令列表 【_ i 冀= 类型。一”研一”功能一甲”一一 。“t 赳二t_j r e q - r n强制性要求标签回答随机数 r e a d 强制性读标签存储区域 w r i t e 强制性写标签存储区域 k i l l 强制性灭活标签 l o c k强制性锁标签 a c c e s s可选使标签进入安全状态 b l o c k w r it e可选 写多个字节 b lo c k e r a s e 可选擦除多个字节 2 4 本章小结 本章对e p c 协议中标签的分类标准，超高频r f i d 系统基本组成、天线辐射原 理和目前最流行的e p cc l a s s lg e n 2 协议，作了简要的介绍，目的是为下面具体 的读写器软、硬件设计明确目标及参考标准。 山东大学硕士学位论文 第三章超高频便携式l i d 读写器硬件系统设计 3 1 超高频便携式r f i d 读写器架构 超高频便携式读写器，一般由天线、射频处理模块、基带数字信号处理模块、 上位机模块以及电源管理模块等五部分组成。整体架构如图3 1 所示： 图3 1u h f r f i d 读写器结构 天线是生成整个辐射场的关键，负责射频信号的发射和接收，它将射频信号 发射出去形成射频场，同时接收标签后向散射回来的电磁波信号交给射频模块处 理。 射频模块是以a s 3 9 9 1 芯片为核心，搭配相关外围电路进行设计的。 $ 3 9 9 1 是 奥地利微电子公司生产的超高频读卡器芯片，在功耗及成本控制方面有独到的优 势，属于目前业界功耗最低的超高频解决方案。 基带数字处理部分( m c u ) 包括对各种信息进行编解码处理，c r c 校验以及防 碰撞算法的处理，并要接受上位机的指令及向上位机反馈信息。本论文选择t i 公 司的m s p 4 3 0 f 1 5 7 单片机作为主控c p u 来控制整个射频及基带电路，其不仅具有强 大的处理能力，而且可以有效降低整机的功耗，满足便携式设备的要求。 m s p 4 3 0 f 1 5 7 通过g p i o 口与a s 3 9 9 1 通信，同时通过串行口( u a r t ) 与上位机通信。 为了达到便携的目的，既不能使用p c 机等大型设备，整机功耗也要严格限制。 在上位机方面，本论文采用以a r m 9 s 3 c 2 4 4 0 处理器为核心的嵌入式平台，该平台 不仅具有强大的功能，而且支持多种主流的嵌入式操作系统，嵌入w i n c e 操作系 统后，可以给用户提供一个类似于p c 机的图形化的人机交互界面，并支持触摸屏 操作。 1 8 山东大学硕士学位论文 整个设计的各个模块具体组成框图如图3 2 所示： 图3 2 读写器组成模块图 3 2 射频收发模块设计与论证 3 2 1 总体架构 射频模块总体结构如图3 3 所示： 图3 3 射频模块组成框图 a s 3 9 9 1 n 们具有信号编码器和c r c 生成器，支持e p cc l a s s lg e n 2 协议，使用 的频率范围从8 4 0 m h z 到9 6 0 m h z ；内部集成了尽可能多的用于超高频通信的电路， 以降低整个读写器电路的功耗；可以输出最高为o d b m 左右的已调射频载波信号。 由于超高频r f i d 系统采用无源标签，只能靠读写器通过天线发射的能量来驱动内 部电路工作，这个数量级的载波所能达到的距离有限，因此需要外接功放来对其 进行放大，提高发射信号