超高频射频识别系统读写器设计方案

0.引 言

本文引用地址：射频识别（RFID,RadioFrequency Iden tiFication） 技术是一种新兴的自动识别技术。它是利用无线射频方式进行非接触双向数据通信，以达到目标识别并交换数据的目的。可用来跟踪和管理几乎所有的物理对象，在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪及军事等众多领域都有广泛的应用前景。按照工作频段的不同，RFID系统还可以分为低频（135kHz以下）、高频（13.56MHz）、超高频（860~960MHz） 和微波（2.4GHZ以上）等几类。目前大多数RFID系统为低频和高频系统，但超高频（UHF） 频段的RFID系统具有操作距离远、通讯速度快、成本低、尺寸小等优点，更适合未来物流、供应链领域的应用，也为实现物联网提供了可能。因此超高频RFID系统的发展是当前RFID系统发展的重点。本文介绍了符合ISO1800026标准的超高频RFID电子标签主要特点、结构、工作原理及读写方法，提出了相应读写器的解决方案，重点阐述了读写器的硬件设计及软件程序流程。实际应用结果表明该读写器具有以下特点：读写速度快（单个标签64bit/6ms）、识别率高，识别距离远（≥4m）。

1. 标签工作原理及特性

1.1 工作原理

RFID系统一般由读写器和标签（或称应答器、电子标签、智能标签） 及天线组成。本文采用某公司的UCODEHSL标签，符合ISO18000-4与ISO18000-6标准，本身无电源，靠读写器的射频场获得能源，采用负载调制方式，工作频段为UHF或2. 45GHz.工作原理如图1所示。

图1:工作原理

PC机通过RS232接口远程控制读写器。读写器接到命令后，通过天线发送射频命令实现对标签的操作，同时接收标签返回的数据。标签靠其偶极子天线获得能量，并由芯片（ IC） 控制接收、发送数据。

1.2 IC结构

标签IC主要由模拟、数据处理及EEPROM三个模块构成，如图2所示。

图2:标签IC结构

模拟RF接口模块为IC提供稳定电压，并将获得的数据解调后供数据模块处理，同时将数据调制后返回给读写器。数字处理模块包括状态转换机、读写协议执行、与EEPROM的数据交换处理等功能。

1.3 存储特性

标签内置2048bit的EEPROM,分成64块（block） ,每块32bit.其中8byte为ID存储空间，216byte为用户存储空间。每字节都有相应的锁定位，该位被置1就不能再被改变。可以通过LOCK命令将其锁定，通过Query locK（查询锁定） 命令读取锁定位的状态，锁定位不允许被复位。Byte0~7被锁定，为标签的标识码（Unique ID）。64bitUID包含50bit的独立的串号，12bit的边界码和一个两位的校验码。Byte 8~219是未锁定空间，供用户使用。Byte 220~223也是未锁定的，作为写操作完毕的标志bit或者用户空间。

2 标签的读写

2.1 命令格式

2.1.1读写器的命令格式

读写器的命令格式如下：

帧头探测段是一个至少持续400Ls的稳定无调制载波（相当于16bit数据的传输） ;帧头是9bit的NRZ格式的manchesterO,即：010101010101010101;开始符是用来标记有效数据，原返回率采用5位的开始符（1100111010），4倍返回率采用开始符（11011100101）；CRC采用16bit的CRC编码。

2.1.2 标签的应答格式

标签的应答格式如下：

静默是标签持续2byte 的无反向散射（40kb/s的速率下相当于400Ls的持续时间） ;返回帧头是：00000101010101010101000110110001;CRC采用16bit的CRC编码。

2.2 防冲突机制

充电后的IC有三种主要数字状态：准备（READY,初始状态） ;识别（ ID,标签期望读写器识别的状态） ;数据交换（DATE EXCHANGE,标签已被识别状态）。

图3:状态转换图

首先，标签进入读写器的射频场，从无电状态进入准备状态。读写器通过组选择和取消选择命令来选择工作范围内处于准备状态中所有或者部分的标签，来参与冲突判断过程。为解决冲突判断问题，标签内部有两个装置：一个8bit的计数器；一个0或1的随机数发生器。标签进入ID状态的同时把它的内部计数器清0.它们中的一部分可以通过超高频射频识别系统读写器设计收取消命令重新回到准备状态，其它处在识别状态的标签进入冲突判断过程。被选中的标签开始进行下面循环：

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如果多于一个的标签发送，读写器将发送失败命令。

③ 所有收到失败命令且内部计数器不等于0的标签将其计数器加1.收到失败命令且内部计数器等于0的标签（刚刚发送过应答的标签） 将产生一个1或0的随机数，如果是1,它将自己的计数器加1;如果是0,就保持计数器为0并且再次发送它们的UID.

④如果有一个以上的标签发送，将重复第2步操作；

⑤如果所有标签都随机选择了1,则读写器收不到任何应答，它将发送成功命令，所有应答器的计数器减1,然后计数器等于0的应答器开始发送，接着重复第2步操作；

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的数据读命令，标签正确接收该条命令后将进入数据交换状态，接着将发送它的数据。读写器将发送成功命令，使处于ID状态的标签的计数器减1;

⑦如果只有一个标签的计数器等于1并且返回应答，则重复第5和第6步操作；如果有一个以上的标签返回应答，则重复第2步操作；

⑧如果只有一个标签返回应答，并且它的UID没有被正确接收，读写器将发送一个重发命令。如果UID被正确接收，则重复第5步操作。如果UID被重复几次的接收（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应答，重复第2步操作。

3. 系统硬件构成

本系统选用W 77E58单片机作为主控模块，与发射模块和接收模块、串口通信模块共同构成射频标签的读写系统。系统硬件原理如图1中读写器部分所示。

3.1 主控模块

主控模块选择W INBOND公司的W 77E58,它是一款高速、高集成、增强型内核为8051的高性能单片机；内置32kbit可重复编程的Flash EPROM,1kbit用MOV指令访问的内部SRAM（节省了16条数据/地址I/O口线） ,以及2个增强型全双工串行口。使用W 77E58的系统速度要比传统51系列单片机快2. 5倍左右。工作频率为40MHz的W 77E58相当于100MHz左右的8051.

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