（电路与系统专业论文）基于EPC+Class1+Gen2的读写器软件设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于e p cc l a s s lg e i l 2 的读写器软件设计与实现 摘要 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 ) 是一种兴起子2 0 世纪8 0 年 代的非接触的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。 r f i d 在本质上是物品标识的一种手段，它被认为将会最终取代现今应用非常广 泛的传统条形码，成为物品标识的最有效方式。和其他r f i d 协议相比，g e n 2 具 有可变的通信速率、可伪装的通信数据以及良好的防冲突性能，从而成为未来数 年r f i d 发展的一个方向。本文以g e n 2 空中接口协议为对象，研究设计了一套能 实现g e n 2 的软件模块，主要内容包括： ( 1 ) 阐述r f i d 的发展以及r f i d 系统构成，对比了g e n 2 和其他通用的协 议的优缺点； ( 2 ) 提出读写器软件模块的划分以及关系框图，分析设计了应用程序接口模 块、存储管理模块以及标签授权模块。每个模块都给出了详细的功能说明、设计 思想以及设计流程或设计伪码； ( 3 ) 分析g e n 2 协议的各项功能，包括g e n 2 的物理链路层和标签协议层， 并设计了实现g e n 2 协议的软件模块，内容包括数据编解码、标签读写、标签锁 定、标签销毁，每项功能给出了相应的算法流程和算法说明。此外，详细设计了 报告模式下的多标签读流程以及提高写标签成功率的方法； ( 4 ) 测试了以本设计为软件代码的读写器的功能和性能，并对比设计要求对 测试数据进行了分析。 经过实际的测试表明，本设计开发的软件模块能稳定有效地运行，以此为代 码的读写器能准确快速地对g e n 2 标签进行操作，在读写准确度、读写成功率、 读写距离、锁定以及销毁性能等指标上都达到设计要求。 关键词：射频识别；e p cc l a s s l 2 ；读写器；冲突 硕士学位论文 a b s t r a c t r a d i of r e n q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n( r f i d )i sak i n dc o n t a c t l e s si d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yb e g i n si n l9 8 0 s ，w h i c hi d e n t i f y st a r g e ta n do b t a i n sr e l a t e dd a t at h r o u g h r a d i of r e q u e n c ys i g n a l m e a n w h i l e ，t h ep r o c e d u r en e e d sn o ta na r t i f l c i a li n t e r v e n t i o n a c t u r a l l ys p e a k i n g ，r f i di sak i n do fm e a n so fp r o d u c tm a r k i n ga n di t i st h o u g h tt o b ear e p l a c e m e n to ft r a d i t i o n a lc o d e b a ra sa ne f 传c t i v ei d e n t i n c a t i o nm e t h o d c o m p a r a t i v e l y ，g e n 2h a si t so w nc h a r a c t e r i s t i c ，a l t e r a b l et r a n s m i t t i n gr a t e ，m a s k a b l e t r a n s m i t t i n gd a t aa n de x c e l l e n ta n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m ，w h i c hm a k e sg e n 2b eam a i n d i r e c t i o no fr f i dd e v e l o p m e n ti nt h en e a rf u t u r e t h i sp a p e rd e g i g n e sas o f t w a r e m o d u l eb a s e do ng e n 2a i ri n t e r f a c ep r o t o c 0 1 t h ec o n t e n ti n c l u d e s ： f i r s t l y ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fr f i d ，a n di t sc o n l p o s i t i o n ，w o r k p r i n c i p l e a l s o ，s o m ec o m p a r i s o n sa r em a d eb e t w e e ng e n 2a n do t h e rp r o t o c o l st h a t a r eu s i n gc o m m o m l y s e c o n d l y ，p r o p o s et h ed i v i s i o na n dr e l a t i o n s h i pc h a r t o fr e a d e r ss o f t w a r e ， a n a l y z e s a n dd e s i g n e st h e f o l l o w i n gm o d u l e s ：a p p l i c a t i o np r o 铲a m m ei n t e r f a c e m o d u l e ，m e m o r ym a n a g e m e n tm o d u l ea n dt a g - a u t h o r i z a t i o n m o d u l e f u n c t i o n d e s c r i p t i o n ，d e s i g nt h i n k i n ga n df l o wc h a no rp s e u d oc o d ei sg i v e nt oe a c hm o d u l e t h i r d l y ，t h ep a p e ra n a l y z e sv a r i o u sf u n c t i o no fg e n 2 ，i n c l u d i n gp h y s i c a ll i n k l a y e ra n dt a gp r o t o c o ll a y e r t h ec o n t e n ti n c l u d e sd a t ae n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，t a g r e a da n dw r i t e ，t a g1 0 c k ，t a gk i l la n da l g o r i t h mf l o wa n dd e s c r i p t i o n i na d d i t i o n ， m u l t i t a gr e a di nr e p o r r tm o d ea n dm e t h o dt oi m p r o v es u c c e s sr a t i oo ft a g w r i t ea r e d i s c u s s e d f o u i r t h l y ，f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo far e a d e r ，w h o s es o r w a r ec o d ei sb a s e do n t h i sd e s i g n ，i st e s t e d ，a n dc o m p a r e dw i t he x p e c t e dg o a l s t h r o u g ha c t u a lt e s t ，i ti ss h o w nt h a tt h ed e v e l o p e ds o f 分1 ) ，a r e m o d u l ec a nr u n s t e a d i l ya n de f 佗c t i v e l ) - r e a d e rb a s e do nt h ec o d e c a no p e r a t eg e n 2t a g ( s ) t h e p e r f o r m a n c eo fa c c u r a c y ， s u c c e s sr a t i o ， o p e r a t i o nd i s t a n c e ，t a g 一1 0 c k ，t a g k i l l a r e a t t a i n e dt oe x p e c t e dd e s i g nr e q u i r e k e yw o r d s ：r a d i of 咖q u e n 呵i d e n 饰c a t i o n ；e p cc l a s s lg e n 2 ；r e a d e r ；c o l l i s i o n h i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：媚盖日期：洲廖年夕月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 胡l 盔 蕴郎 日期：w d 彦年f 月工日 日期： 栌，月口曰 硕士学位论文 1 1 概述 第l 章绪论 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 ) 是一种非接触的自动识别 技术。r f i d 技术兴起于2 0 世纪8 0 年代，随着超大集成电路的发展，9 0 年代该 技术进入了实用阶段。由于其具有高可靠性、高安全性和高抗干扰性，又可以识别 高速运动物体及同时识别多个对象，近年来，自动识别方法在许多服务领域、货 物销售与后勤分配方面、商业部门、生产企业和材料流通领域得到了快速的普及 和推广。我国的第二代身份证即采用了r f i d 技术，世界上最大的零售商沃尔玛 也要求其最大的l o o 个供应商从2 0 0 5 年1 月1 日起开始采用r f i d 技术h ，引。 r f i d 技术实现的基础是利用电磁能量实现通信，r f i d 技术的发展其实是人 对电磁能的认识过程，最早可以追溯到第二次世界大战期间口1 。当雷达发明的时 候，r f i d 首次应用在英德的空战当中，其当时的功能是用于分辨出敌方飞机与 我方飞机。最初，雷达并不能区别出是英国飞机还是德国飞机，之后，英方的飞 机上装载有高耗电量的主动式标签( a c t i v et a g ) ，当雷达发出询问的讯号，这些 标签就会发出适当的响应，藉以识别出自己是友军或是敌军。此系统称为 i f f ( i d e n t i f yf r i e n do rf o e ) ，因此雷达帮助英国人赢得了战争。r f i d 直接继承了 雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的a i d c ( a u t oi d e n t i f i c a t i o na n dd a t e c o l l e c t i o n ，自动识别与数据采集) 新技术r f i d 技术。1 9 4 8 年哈里斯托克曼 发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别的理论基础。2 0 0 0 以后，r f i d 标 准化问题日趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电 子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩 大。 r f i d 技术在国外的发展较早较快，尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞 士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。从全球范围来看，美国 已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列h 1 。 根据美国的杨基集团( y a n k e eg r o u p ) 对无线i c ( r f i d ) 基础设施市场的调 查结果，到2 0 0 8 年r f i d 基础设施市场的销售额将达4 2 亿美元。随着导入r f i d 规模的扩大，提供r f i d 标签、读取设备、网络装置等的厂商将明显受益。另外， 数据库、企业应用、企业间通信、系统集成等领域也将出现无限商机。而据d e l o i t t e 研究中心的分析和预测，从2 0 0 6 年开始，供应链将成为推动r f i d 的主要产业， 而且每年都在高速成长，推动r f i d 产业前进。至2 0 0 9 年，约7 0 的r f i d 应用 都在供应链产业中。事实上，供应链的每一个环节加入r f i d 之后，就会变得更 加顺畅，相对的其他产业所占的比例也只有3 0 而已。 基于e p cc l a s s lg e n 2 的读写器软件设计与实现 目前，国内外支持g e n 2 协议的读写器越来越多，功能上也趋于完整。从国 外的情况来看，加拿大s i r i t 公司的i n n n i t y2 1 0 ( i n 2 l o ) 将e p c 的协议功能模块 化，i n 2 10 支持多种e p c 协议，包括c l a s s 0 、c l a s s l 、g e n 2 ，另外，根据固件代 码的不同，还提供对i s o1 8 0 0 0 6 b 的支持。i n 2 l o 的工作频率9 0 2 9 2 8 m h z ，随 机调频，跳频不可控，但提供测试用的定频功能；在射频功能上，i n 2 1 0 具有最 大l w ( 3 0d b m ) 的射频输出功率，用户可以根据需要自由调节，模块的射频输 出兼容f c cp a n l 5 标准；从g e n 2 的功能上来说，i n 2 1 0 可以读取g e n 2 标签的 e p c 块和u s e r 块数据，另外，还提供写e p c 、锁定、销毁功能。遗憾的是，i n 2 1 0 不能写u s e r 块数据，这在实际的应用中可能造成不便，从而限制了i n 2 1 0 的使用 范围。 此外，s a m s y s 公司的m p 9 3 1 1 也是一种支持多协议的r f i d 模块，并通过 了e p cg l o b a l 的i 贝4 试，将e p cc l a s s lg e n 2 、e p cc l a s sl 、e p cc l a s s0 ( 包括i m p i n j 0 + & m a t r i c s0 + ) 、i s o18 0 0 0 一6 a 、i s o18 0 0 0 6 b 、e mm a “n4 0 2 2 ，4 2 2 2 ，4 2 2 3 、 i n t e r m e c i n t e l l i t a g 、p h i l i p su c o d e e p c1 1 9 等协议集成在一起，向用户提供 多方向、可选择的r f i d 功能。m p 9 3 1 l 的工作频率比i n 2 1 0 宽，在8 6 5 9 5 5 m h z ； 射频输出功率在0 0 0 2 w 到0 6 w ，用户可调；m p 9 3 1 l 采用5 v 直流电压供电，空 载电流有o 6 a ，模块功耗较大，模块的发热量很大，所以不适于构建要不间断工 作的台式机，构建手持机时对电池要求较大，目前主要用于有外部电源供电，且 能间断工作的设备上，如打印机等。 2 0 0 7 年中，i n t e l 推出支持g e n 2 协议的集成芯片一t i l d e n ，超高频射频读写 器开始进入芯片化组建的时代。t i l d e n 只支持g e n 2 协议，g e n 2 协议功能被作为 芯片的固件集成在芯片内，用户只需要开发上层应用部分；覆盖频率8 6 0 9 6 0 m h z ，兼容f c c 和e t s i 标准，此外，t i l d e n 还支持l b t ( l i s t e nb e f o r e t a l k ) 功能，为以后的多读写器工作提供基础。目前，t i l d e n 还处在厂家测试阶段，相 信不久的将来，随着t i l d e n 的完善，r f i d 读写器进入模块化搭建时代，r f i d 的 热点也将随着进入中间件和大型物流网的研究阶段。 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步形成。比较典型 的是中国铁路车号自动识别系统建设，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自 动识别系统。中国铁路车号自动识别系统研究正式起步阶段可追溯到国家铁道部 的货车自动抄车号项目哺1 。在2 0 世纪9 0 年代中期，国内有多家研究机构参与了 该项技术的研究，探索了多种实现方案，最终确定了r f i d 技术为解决货车自动 抄车号的最佳方案。经过多年的现场运行，铁路车号自动识别系统工程于1 9 9 9 年全面投入建设。 在r f i d 技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微 波r f i d 电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。与国外r f i d 先进技术 2 硕士学位论文 之间的差距主要体现在r f i d 芯片技术方面。尽管如此，在标签芯片设计及开发 方面，国内已有多个成功的低频r f i d 系统标签芯片面市。 2 0 0 7 年4 月2 0 日，信息产业部正式发布8 0 0 9 0 0 m h z 频段射频识别( r f i d ) 技术应用试行规定的通知，划定8 4 0 8 4 5 m h z 和9 2 0 9 2 5 m h z 为8 0 0 9 0 0 m h z 频 段r f i d 技术的具体使用频率。总体而言，我国射频识别技术应用状况还处于初 级阶段，市场前景非常广阔。不久的将来，我国射频识别技术应用将在生产线自 动化、仓储管理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面有 所突破。实现射频识别技术在我国成熟、全面的应用将是一个长期的过程，需要 业内人士共同的努力。 尽管r f i d 在技术和应用上得到了越来越广泛的关注，但也遇到了不少挑战， 主要表现在成本、标准、精确度与应用模式等方面。主要表现在下面几个方面： 相关的标准不统一；高价位限制了r f i d 标签在低价值产品上的使用；技术的不 成熟，使r f i d 系统不能应用于某些特殊的产品，如液体或金属罐等；r f i d 的大 规模应用涉及到的隐私保护以及安全问题也成为一些个人和组织抵制r f i d 应用 的主要理由埔川。 总而言之，射频识别技术未来的发展中，在结合其它高新技术，比如g p s 、 生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通信及 计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。我们有理由相信r f i d 的发展潜力是巨 大的，它的前景非常诱人，也将是未来一个新的经济增长点。 1 2 选题背景以及研究方法 1 9 9 9 年美国麻省理工学院的一位教授提出了电子产品代码 ( e l e c t r o n i c p r o d u c tc o d e ，e p c ) 的概念，它克服了条形码无法识别单品、只能接 触识别、易破损丢失信息等缺点埔9 1 。继而几所世界著名大学联合成立a u t o i d 中 心，提出了e p c & r f i d 系统的构想，r f i d 系统以e p c 代码为索引，运用r f i d 技术，依托互联网技术实现对单品进行唯一标识和跟踪。第二代e p c ( g e n 2 ) 以其独有的特点，如高抗干扰性、高通信速率、灵活多变的通信方式以及良好的 标签识别性能，成为未来几年内r f i d 的一个发展方向，并广泛地应用于物流、 生产、交通运输、设备和资产管理等方面。 一个完整的r f i d 系统包括电子标签、读写器、中间件软件、e p c i s ( e p c i n f o r m a t i o ns e r v i c e ) 、o n s ( o b j e c tn a m es e r v i c e ) 等几部分组成。读写器是 r f i d 系统的重要组成部分，从r f i d 系统的功能划分来说，读写器相当于一个数 据采集设备，它通过无线通讯完成电子标签的数据采集任务，采集的数据是标签 的唯一序列号。读写器在完成采集操作之后，将数据提供给上层应用。目前国内 成熟的读写器产品集中在1 2 5 k h z 、1 3 4 k h z 的低频段和1 3 5 6 m h z 的高频段， 基于e p cc 1 a s s lg e n 2 的读写器软件设计与实现 9 0 0 m h z 的产品也已研发应用。 本课题来自深圳先施科技有限公司的e p c 读写器s 1 8 6 4 e 的软件部分。该读 写器的软件程序包括g e n 2 协议处理模块、存储管理模块、应用程序接口模块等。 其中，g e n 2 协议处理模块是读写器的核心模块，在读写器的设计过程中独立开发 的，其他的模块与g e n 2 协议处理模块进行数据通信，从而形成完整的读写器软 件。 读写器的核心处理模块是r f i d 协议处理模块，该模块既可以完成与标签的 通信，也可以完成对标签的命令操作，从而实现对标签的各项操作。本文经过对 e p cc l a s s lg e n 2 协议的分析，设计提出一种r f i d 协议处理的软件模块，该模块 分多个子部分构成g e n 2 功能，可以对g e n 2 标签进行各种操作，包括读标签、写 标签、锁定标签、销毁标签等。经过实践，该模块能正确对g e n 2 标签做各种操 作，并能满足应用需求。考虑到实际应用的千变万化，实际的设计代码还需要在 简单操作之外实现较复杂、特殊的功能，这时，需要充分利用g e n 2 本身的特性。 例如，在本文中，利用g e n 2 的4 个会话( s e s s i o n ) 的特性而提出报告模式的多 标签读，从而使r f i d 系统更灵活。基于g e n 2 协议本身的特点，设计合理的流程 和参数，并结合实际需求来做设计，这正是本课题的研究方法所在。 1 3 论文构成 本论文整体上划分为3 大部分：介绍部分、分析设计部分、测试数据部分。 主要内容包括： 第一章：阐述了r f i d 技术在国内的发展现状、面临的问题以及今后的发展 趋势，介绍了本课题的选题背景和主要的研究内容、方法。 第二章：介绍了r f i d 系统的组成及工作原理，重点对比了e p cc l a s s lg e n 2 和其他国际标准协议的性能优缺点，从而得出e p cc l a s s lg e n 2 作为未来数年内 r f i d 发展方向的因素所在。 第三章：介绍基于e p cc l a s s lg e n 2 的软件系统设计，包括总体框图、存储 管理模块、标签授权功能模块、应用程序接口模块的设计与实现，各个模块都给 出了详细的分析和说明。 第四章：介绍e p cc l a s s lg e n 2 软件模块，这是本文的核心重点，内容包括 通信信号的编解码以及标签操作子模块的设计，每个字模块都给出了详细的流程 图设计、参数设置和流程分析。本文的难点和创新点也在这章体现。 第五章：根据所设计的软件流程，给出了以此为代码核心的读写器的部分测 试报告，重点给出了e p cc 1 a s s lg e n 2 模块功能的测试报告。此外，对测试结果 作了详细的分析。 4 硕士学位论文 第2 章射频识别系统及其标准协议 2 1i 汪i d 系统的组成与工作原理 1 r f i d 系统的基本组成 一个完整的r f i d 系统包括电子标签、读写器、天线、中间件软件、e p c i s ( e p c i n f o r m a t i o ns e r v i c e ) 、o n s ( o b j e c tn a m es e r v i c e ) 等几部分组成n 剖。其中电子 标签、读写器以及天线是r f i d 系统的最基本部分，任何r f i d 系统都有这3 部 分，而e p c i s 、o n s 和中间件主要在大型的网络性质的应用系统中才有。在小型 的应用系统中，主要由简单的上层控制软件来对整个r f i d 系统进行配置与管理。 目前，国内r f i d 的应用厂商对中间件的认识和投入不足，因此中间件、e p c i s 、 o n s 尚未形成稳定的标准，未来的发展需要很长的路要走。 ( 1 ) 读写器( r e a d e r ) ：读取( 或写入) 标签信息的设备，读写器与射频标签 之间通过空间信道实现半双工通信，读写器向标签发送操作命令，标签接收读写 器的命令后做出必要的响应，由此实现射频识别。此外，在射频识别应用系统中， 通过读写器实现的对标签数据的操作信息均要与上层应用系统交换，这就形成了 读写器与应用系统程序之间的接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序 接口) 。通常要求读写器能够接收并解析来自应用系统的命令，并且根据应用系统 的命令作出相应的响应，从而构成从底层数据采集到上层应用的完整的r f i d 系 统。 读写器本身从电路实现角度来说，又可划分为两大部分，即：射频模块与基 带模块n 。射频模块实现的任务主要有两项，第一项是实现将读写器欲发往标签 的命令调制到射频信号上，经由发射天线发送出去。射频模块的第二项任务即是 实现将射频标签返回到读写器的回波信号进行必要的加工处理，并从中提取出射 频标签回送的数据；基带模块实现的任务也包含两项，第一项是将读写器处理器 单元发出的命令信号进行编码，第二项任务即是对解调处理的标签返回信号进行 必要的处理( 包含解码) ，并将处理后的结果送入读写器的处理器单元。一般情况 下，读写器的处理器单元也划归基带模块部分。处理器是读写器的控制核心，并 通过编写相应的软件形成读写器与后续应用程序之间的接口a p i 。 ( 2 ) 天线( a n t e n n a ) ：天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，主 要用于在标签和读写器问传递射频信号。射频信号上加载低频的标签命令，标签 从射频信号获得能量，并对命令做出应答，天线接收标签的应答信号。 ( 3 ) 标签( t a g ) ：电子标签通常由标签天线( 或线圈) 及标签芯片组成。标签芯 片相当于一个具有无线收发功能和存贮功能的单片系统( s o c ) 。从纯技术的角度来 基于e p cc l a s s lg e n 2 的读写器软件设计与实现 说，射频识别技术的核心在电子标签，读写器是根据电子标签的设计而设计的。 虽然，在射频识别系统中电子标签的价格远比读写器低，但通常情况下，应用中 电子标签的数量是很大的，尤其是物流应用中，电子标签可能是海量并且是一次 性使用的，而读写器的数量则相对要少得多。 实际应用中，根据电子标签内部是否有电池及电池的作用将电子标签分为无 源标签( p a s s i v e ) 、半无源标签( s e m i - p a s s i v e ) 和有源标签( a c t i v e ) 三种类型。无源标 签没有内装电池，在读写器的射频区域范围之外时，标签处于无源状态，在读写 器的阅读范围之内时标签从读写器发出的射频能量中提取其工作所需的电能；半 无源标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工 作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。标签未进入工作状态前，一 直处于休眠状态，相当于无源标签。标签进入工作状态后，用于传输通信的射频 能量与无源标签一样源自读写器；有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同 时标签电池的能量供应也部分地转换为标签与读写器通信所需的射频能量。 按照存储的信息是否被改写，标签也被分为只读式标签( r e a do n l y ) 和可读 写标签( r e a da n dw r i t e ) 。只读式标签内的信息在集成电路生产时即将信息写入， 以后不能修改，只能被读取；可读写标签将保存的信息写入其内部的存储区，需 要改写时也可以采用专门的编程或写入设备擦写。一般将信息写入电子标签所花 费的时间远大于读取电子标签信息所花费的时间。 每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；每个标签都有 一个全球唯一的i d 号码一u i d ，u i d 是在制作芯片时放在r o m 中的，用于读写 器对标签的唯一定位。另外，在电子标签的存储单元中，除了不能修改的u i d 数 据区外，还有可修改的用户数据区( u s e r ) ，供用户存放需要经常修改的数据，如 交易时间，交易金额等，用户数据区可以进行读写、覆盖、增加、锁定等操作。 2 r f i d 系统的工作原理 r f i d 系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中 保存有特定格式的电子数据。读写器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的 电子数据，从而达到自动识别物体的目的。 读写器将标签能识别的信号调制到超高频载波上，通过发射天线发送调制后 的射频信号；当电子标签进入发射天线射频区域时产生感应电流，电子标签获得 能量被激活，电子标签将自身编码等信息通过标签内置的发送天线发送出去；读 写器接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，并对接收的信号进行解调和 解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性， 针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 r f i d 系统中，读写器和标签的通信是半双工的，每次通信由读写器发起， 标签被动应答，标签返回信息所需要的能量全部从读写器发出的超高频载波信号 6 硕士学位论文 中获得。由于通信过程使用超高频信号进行，识别过程实现了无接触n 2 1 。 3 r f i d 系统的性能参数 r f i d 系统的参数包括工作频率，发射功率，读写距离和对标签的读写速度， 根据不同的参数可以应用在不同的实际应用中u 引。 ( 1 ) 频率：通常读写器发送时所使用的载波频率被称为r f i d 系统的工作频率。 射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理( 电感耦合还是电磁耦 合) 、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。基本上 划分为：低频( l f ，3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( h f ，3 3 0 m h z ) 、超高频( u h f ，3 0 0 9 6 8 m h z ) 和微波( u w f ，2 4 5 5 8 g h z ) n 引。 各种频率的特性如表2 j l 。 表2 1 砌i 系统的频率特性 低频高频超高频 微波 频率 1 2 5 1 2 4 k h z1 3 5 6 m h z4 3 3 9 2 m h z8 6 0 9 6 0 m h z2 4 5 g h z 3 5 5 m ( p )1 m ( p ) 识别距离 1 0 m 写标签距离：使用1 2 d b i 天线 3 m 2 应用程序接口模块 处在读写器软件系统的最顶层，主要功能包括接收上层应用系统的命令包， 并对命令包进行解析，分离其中的参数，并发给协议处理模块进行处理；在命令 执行结束后，读写器通过应用程序接口模块向上层应用系统返回命令执行的结果。 另外，应用系统还可以通过本模块对读写器的参数进行配置，如配置读写器的射 频功率、调频参数、输出端口参数等。 3 参数配置模块 1 6 硕士学位论文 不同的使用者有不同的使用需求，需要针对不同的环境对读写器进行配置， 而且，读写器可以工作在自动模式下，该模式下的定时参数也需要进行相应的配 置。参数配置模块从应用程序接口模块获得需要的配置参数，配置过程结束后， 再返回配置的结果。配置使用的参数保存在非易失性存储器中，如f l a s h 、p p r o m 等，配置过程和硬件相关。 4 e p cc l a s s lg e n 2 协议处理模块 读写器软件系统的核心模块，主要处理标签协议，读写器使用不同的协议处 理模块可以操作不同的标签。本模块和其他的模块进行数据交换，从而完成读写 器的功能。e p cc 1 a s s lg e n 2 模块设计的详细内容见第4 章 5 数据输出控制模块 主要用于输出标签数据到外部控制器。读写器在读到了标签的数据后，需要 将数据输出，以控制外部设备，如门禁系统等。一般输出的数据是标签的唯一序 列号。输出端口可以是r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、w i e g a n d 或者c a n 等。 6 存储管理模块 主要用于临时性地存储标签数据。由于标签的读取速度大于标签数据的输出 速度，读写器在读取了多张标签后，不可能及时地将数据输出，此时，需要将数 据保存起来，以便空闲的时候输出。存储管理功能包括数据记录的录入、获取等。 本模块配合相应的存储器接口函数，可以构成完整的存储功能。 7 标签授权模块 e p cc l a s s lg e n 2 的读写器可以读取任何g e n 2 标签。但在实际的应用当中， 一个系统使用的标签总是有限的，当不属于本系统的标签闯入时，读写器一样能 识别该标签，这对实际的使用造成极大的不方便。标签授权就是为了解决这一问 题而设的，读写器对系统内的标签进行授权写入，只有经过授权的标签才被识别。 当有外部的标签闯入时，如果读写器检测到该标签的授权码不符，对该标签不做 理睬。授权操作相当于将标签划分成不同的群。 3 2 应用程序接口模块的设计 作为读写器和外部的接口部分，应用程序接口模块的重要性是不言而喻的， 一方面，外部系统通过本模块对读写器的性能参数进行设置与获取，另一方面， 外部系统也可以通过本模块对标签进行操作，如读、写等。所有从读写器外部发 出的要求都经过应用程序接口模块进行解析、翻译，之后，再由该模块发出命令， 调用合适的功能函数执行操作，在操作结束后，应用程序接口模块还要返回操作 结果。可以说，应用程序接口模块协调了读写器各软件模块的具体工作。因此， 1 7 合适的模块设计可以使读写器更好地工作，并为将来的软件扩展提供空间。 3 2 1 通信协议的设计 通信协议是应用程序接口的基础。由于应用程序接口连接读写器和外部系统， 这就需要合理的通信协议来说明通信的双方怎么提出操作要求，以及怎样返回操 作结果，并描述通信的帧结构、返回的状态信息和命令码等等。通过应用程序接 口模块可以对读写器软件的其他所有模块进行操作，包括参数设置、读取、标签 操作、数据记录的录入获取等，综合这些要求，外部系统到读写器的命令帧格式 如表3 1 ： 表3 1 读写器接收的命令帧格式 m s b c o m m a n df r a m el s b s o f l e n g t h r a d d rc m ds u b c m dp a r a m e t e rc r c 1 6 1 b y t e l b v t e1 b v t e1 b v t el b v t e0 l2 7 b v t e s2 b v t e s 表中各参数的说明如表3 2 ： 表3 2 命令帧数据域的说明 序号字段名称含义 l s o f 帧起始标志 s t a no f f r a m e ，固定值为0 x a a 除s o f 外的所有字节数，即l e n g t h 到c r c 的字 2 l e n g t h 帧长度 节数，最大长度3 6 b y t e s 。 取值范围0 x 0 0 0 x f o ，0 x f f 为广播地址，o x f l 0 x f e 保留。每台读写器都有个网络编码地址，如果 主机要访问其中某一台读写器，就要发送与读写器网 络编码地址相对应的命令帧，读写器在收到与其网络 读写器网络 编码地址相对应的命令帧后，执行命令码对应的操作。 3r a d d r 包含广播地址的命令帧主要是主机发送广播消息 编码地址 给读写器网络中的所有读写器，用于实现对读写器网 络中所有读写器进行相同控制的功能。 如果命令帧的网络编码地址为广播地址，即访问 的网络编码地址为o x f f ，则所有读写器都执行该命令 帧，但读写器不返回应答帧。 命令码是针对模块的，如对读写器参数设置、存 4c m d命令码储管理功能、e p cc l a s s lg e n 2 处理功能、数据输出端 口等不同模块使用不同的命令码 5s u b c m d子命令码 子命令码针对某个模块的具体设置内容。 参数长度是可变的，对于一些不需要参数的命令， 6p a r a m e t e r命令参数 如查询当前读写器是否连接正常，参数域的长度为o 从l e n g t h 到p a 豫m e t e r 的所有数据的c r c 校验， 7c r c 1 6c r c 校验 校验算法采用c r c c c i t t ：x 1 6 + x 1 2 + x 5 + l 。 硕士学位论文 命令帧由外部系统主机发出，读写器接收命令帧，首先判断命令帧的r a d d r 是否和自己的地址相符，如果相符，接收以后的命令数据，否则，丢弃之前接收 的数据，清空接收缓存区需要注意的是，对于广播地址，所有的读写器都接收并 响应。读写器通过对比接收的数据个数和l e n g t h 域来判断接收是否完成。接收完 成后，读写器计算帧的c r c 1 6 校验，并和接收帧的c r c 1 6 域比较，以此来判 断接收数据的完整性，只有校验正确的帧才被执行。 读写器在执行了命令帧之后，向主机返回执行结果，返回帧的帧格式如表3 3 ： 表3 3 读写器的返回帧格式 m s b r e s p o n s ef r a m e l s b s o f l e n g t hi m p e r a d d rc m ds u b c m d r e s p o n s e c r c 1 6 1 b v t e1 b v t e1 b v t e 1 b y t el b y t e 1 b v t e1 1 3 2b y t e s2 b v t e s 返回帧各个域的说明如表3 4 ： 表3 4 返回帧数据域说明 序号字段名称含义 1s o f 帧起始标志 s t a no f f r a m e ，固定值为o x a a 除了s o f 外的所有字节数，即l e n g t h 到c r c - 1 6 的字 2 l e n g t h帧长度 节数。最大长度1 3 6 b y t e s 。 3 r ，r y p e 读写器类型码标示当前是哪种读写器返回数据帧 读写器网络编读写器网络编码地。取值范围0 x 0 0 0 x f 0 。对o x f f ( 广 4 r a d d r 码地址 播地址) 读写器不返回应答帧。 5c m d 命令码和命令帧的c m d 域相同 6s u b c m d 子命令码和命令帧的s u b c m d 域相同 包括命令执行的结果和读写器返回的响应参数，其中， 7 r e s p o n s e 响应段 执行结果必需，响应参数可能没有 从s o f 到r e s p o n s e 的所有数据的c r c 校验，校验算 8c r c 1 6c r c 校验 法采用c r c c c i t t ：x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1 。 通过这样一种通信协议，上层应用系统可以对多台不同型号的读写器进行操 作，换言之，读写器可以组成读写器网络，网络可以由不同的读写器组成。这为 上层应用提供了方便。 3 2 2 应用程序接口模块扩展的探讨 在r f i d 系统组成中，中间件是很重要的一部分，其重要程度不低于其他任 何部分，甚至可以说，中间件是r f i d 系统的中枢神经6 1 。中间件的作用类似于 1 9 基于e p cc l a s s lg e n 2 的读写器软件设计与实现 前面介绍的应用程序接口，也是连接读写器和应用系统的软件，所不同的是，中 间件对上层应用系统屏蔽了底层读写器的型号、功能以及操作细节，上层应用系 统通过中间件可以方便的操作标签；另一方面，中间件为应用程序接口模块提供 统一的标准。因此，可以将应用程序接口模块向标准中间件扩展，例如，m i c r o s o r 的b i z t a n k 计划提供的标准。 目前，中间件的概念并未在国内引起重视，而读写器提供的应用程序接口也 只当成是读写器的附属品。因此，可以在应用程序接口本身的协议上作扩展，用 以提供丰富完善的a p i 。如前面设计的通信协议，可以将命令帧中的r a d d r 参数 扩展成4 b y t e s 或6 b y t e s ，再使用相应的以太网络接口芯片对数据进行封装，就可 以在读写器上扩展以太网口，实现读写器的远程监控；当读写器使用其他的工业 总线时，也只要扩展成对应的数据，再进行封装，这样读写器能灵活地应用于不 同的场合。 3 3 存储管理模块的设计 读写器采集了标签的数据之后，需要将数据发给控制器，或者发给上层应用 系统。读写器读取标签数据的速度和数据发送的速度存在一个差别，尤其在多标 签读取的情况下，一般来说，读取的速度要快。这样，读写器读取的数据不能及 时地发出去，这就需要