（电路与系统专业论文）超高频rfid读写器基带单元关键技术研究.pdf

原创性声明 删期必 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：摩赴伞日期：z 。，9 年，月二f 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 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；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 存赴罕日期：加p 年岁月z f 日 摘要 摘要 射频识别技术( 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 ，简称r f i d ) 是一门结 合了电子技术、通信技术以及计算机技术等多学科的新技术，是一种新兴的自 动识别技术。它利用射频信号通过空间耦合( 电磁场或交变磁场) 实现非接触 双向数据通信，从而对目标加以识别并获取相关数据。近年来，射频识别技术 已经应用于生产、物流、零售、交通运输等众多领域，并且发展迅速。 读写器是r f i d 系统中最基本的部件之一，是连接前端信息载体( 即电子标 签) 和后端应用系统( 运行于计算机上) 的桥梁。读写器主要由射频部分、基 带部分和控制部分组成。基带部分位于射频部分和控制部分之间，负责整个读 写器的发送数据编码、接收数据解码和数据校验等工作，是读写器设计的关键。 因此，研究读写器基带单元关键技术具有重要意义。 本文首先简要介绍了r f i d 系统的基本原理，对超高频r f i d 系统的通信协 议进行了深入分析；之后，基于i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p eb 通信协议，对读写器 基带单元进行了总体结构设计。最后，分别从硬件和软件两个方面对基带单元 关键技术进行了详细分析与设计。 硬件方面，搭建了基带单元试验平台。以a 1 t e r a 公司的f p g a 芯片 e p l c 6 q 2 4 0 1 7 为核心，设计了电源、时钟、a s 配置、j t a g 调试、r s 2 3 2 接口等 电路，并完成了印制电路板制作、焊接、调试等工作。 软件方面，利用硬件描述语言，采用自顶向下的设计方法和模块化的设计 思想，对基带单元与控制单元的u a r t 接口、读写器到电子标签的曼彻斯特编码、 电子标签到读写器的f m o 解码以及循环冗余校验等基带单元关键模块进行了设 计并完成仿真验证工作。在循环冗余校验方面，对现有的串行c r c 方法进行改 进，提出了一种并行c r c 校验方法并加以实现。 关键词：射频识别读写器超高频基带循环冗余校验 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，e t c i ti so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fu h fr f i dr e a d e r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h eb a s e b a n du n i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fr f i ds y s t e mb r i e f l ya n d a n a l y z e st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e e p l ys e c o n d l y ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f b a s e b a n du n i ti sd e s i g n e db a s i n go nt h ei s o i e c18 0 0 0 - 6t y p ebc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 f i n a l l y , t h ek e ym o d u l e so fb a s e b a n du n i ta r ea n a l y z e da n dd e s i g n e df r o m b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t sr e s p e c t i v e l y i nt e r m so fh a r d w a r e ，t e s t p l a t f o r m o fb a s e b a n du n i tw a s b u i l t u s i n g e p1c 6 q 2 4 0 1 7 ，w h i c hi saf p g am a n u f a c t u r e db ya l t e r ac o r p o r a t i o n ，a st h em a i n c h i p ，t h ea u t h o rd e s i g n e dh a r d w a r ec i r c u i t s ，i n c l u d i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t s ，c l o c k c i r c u i t s ，a s ( a c t i v es e r i a l ) c o n f i g u r a t i o nc i r c u i t s ，j t a gd e b u gc i r c u i t s ，a n dr s 2 3 2 i n t e r f a c ec i r c u i t s ，a n df i n a l l ys u c c e e d e di n p r o d u c i n gt h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ， s o l d e r i n gc o m p o n e n t s ，d e b u g g i n gc i r c u i t s i nt e r m so fs o f t w a r e ，u s i n gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，t o p d o w nd e s i g n t t ! ! 里! ! ! ! ! 兰!一 m e t h o d ，a n dm o d u l a r i z i n gd e s i g np r i n c i p l e ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h ek e ym o d u l e so f b a s e b a n du n i t ，i n c l u d i n gt h eu a r ti n t e r f a c em o d u l eb e t w e e nb a s e b a n du n i ta n d c o n t r o lm o d u l e ，t h em a n c h e s t e re n c o d i n gm o d u l ef r o mr e a d e rt ot a g , t h ef m o d e c o d i n gm o d u l ef r o mt a gt or e a d e r , a n dt h ec r c m o d u l e 1 1 1 et i m i n gs i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c u i ti sc o r r e c t i nt h ec y c l i cr e d u n d a n c yc h e c km o d u l e ，t h e a u t h o ri m p r o v e dt h ee x i s t i n gs e r i a lc r cc i r c u i t ，p r o p o s e dap a r a l l e lc r cc h e c k m e t h o d a n dr e a l i z e di t k e yw o r d s ：r f i d r e a d e ru h fb a s e b a n dc r c 2 1 标准现状8 2 2 国际标准i s o i e c1 8 0 0 0 6 分析1 0 2 2 1i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p eh 模式1 1 2 2 2i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p eb 模式1 5 2 3 本章小结1 8 3 基带单元总体设计1 9 3 1 读写器体系结构1 9 3 2 基带单元结构2 1 3 2 1 接口设计2 2 3 2 2 基带信号处理2 4 3 3 本章小结，2 5 4 基带单元硬件电路设计2 6 4 1 硬件开发平台2 6 目录 4 1 1f p g a c p l d 简介 4 1 2 硬件结构 4 2 电源电路 4 3 时钟电路 4 4 配置电路 4 5 接口电路3 2 4 6 功能扩展3 3 4 7 本章小结3 4 5 基带单元软件设计3 5 5 1 设计流程及开发环境3 5 5 1 1f p g a c p l d 的设计流程3 5 5 1 2q u a t u si i 集成开发环境3 8 5 1 3h d l 语言3 9 5 2 接口模块的设计与实现4 0 5 2 1 波特率发生器4 1 5 2 2u a r t 接收器4 2 5 2 3u a r t 发送器4 4 5 2 4 顶层模块4 5 5 3 循环冗余校验模块的设计与实现4 6 5 3 1 循环冗余码基本原理4 6 5 3 2 超高频r f i d 系统中的c r c 算法分析4 7 5 3 3 串行c r c 设计4 9 5 3 4 并行c r c 设计5 l 5 4 基带数据编码的设计与实现5 3 5 5 基带数据解码的设计与实现5 4 5 6 本章小结5 6 6 总结与展望5 7 v v i 1 绪论 1绪论 近年来，射频识别技术在全世界得到了迅速发展，逐渐应用于生产、物流、 零售、防伪、交通运输、资产管理和医疗等诸多领域，并且正在向人们日常生 活和工作的各个方面快速普及和推广应用。随着技术的进步、生产规模的扩大 以及国内外r y i d 标准的统一和明确，r e i d 产品的成本将进一步降低，其应用 将会更加广泛。 1 1 r f i d 系统概述 射频识别技术( 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 ，简称r f i d ) 是一门结 合了电子技术、通信技术以及计算机技术等多学科的新技术，是一种新兴的自 动识别技术。它利用射频信号通过空间耦合( 电磁场或交变磁场) 实现非接触 双向数据通信，从而对目标加以识别并获取相关数据【l 】【2 1 。 r f i d 技术的产生和发展源于战争的需要。在第二次世界大战期间，其首次 应用于空战中敌我飞机的识别。r e i d 技术至今已有将近7 0 年的发展历史。以 l o 年为一个时期，可以将r y i d 技术划分为几个阶段，如表1 1 所示【3 1 。 表1 1r f i d 技术的发展历程 爹j 时间 _ + 。一 “ 阶段 ” 7 霪 1 9 4 1 1 9 5 0 年雷达的改进和应用催生了r y i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f d 技 术的理论基础 1 9 5 1 1 9 6 0 年 1 9 6 1 - - 1 9 7 0 年 1 9 7 1 - - 1 9 8 0 年 1 9 8 1 - - 1 9 9 0 年 1 9 9 1 - - 2 0 0 0 年 2 0 0 1 年至今 早期r y z d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究 r f d 的理论得到了发展，开始了一些应用尝试 b _ p i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种b 1 z i i ) 技术得 到了加速发展，并出现了一些最早的r f i i ) 应用 r y i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现 r y ：d 技术标准化问题日趋得到重视，l 王l z i i ) 产品得到了广泛应 用，r i m x ) 产晶逐渐成为人们生活中的一部分 r y 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了发展， 电子标签成本不断降低。规模应用行业不断扩大。r y i i ) 技术的 理论得到了丰富和完善 i 绪论 与传统的自动识别技术相比，r f i d 技术可以实现快速、实时、准确地采集 与处理信息，并且具有无需人工干预、非接触、无污染、无机械磨损、寿命长、 无需光学可视即可完成信息输入和处理、防水、防磁、耐高温、可识别高速移 动物体以及防碰撞等众多突出优点，在工业自动化、商业自动化、交通运输控 制管理等领域已被广泛应用【4 】【5 】： ( 1 ) 在现代物流与供应链管理中的应用 将r f i d 技术应用在仓储管理、零售管理、物流配送以及集装箱运输等环 节中，可以实现物品实时追踪与信息共享，提高企业运行效率。 ( 2 ) 在交通运输与管理中的应用 将r f i d 技术应用于车辆自动识别，实现不停车收费；应用在铁路上，实现 铁路车号自动识别；应用在公共交通上，实现无纸化票证、电子钱包等。 ( 3 ) 在生产管理和控制方面的应用 将r f i d 技术应用在飞机( 或汽车) 制造? 纺织服装以及家电等企业中的原 材料供货、精益制造、生产过程控制、生产计划管理等方面，可以提高企业生 产效率、管理效率以及信息化水平。 ( 4 ) 在公共安全方面的应用 r f i d 技术在食品安全、医药卫生、煤矿安全、危险品管理、证件与防伪、 门禁管理以及动物标识等公共安全领域，也发挥着重要作用。 1 2r f i d 系统基本原理 r f i d 系统有多种分类p j ，根据其工作频率的不同可分为低频系统 ( 3 肛3 0 0 煳z ) 、中高频系统( 3 - 3 0 m h z ) 以及超高频和微波系统( 3 0 0 m h z 3 g h z 或大于3 g h z ) ；根据标签能量供应方式的不同可以分为无源系统和有源系统； 根据标签工作方式的不同可以分为主动式、被动式以及半主动式；根据系统技 术实现手段的不同可分为广播发射式、反射调制式和倍频式3 大类。 虽然射频识别系统有各种各样的分类方式，但其基本原理相似。 一般来说，r f i d 系统由读写器、电子标签和计算机通信网络3 部分组成， 结构如图1 1 所示f 3 1 ，其中，电子标签和读写器是核心部件。 2 1 绪论 浚写器 电孑标签 l 电琢l - 疆麓。 天 嚣| 锋。 控 曹蕾 射 喇l 下一张l 籁 模 ，- 援黝嗡燕 块 嚣 l 时铮l - 天 线 块 射 顿 读 髫鲤-模 雩 块 线 辏 块 苏据输出 数据辘出 j_t 一一 ?； |三 | 计算机透信羯络 l 图1 1r f i d 系统结构图 l ( 1 ) 电子标签 电子标签( t a g ) 即射频卡，也称应答器。电子标签可以理解为一个微型的 无线收发装置，通常由天线、射频模块( 调制器、解调器) 、编( 解) 码器、 时钟以及存储器等部分组成。电子标签是r f i d 系统的数据载体，其上存储着 需要被识别物体的相关信息，一般安装在被识别的物体上。 按照供电方式进行分类，电子标签可以分为有源标签( a c t i v et a 曲、无源标 签- ( p a s s i v et a g ) 和半无源标签( s e m i - p a s s i v et a g ) ；按照读写方式进行分类，可以 分为只读型标签和读写型标签；按照工作频率进行分类，可以分为低频标签、 高频标签、超高频与微波标签等。 ( 2 ) 读写器 读写器( r e a d e r ) ，有时也称作阅读器、识读器。读写器通过自身天线与电 子标签建立无线通信，完成对标签信息的读取或写入操作。并且，读写器还负 责与计算机进行通信，接收计算机指令或者将采集到的标签信息传输到计算 机。 ( 3 ) 计算机通信网络 r f i d 系统中，计算机通信网络主要是指与读写器进行通信的计算机，其上 运行应用程序或r f i d 中间件，通常用于对数据进行管理、完成通信传输等功 能。 3 1 绪论 由图1 1 可以看出，能量贯穿于射频识别系统的整个工作过程。r f i d 系统 以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据交换，在其整个工作信道中始 终存在3 种事件模型p j ： ( 1 ) 以能量为基础的事件模型 对无源标签来说，其本身不带能量，主要靠从读写器发出的射频波中获取 电能。当无源标签离开读写器天线辐射范围后由于没有能量而处于休眠状态， 而当其位于读写器的有效范围内时，可以通过整流的方法将读写器发出的能量 转换为电能，处于激活状态。对有源标签来说，其自身具有能量，始终处于激 活状态。 ( 2 ) 以时序方式实现数据交换的事件模型 时序指的是读写器与电子标签之间的工作次序，一般有两种机制：一种机 制是读写器先发言( r e a d e rt a l kf i r s t ，简称r t f ) ，该机制一般适用于无源电 子标签；另一种机制是标签先发言( t a gt a l kf i r s t ，简称1 t r f ) ，一般适用于有 源电子标签或多标签的同时识读。 ( 3 ) 以数据交换为目的的事件模型 读写器和电子标签之间的数据通信是双向的，包括读写器到电子标签的数 据通信和电子标签到读写器的数据通信。 r f i d 系统的基本工作流程如下【2 j ： 读写器通过天线向外发送一定频率的无线电载波信号；当电子标签进入到 读写器天线的作用范围时，标签获得能量并转入激活状态，将自身信息编码经 标签天线发射出去；系统接收天线接收电子标签发回的信号，经天线调节器传 输给读写器；读写器接收到信号后，对其进行解调、解码，然后送往电脑控制 器；电脑控制器根据逻辑运算对该电子标签的合法性进行判读，针对不同的设 定采取相应的处理措施，并发出指令信号控制执行机构动作。 r f i d 系统可以具有多个监控点，这些监控点可以通过计算机通信网络连接 起来，构成总控信息平台。在总控信息平台上，可以根据不同的应用需求来安 装具有针对性的应用软件，实现各种功能。 1 3r f i d 技术发展现状和趋势 r f i d 技术以其独特的优势，已经被世界公认为2 1 世纪十大重要技术之一， 4 1 绪论 已经逐渐成为企业提高物流供应链管理水平，降低成本，实现企业管理信息化， 增强企业竞争力，参与国际经济大循环不可缺少的技术工具和手段【8 】。 射频识别技术在国外的发展时间较长，产品各类繁多。目前，在美国、日 本、英国、瑞士、德国、南非等国家均已有较为成熟且先进的r f i d 系统。例 如，沃尔玛百货公司【6 】已经在美国4 8 0 家超市、3 6 家会员店、3 5 0 家供货商中 应用了r f i d 技术。该技术的应用，不但可以进一步降低成本，而且还可以将 货物的流通速度提高3 倍、提高货架充足率、提高运输时间准确度、了解商品 即时状态、提高对商品方位的定位、简化发票处理、保证商品品质及跟踪商品 状况、改善代码管理以及提高库存信息的精确性等。在瑞士，全部旅客列车上 均安装有射频识别系统，从而实现了火车运行的实时监控，降低事故发生的可 能性。在德国，b m w 公司也将r f i d 系统应用在汽车生产流水线上以实现生产 过程控制。 在国内，r f i d 技术起步较晚，但经过十几年的努力发展，已经初具规模， r f i d 产业链已经基本形成。2 0 0 6 年6 月9 日以来，国家相继颁布了中国射频 识别( r f i d ) 技术政策白皮书、8 0 0 9 0 0 m h z 频段试运行规定等相关政策， 这表明我们国家已经开始射频识别的技术研发和标准制定，中国的r f i d 产业 进入了加速发展的轨划7 1 。在我国，低频段( l f ，典型工作频率为1 2 5 k h z 和 1 3 3 k h z ) 和中高频段( h f ，典型工作频率为1 3 5 6 m h z ) 的r f i d 技术发展相 对较早，产品应用广泛且成本较低，例如居民第二代身份证、校园一卡通、公 共交通智能卡( 电子钱包) 等都是该频段的典型应用。但是，在超高频段( u h f ， 典型工作频率为4 3 3 9 2 m h z 和8 6 2 9 6 8 m h z ) ，基础相对薄弱，缺乏核心技术， 应用分散，不具备规模优势。 虽然目前的r f i d 技术在应用中还存在性能、价格、标准、隐私等方面的 制约因素，但其依然具有巨大的潜力和广泛的市场空间。 根据有关机构分析与预测【9 】【1 0 1 ，2 0 0 8 年全球r f i d 市场总产值己达3 7 8 亿 美元，r f i d 产品在全世界的销量将以每年2 5 3 的比例增长，至2 0 1 7 年，r f i d 市场价值将上升到2 7 8 8 亿美元。在中国，2 0 0 8 年r f i d 市场销售规模已达到 7 2 9 亿元，预计到2 0 11 年，r f i d 市场规模将达到1 0 5 2 亿元。 由此可见，r f i d 技术市场前景广阔，一直保持着高速发展的势头。在未来 几年，射频识别产品的种类将随着技术的不断进步而越来越丰富，r f i d 技术将 从独立系统应用走向网络化应用，并实现跨地区、跨行业的综合应用。 5 1 绪论 可以预见，未来r f i d 技术的发展将会在电子标签、读写器、标准化、系 统应用等方面取得新进展i l 。 在电子标签方面，无源、半无源标签技术将更趋成熟，将会功耗更低、 成本更低、作用距离更远、强磁场下自保护功能更完善、无线可读写性能更 完善、智能性更强、识别速度更快等。 在读写器方面，超高频读写器核心技术将会有所突破，读写器将会向小型 化、便携化、嵌入式和模块化方向发展，成本将会更低，并且具有多种数据接 口( r s 2 3 2 、r s 4 2 2 4 8 5 、红外、u s b 、以太网等) 、智能多天线接口、多制式 多频段兼容( 能兼容读写多种类型和多个频段的电子标签) 等功能。 在标准化方面，标准化基础性研究将更加深入和成熟，标准化将会为更多 企业所接受并有望形成全球统一的标准。 在系统方面，超高频( 9 1 5 m h z 、2 4 g h z 、5 8 g h z ) 系统将更快发展，远距 离系统将会成本更低、性能更完善，近距离系统将会更加智能和安全。 研究发现，在各个频段的射频识别系统中，超高频( u h f ) r f i d 系统更适 合未来发展。未来大多数r f i d 的应用将会集中在超高频段，尤其是在商业供 应链中，超高频射频识别产品具有广阔的应用前景。 1 4 论文的研究内容及安排 本论文基于i s 0 i e c1 8 0 0 0 6 国际标准，主要研究了超高频射频识别读写 器的基带单元关键技术，主要包括基带数据的编码、解码、校验等。 论文在对i s 0 i e c1 8 0 0 0 6 国际标准进行深入分析的基础上，针对一种超 高频r f i d 读写器结构，研究和设计了读写器基带部分，主要涉及基带硬件电 路设计和基带软件开发。 论文的结构安排如下： 第一章绪论简要介绍了射频识别技术的基本概念，包括r f i d 技术的发展历 史、应用领域、当前国内外发展现状以及技术发展趋势等。 第二章主要针对超高频r f i d 系统的通信协议进行深入分析。在分析了射频 识别系统标准现状的基础上，着重对i s 0 i e c1 8 0 0 0 6 国际标准中的t y p e a 和 t y p eb 两种通信协议进行分析。 第三章对超高频r f i d 读写器的基带单元进行总体设计。针对一种超高频 6 7 2 超高频r f i d 系统通信协议分析 2 超高频r f i d 系统通信协议分析 标准是射频识别技术的重要环节，在r f i d 技术发展与系统建设中起着决定 性的作用。r f i d 的标准众多，且与行业应用关系密切。本章将首先对r f i d 系 统的标准现状进行简要介绍，之后详细分析i s o i e c1 8 0 0 0 6 国际标准中与本文 研究工作密切相关的t y p ea 和t y p eb 两种通讯协议。 2 1标准现状 目前，r f i d 还没有形成统一的全球化标准，市场上多种标准并存，争夺激 烈，但随着r f i d 技术的大规模应用，r f i d 标准的统一将逐渐提上日程。 r f i d 技术的标准体裂1 2 】主要包括空中接口规范、物理特性、读写协议、 编码体系、测试规范、应用规范、数据管理、信息安全等。从类别看，r f i d 标准体系可以分为4 大类：技术标准、应用标准、数据内容标准和性能标准( 一 致性标准) ，基本结构如图2 1 所示。技术标准主要定义不同频率的空中接口及 相关参数，如基本术语、物理参数、通信协议、测试方法及相关设备等；应用 标准定义实现某个特定应用领域或特定环境的技术方法；数据内容标准主要涉 及数据协议、数据编码规则及语法等；性能标准定义电子标签和读写器性能及 一致性测试方法，包括印刷质量、设计工艺、测试规范和试验流程等。 图2 1r f i d 标准体系的基本结构 在r f i d 技术和应用方面，相关的国际标准化机构主要有国际标准化组织有 ( i s o ) 、国际电工委员会( i e c ) 、国际电信联盟( i t u ) 和世界邮联( u p u ) ； 相关的区域性标准化机构有c e n 、u i dc e n t e r 和e p cg l o b a l 等；相关的国家标 准化机构有b s i 、a n s i 、d i n 等；相关的产业联盟有觚a 、a i a g 、e t a 掣1 2 1 。 8 2超高频r f i d 系统通信协议分析 目前，r f i d 技术领先的国家和地区都积极制定自己的标准，主要存在3 个 r f i d 技术标准体系：国际标准化组织( i s o ，i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 和国际电工委员会( i e c ，i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 组成的联合工作组的技术标准、美国统一代码协会( u c c ，u n i f c i r i l l c o d ec o u n c i l ) 和国际物品编码协会( e a n ，e u r o p e a na r t i c l en u m b e r i n gc o u n c i l ) 共同成立的电子产品码全球协会e p cg l o b a l 的技术标准以及日本泛在i d 中心 u i c ( u b i q u i t o u si dc e n t e r ) 的技术标准【l 3 。 尽管这3 个标准体系在通信方式、数据格式和防碰撞协议等方面存在一定 的差异，但是它们在技术上差异并不是很大，并且，各个标准之间的互连性日 趋增强，将会进一步融合并走向互相兼容。例如，e p cg l o b a l 和i s o i e c 两大 标准组织阵营一直在寻求标准间的完善与融合，已经于2 0 0 6 年6 月成功地将 e p cc l a s s1g e n2 相关标准稍作修改后并入i s o i e cl8 0 0 0 6 标准之中。 目前，最受业界关注的是i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准。 i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准主要是基于物品管理的r f i d 国际标准，它包括了 有源和无源r f i d 技术标准，涵盖了从1 2 5 k h z 到2 4 5 g h z 的频段内的空中接 口通信参数，识别距离从几厘米到几十米，为所有读写器和电子标签之间的通 信命令提供了全面的定义，是射频识别领域最重要的技术标准，具有广泛的通 用性，可以应用于任何系统以及任何数据格式l l4 。 i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准由7 个部分组成，如图2 2 所利1 5 儿1 6 1 。 i s o ，i e c18 0 0 0 i s o i e c18 0 0 0 i 空中接口一般参数 i s o i e c18 0 0 0 2 低于13 5 k h z 频率的空中接口参数 i s o i e c1 8 0 0 0 31 3 5 6 m h z 频率下的空中接口参数 i s o i e c18 0 0 0 42 4 5 g h z 频率下的空中接口参数 i s o i e c18 0 0 0 55 8 g h z 频率下空中接口参数( 已被否决) i s o i e c18 0 0 0 68 6 0 - - - 9 6 0 m i - i z 频率下的空中接口参数 i s o i e c1 8 0 0 0 74 3 3 9 2 1 v l h z 频率下的空中接口参数 图2 2i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准组成 9 2超高频r f i d 系统通信协议分析 在i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准中，与本文所研究的超高频r f i d 系统相关的标 准主要有i s o i e c1 8 0 0 0 1 【1 7 1 和i s o i e c1 8 0 0 0 6 【1 8 】。 i s o i e c1 8 0 0 0 1 标准是i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准中的第l 部分，目前最新 的版本为i s o i e c1 8 0 0 0 1 ：2 0 0 8 1 9 】。该标准建立了一个通用的系统管理、控制 和信息交换的框架，定义了在所有i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准中空中接口定义所 要用到的参数。i s o i e c1 8 0 0 0 1 标准可用于不同频率，所有频率的空中接口参 数的定义值均在其后续的几个部分中给出。 i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准是本文所有工作所依据的标准，将在下一节内容中详 细分析。 2 2国际标准l s o ，i e c18 0 0 0 6 分析 i s o i e c1 8 0 0 0 标准是1 系列标准中的第部分，全称为信- 6 i s o i e c8 0 0 06 息技术一一针对物品管理的射频识别( r f i d ) 一一第6 部分：针对频率为 8 6 0 - - - 9 6 0 m h z 无接触通信空中接口参数( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y - - r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nf o ri t e m m a n a g e m e n t 一p a r t 6 ：p a r a m e t e r sf o ra i ri n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o n sa t8 6 0m h zt o9 6 0m h z ) 。2 0 0 4 年发布的i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准 定义了t y p e a 和t y p eb 两种类型的协议。2 0 0 6 年，i s o i e c 将e p cc l a s s1g e n 2 标准适当修改后纳入i s o i e c18 0 0 0 6 标准并以修正件的方式发布，使之成为 i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准的t y p ec ，全称为信息技术一一针对物品管理的射频识 别( r f i d ) 一一第6 部分：针对频率为8 6 0 - - 9 6 0 m h z 无接触通信空中接口参数修 订第1 版，c 部分扩展和a 、b 部分升级( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nf o ri t e mm a n a g e m e n t p a r t6 ：p a r a m e t e r sf o ra i ri n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o n sa t8 6 0m h zt o9 6 0m h za m e n d m e n t1 ：e x t e n s i o nw i t ht y p e ca n du p d a t eo ft y p e saa n db ) ，简称i s o i e c18 0 0 0 6 c t 2 0 1 。由此，i s o i e c 1 8 0 0 0 6 标准包括3 部分，即t y p e a 、t y p eb 和t y p e c 。 i s o i e c18 0 0 0 6 标准的t y p ea 、t y p eb 和t y p ec 三种通信模式比较如表 2 1 2 h 所示。 1 0 2超高频r f i d 系统通信协议分析 表2 1i s o i e c1 8 0 0 0 - 6 标准的3 种通信模式比较 ，诧 ? 7 、爱 技 、 、盏 ；誉 璎 t y p e a聊e bt y p ec ； i 厂 缪 律 i征 ，露 工作频段 8 6 0 9 6 0 电8 6 0 9 6 0 m 乜8 6 0 9 6 0 m k 读 3 3 k b l s ，由无线电1 0 k b s 或4 0 k b s ，由无 写速率 2 6 7 l2 8 l 【b 唐 器 政策$ 昆制线电政策侈昆制 到 d s b a s k 、s s b a s k 或 标 调制方式 a s ka s k 签 p r a s k 编码方式 p i em a n c h e s t 凹p 正 副载波频 未用未用4 0 - - 6 4 眦 ，奎 f m 0 ：4 0 - 6 4 0 k b ，s 标 速率 4 0 k b s4 0 k 耐s 子载频调制t5 - , - 3 2 0 k b s 蓊 由标签选择a s k 和( 或) 读 调制方式a s ka s k p s k 嘉 f m o 或m i n e r 调制子载 编码方式f 1 v 1 0 f 1 嗵0 频，由读写器选择 唯一识别 6 4 比特6 4 比特 可变，最小1 6 比特，最 符长度大4 9 6 此特 防碰撞簋法 a l o h a a d a p t i v eb i n a r yl r e e 时隙随机反碰撞 i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准主要定义了读写器和电子标签之间的物理接口、协议、 命令和冲突仲裁机制。由于i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 继承了e p cc l a s slg e n2 标准的 大部分内容，仅对e p cc l a s slg e n2 标准作了局部修改，因此本节后面内容着 重分析t y p e a 和t y p eb 两种通信模式。 2 2 1i s o i e c18 0 0 0 6m y p ea 模式 t y p e a 读写器和电子标签的体系结构分别如图2 3 、图2 4 所示。 图2 3t y p ea 读写器的体系结构 图2 4t y p ea 电子标签的体系结构 1 1 2超高频r f i d 系统通信协议分析 ( 1 )物理层和数据编码 读写器和电子标签之间的信息交互以命令和应答的方式进行，遵循“读写 器先发言( i n t e r r o g a t o r t a l k sf i r s t ) ”的机制，即读写器先“讲，电子标签根据 接收到的命令应答。 幻读写器到电子标签的数据传输 数据编码 从读写器到电子标签的数据编码采用脉冲间隔编码( p u l s ei n t e r v a l e n c o d i n g ，p i e ) 。 p i e 编码通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示0 、l 、s o f ( 帧头， s t a r to f f r a m e ) 、e o f ( 帧尾，e n do f f r a m e ) 4 种符号。t a f t 称为参考时间间隔， 表示符号0 的相邻两个脉冲下降沿之间的时间间隔，基准值为2 0 p s + 1 0 0 p p m 。 符号0 、1 、s o f 和e o f 的编码方法如表2 2 所示，波形如图2 5 所示。 表2 2p i e 符号和编码 t a f t ) 符号 持续时闻容差( 相对于l 11 广 u - - _ _ _ - 时弼 图2 5p i e 符号及波形 1 2 2超高频r f i o 系统通信协议分析 帧格式 读写器向电子标签发送的位流封装成如图2 6 所示的帧进行传输。 图2 6 前向链路帧格式 e o f 在发送帧之前，读写器应当建立一个未调制的载波，持续时间至少为3 0 0 s ( 静默时间，即图2 - 6 中的t a q ) 。帧由帧头、数据位和帧尾构成。在发送完e o f 之后，读写器还必须维持一段时间的稳定载波以便电子标签可以获得足够的能 量来进行应答。 调制 从读写器到电子标签的数据传输是通过调制载波的幅度( a s k ) 来完成的， 调制系数为3 0 。 b ) 电子标签到读写器的数据传输 数据编码 电子标签通过反向散射的方式将信息传送给读写器，数据传输速率为 4 0 勋豇s 。 数据编码采用f m 0 编码( 也称之为双相问隔编码，b i p h a s es p a c e ) ，每 个位被分配给一个符号周期t r l b ( 返回链路位时间，r e t u r n1 i n kb i tt i m e ) 来进行发送，参数如表2 3 所示。 表2 3 返回链路的参数 数据速率t r l b ( 返回琏路位时间) 窖限： 4 0 k b t t s2 5 k s+ ，一1 5 在f m o 编码中，当传输数据为逻辑l 时，在位起始时发生电平跳变；当传 输数据为逻辑0 时，在位起始和位中间都发生电平跳变。数据编码首先从最高 1 3 b l 黼 b + | 盼 8b fo s i i 2超高频r f i d 系统通信协议分析 有效位( m s b ) 进行编码，图2 7 描述了8 位数据“b 1 的编码。 f b l 0 数据编码b 1 = 。1 0 1 1 0 0 0 1 ，m s b 在先 l lol | l o l o i ol _ 二丌厂几nn 厂 根据优先级 选择其中之一 厂1 厂 n 门n厂 信息格式 返回链路信息由刀个数据位和前同步码( p r e a m b l e ) 组成，前同步码在前， 后面跟着电子标签的数据，数据位传输按m s b 在先。 前同步码可以使读写器锁定电子标签的数据时钟，然后开始对信息进行解 码。前同步码是一个反向散射调制序列，由1 6 位组成，如图2 8 所示。“0 ”表 示电子标签的调制器处于高阻状态，此时无反向散射调制；“l 表示电子标签 的调制器切换为低阻状态，产生反向散射调制。 图2 8 前同步码波形 c ) 循环冗余校验 t y p ea 和t y p eb 对前向链路和返回链路采用同样的1 6 比特循环冗余校验 ( c r c 一1 6 ) 。此外，当t y p e a 达到防错保护所需的电平时，对短命令采用5 比 特循环冗余校验( c r c 5 ) 。 当电子标签收到读写器发来的命令时，需要验证c r c 值是否