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王海峰，王敬超，张春，王志华
（清华大学 微电子学研究所，北京，100084） 1.引言 射频识别(RFID)是一种非接触的自动识别威廉希尔官方网站 。它是以识别或数据交换为目的,利用感应、无线电波或微波进行非接触双向通信的自动识别威廉希尔官方网站 ，利用这种威廉希尔官方网站 可以实现对所有物理对象的追踪和管理。一个典型的RFID系统由标签和读写器两部分组成，标签是RFID系统真正的数据载体，应放置在要识别的物体上，读写器利用射频威廉希尔官方网站 将标签中的信息读出，或将标签所要存储的信息写入标签 [1]。 本文介绍了一种基于ISO/IEC 18000-6 Type B标准的读写器设计，并给出了RFID读写器的系统硬件设计和软件流程设计。读写器采用零中频收发结构作为射频前端模块，采用Philips公司的P89LPC932A1单片机作为数字基带处理模块，并通过UAR或USB与计算机（主机）进行通信。 
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2. ISO/IEC18000 协议
2.1 ISO/IEC 18000-6协议简介 ISO/IEC 18000 是基于物品管理的RFID国际标准，按工作频率可分为七部分，Part1：全球通用频率；Part2：135 kHz 以下频率；Part3：频率为13.56 MHz；Part4：频率为2.45 GHz；Part5：频率为5.8 GHz；Part6：频率为860－930 MHz；Part7：频率为433 MHz 。其中, ISO/IEC 18000-6（Part6）规定的UHF频段是目前国际上RFID威廉希尔官方网站 研究的热点[1]。 ISO/IEC 18000-6标准定义了两种通讯协议：Type A和Type B。两种协议都是位定向的，每个命令和每个响应都包含在一帧里。在数据传输时，ISO/IEC 18000-6标准规定先传输MSByte。Type A和Type B通讯协议都是基于阅读器先发言的，也就是说只有当标签收到阅读器发出的指令并正确解码时才能开始传输。两者前向链路的调制方式都是ASK。Type A协议采用PIE编码，其防冲突算法用的是ALOHA协议，而Type B协议采用Manchester编码，防冲突算法使用二进制树形网络协议。后向链路都是通过反向散射调制威廉希尔官方网站 来实现传送数据，都是采用FM0编码。 2.2 ISO/IEC 18000-6 Type B 防冲突机制 如图1所示，进入场区的标签主要[2]有三种状态：（1）READY（2）ID（3）DATA EXCHANGE 首先，标签进入读写器的工作范围，从离场掉电状态进入READY状态。读写器可以通过GORUP SELECT和GROUP UNSELECT指令让处于READY状态的所有或部分标签参与防冲突判决过程[2]。 为解决防冲突算法问题，标签内应具有以下两种硬件电路： 1. 一个8位的计数器 2. 一个随机数发生器（产生“0”或“1”） 当标签进入ID状态的同时把它们内部的计数器清“0”。它们中的一部分可以通过接收GROUP_UNSELECT指令重新回到READY状态，其他处在ID状态的标签就进入了防冲突碰撞判断流程中，被选中的标签开始进行以下流程： (1) 所有处于ID状态并且内部计数器为0的标签将发送它们的UID。 (2) 如果当有一个以上的标签发送UID时，读写器将收到错误的回波相应而发送FAIL指令。 (3) 当所有接收到FAIL指令并且内部计数器不等于“0”的标签将把自己的计数器加“1”。所有接收到FAIL指令并且内部计数器等于“0 ”的标签将生成一个“1”或“0”的随机数，如果是“1”，它将把自己的计数器加“1”；如果是“0”，将保持计数器为“0”并且再次发送它们的UID。 此时将会出现以下四种可能情况： (4) 如果有一个以上的标签发送UID，将重复（2）操作（可能性1）； (5) 如果所有标签都随机产生“1”，读写器就接收不到任何回答，它将发送SUCCESS指令，所有 标签的计数器减“1”，然后计数器等于“0”的标签接着发送UID，接着重复（2）操作（可能性2）； (6) 如果只有一个标签发送并且它的UID被正确接收，读写器将发送包含UID的DATA READ指令，标签正确接收这条指令后将进入DATA EXCHANGE状态，接着将发送它的数据，然后读写器将发送SUCCESS指令，使处于ID状态的标签计数器减1。如果此时只有一个标签，可能没有返回，则重复（5）操作，也可能返回数据，接收正确则重复（6）操作，接收错误则重复（7）操作；如果有一个以上的标签返回回答，重复（2）操作（可能性3）； (7) 如果只有一个标签返回回答，并且它的UID没有被正确接收，读写器将发送一个RESEND指令，此时如果UID被正确接收，重复（6）操作，但如果UID被重复几次的错误接收（这个次数可以基于系统所希望的错误处理标准来设定），就假定有一个以上的标签在回答，重复（2）操作（可能性4）。 |
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3.读写器的硬件设计
读写器射频前端采用零中频接收结构，发送和接收通路隔离采用多天线威廉希尔官方网站 ，其系统硬件结构如图2所示。由频率综合器产生所需要的射频信号，然后经过功分器得到两路载波信号，分别用于发送通路和接收通路。发送通路采用OOK调制，基带信号通过开关通断控制载波是否经过功放，并由天线发送；接收通路中接收信号先经过功分、放大等操作，然后分别送到混频器和两路正交的载波信号进行混频，对混频之后的信号经过滤波、放大、电平比较等操作，恢复出数字基带信号。该系统之所以采用两路正交混频结构，主要是为了避免射频场中存在的盲点。如果只采用一路接收信号，当接收信号的相位和本振信号的相位相差90度，混频后的信号始终为零，即有用信号没有解调出来。但采用正交I和Q两路接收信号，无论相位延时是多少，I和Q中总有一路能解调出有用信号。 读写器的数字基带处理模块采用Philips公司的P89LPC932A1单片机，P89LPC932A1采用了高性能处理器结构，指令执行只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51。它具有512字节片内附加RAM，8K Flash程序存储器以及增强型UART。该数字模块主要完成协议指令处理，防冲突算法以及通信数据的编解码和校验。 |
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4.读写器的软件设计
4.1 数字基带的整体设计 读写器数字基带整体结构如图3所示，其中包括串口通信模块，指令处理模块，回波处理模块以及数据编解码模块。 读写器是在计算机（主机）监控之下进行工作，两者之间形成主从通信模式。读写器接收到主机发来的指令，由译码模块确定读写器的具体操作。操作分为两大类，一类是对读写器操作，包括读版本信息，设置工作频率模式（固定频率和跳变频率）和IAP软件升级等，处理完成后将信息通过UART返回给主机；另一类是对标签操作，其中包括防冲突读卡号，读标签和写标签等，该操作指令通过Manchester编码器发送后，等待回波，返回数据通过FM0解码器后进入回波处理模块，数据正确则通过UART返回给主机。 4.2 防冲突算法的实现 根据ISO/IEC18000-6B防冲突算法，针对读写器特定的应用要求，完成如图4所示防冲突读卡号流程。首先读写器发送GROUP SELECT指令，进入场区的标签将内部计数器清“0”，并返回UID。如果返回数据错误，则发送RESEND指令，连续2次RESEND指令后，返回数据仍然错误，则认为场区内存在多张卡，发送FAIL指令，进行防冲突。如果返回数据正确，则发送DATA READ 指令，使该标签离开ID状态，不在进行防冲突过程，然后发送SUCCESS指令，继续读卡。如果连续5次没有回波相应，则认为场区无卡，结束防冲突读卡。 4.3 Manchester编码器设计 Manchester 编码是在1个位窗内采用电平变化来表示逻辑“1”（下降沿）和逻辑“0”（上升沿）的。Manchester 编码特点，“10”代表数据“1”，“01”代表数据“0”。根据其特点，编码过程如下：首先取数据，循环左移，根据移出位判断编码操作，左移8次后，取下一个数据，重复上述操作，直到发送完所有数据，编码结束。其具体操作流程如图5所示。 4.4 FM0解码器设计 FM0 编码是在1个位窗内采用电平变化来表示逻辑，如果电平只在位窗的起始处翻转则表示数据“1”；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数据“0”。FM0 编码特点如下：“11”和“00”代表数据“1”，“01”和“10”代表数据“0”。 解码过程：首先读写器同时对I和Q两路信号进行采样，利用状态机检测返回帧头的正确性，读写器根据帧头的正确性来决定对I或Q路信号进行解码。针对FM0 编码的特点可知，FM0每个数据单元的起始处发生翻转，由此可以根据起始处的上升沿或下降沿以及位窗中的采样点来判断出此位窗所表示的数据。设定一个位窗时间长度为T，一种情况是位窗起始处为下降沿，在该位窗3/4T处采样，采样为1则位窗表示数据“0”，采样为0则位窗表示数据“1”；另一种情况是位窗起始处为上升沿，在该位窗3/4T处采样，采样 为1则位窗表示数据“1”，采样为0则位窗表示数据“0”。其具体操作流程如图6所示。 图5 Manchester编码流程 图6 FM0解码流程 |
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5．结束语
本文创新点：本文提出了基于P89LPC932A1单片机的超高频读写器设计，根据ISO/IEC18000-6B标准，实现了UHF频段防冲突碰撞读取标签卡号，读写标签数据等功能，最后针对通信数据的特点分别提出了Manchester编码和FM0解码流程。 读写器在完成硬件和软件设计后进行了制版、调试和测试，并最终实现了产品化。此系统也为研究RFID读写器的SoC设计提供了一定的参考价值。 参考文献： [1] [德] Klaus Finkenzeller. 射频识别 (RFID) 威廉希尔官方网站 . 第2版. 陈大才编译. 北京:电子工业出版社,2001. [2] UHF RFID Protocols that support ISO/IEC 18000-6:2003(E). [3] 张宏海, 刘志峰, 王建华, 杨文通.RFID系统中识读器的设计与研究. 微计算机信息, 2006, 7-2: 238-240. [4] 芦东昕, 李强, 柳长安.基于ARM 的RFID 阅读器设计. 微计算机信息, 2006, 10-2:286-288. |
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