摘要：該文結(jié)合射頻識別系統(tǒng)的基本原理，介紹了基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID讀寫器設(shè)計。重點闡明了工作頻率為13.56MHZ的ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，主要包括讀寫器與射頻卡之間的通信調(diào)制與編碼方式，請求幀與響應(yīng)幀的幀結(jié)構(gòu)等。隨后，給出了讀寫器的硬件總體設(shè)計，詳細描述了讀寫器硬件設(shè)計的數(shù)字電路部分。讀寫器的軟件，主要包括編碼器與解碼器的軟件設(shè)計，多卡識別也就是反沖撞功能的實現(xiàn)也是讀寫器設(shè)計中的一個關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：射頻識別；電子標(biāo)簽；讀寫器；反沖撞

中圖分類號：TP302文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)28-0222-03

Based on ISO / IEC 15693 Standard RFID Reader Design

CAO Bing， MA Lei

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical Institute of Electronics and Information Engineering Department， Zhenzhou 450052，China)

Abstract: The paper bases the principles of radio frequency identification system， introducing the based on the ISO / IEC 15693 standard RFID reader design.Focusing on the operating frequency of 13.56 MHZ the ISO / IEC 15693 standards，Including card readers and radio frequency communications between the modulation and coding，F(xiàn)rame and the frame response to the request of the frame structure.Subsequently， the reader is given the hardware design，Detailed description of the reader hardware design part of the digital circuit.Reader software， including encoders and decoders of software design，Identification cards and more anti-collision function is the realization， but also readers in the design of a key technology.

Key words: RF; ID;reader design; anti-collision

1 引言

射頻身份識別（RFID）技術(shù)是指將微芯片嵌入產(chǎn)品中，微芯片會向讀寫器自動發(fā)出產(chǎn)品序列號等信息，而這個過程不需像傳統(tǒng)條形碼技術(shù)那樣進行人工掃描，具有無線即時讀取方式、大容量和高速數(shù)據(jù)處理等能力以及高度自動化的特點。如今，RFID技術(shù)不僅應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)物流和交通運輸控制等領(lǐng)域，而且廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活，如公共交通、門禁管理、二代居民身份證等。本文以ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了射頻識別系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備讀寫器，其載波頻率為13.56MHz。

2 ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)

2.1 信號接口

信號接口包括數(shù)據(jù)的調(diào)制和編碼方式以及幀頭和幀尾的定義等。

2.1.1 從VCD到VICC的通信

VCD（臨近耦合設(shè)備，即讀寫器）和VICC（臨近標(biāo)簽，即射頻卡）之間的通訊采用振幅調(diào)制（ASK），使用10％和100％兩種調(diào)制方式，VCD決定使用哪一種方式。

數(shù)據(jù)編碼采用脈沖位置調(diào)制方式，VICC支持256選1和4選1兩種編碼模式。

2.1.2 VICC到VCD的通信

VICC到VCD的通信采用使用副載波的負載調(diào)試方式。VCD以協(xié)議頭的第一位來確定選擇一種副載波還是兩種副載波。使用一種副載波時，頻率fs是423.75KHZ（fc/32）。使用兩種副載波時，頻率fs1是423.75KHZ（fc/32），頻率fs2是484.28KHZ（fc/28）。

1) 數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)傳輸速率有低速率和高速率兩種形式，VCD以協(xié)議頭的第二位來確定選擇哪一種速率方式。兩種速率形式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)速率

■

2) 編碼。數(shù)據(jù)使用曼徹斯特編碼，單副載波時，位編碼的邏輯0開始于8個423.75kHz的脈沖，隨后是未調(diào)制的18.88μs時間，而邏輯1開始于未調(diào)制的18.88μs時間，隨后是8個423.75kHz的脈沖。

使用雙副載波時位編碼的邏輯0開始于8個423.75kHz的脈沖，隨后是9個484.28kHz的脈沖，而邏輯1開始于9個484.28kHz的脈沖，隨后是8個423.75kHz的脈沖。

3) VICC到VCD的幀。使用單副載波與雙副載波時起始幀(SOF)和結(jié)束幀（EOF）在協(xié)議中有分別定義，但是SOF和EOF經(jīng)過兩次解調(diào)后的數(shù)據(jù)是一樣的，即SOF為00011101，EOF為10111000，因此可以通過相同的軟件識別SOF和EOF。

2.2 傳輸協(xié)議和指令

2.2.1 傳輸協(xié)議

傳輸協(xié)議規(guī)定了VCD和VICC之間雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)的機制。VICC在正確解碼了VCD的指令后開始響應(yīng)。協(xié)議是面向位的傳輸，一幀中所傳輸?shù)奈粩?shù)是8的倍數(shù)，即傳輸整數(shù)字節(jié)。對單個字節(jié)而言，最低位先傳輸；對多個字節(jié)而言，最低字節(jié)先傳輸，每個字節(jié)的最低位先傳輸。

協(xié)議包括兩個部分：VCD向VICC的請求和VICC對VCD的響應(yīng)。每一個請求或響應(yīng)的內(nèi)容都包含在一個數(shù)據(jù)幀中。幀的開始和結(jié)尾分別是SOF和EOF。

2.2.2 指令

定義了四種指令類型：強制的、可選的、用戶自定義的和用戶私有的，其中強制的和可選的共15個指令在讀寫器的軟件設(shè)計中要全部實現(xiàn)。這些指令主要可分為讀指令和寫指令，分別用于獲取射頻卡的信息和設(shè)定或更改卡上的信息。

3 讀寫器的硬件設(shè)計

讀寫器的硬件組成如圖1所示，是一個DSP系統(tǒng)，完成與電子標(biāo)簽和上位機的雙向通信，其中DSP在與電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交換中完成編碼和解碼的功能。

DSP產(chǎn)生脈沖位置編碼，控制13.56MHZ載頻的輸出，實現(xiàn)脈沖位置調(diào)制。調(diào)制電路輸出信號的功率很弱，需將此信號進行功率放大，然后經(jīng)過濾波和調(diào)諧后加到天線上，以提高對卡的操作距離。功率放大電路采用NPN型的射頻功率晶體管MRF426，輸出功率為25W，工作頻率可達30MHz。輸出通過DSP調(diào)節(jié)數(shù)字電位器X9C503實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，可以調(diào)整的最小功率為0.25W。天線線圈在13.56MHZ的工作頻率時表現(xiàn)為阻抗Z，為了實現(xiàn)與50 系統(tǒng)的功率匹配，系統(tǒng)通過無源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω，然后通過50Ω的同軸電纜將功率從讀寫器末級傳送到天線匹配電路。

在ISO/IEC 15693協(xié)議中，電子標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)采用負載調(diào)制的方式（同時使用副載波）進行發(fā)射，即首先將曼徹斯特編碼的信號加載到副載波（有ASK單副載波423.75KHZ和FSK雙副載波423.75KHZ、484.28KHZ兩種方式），然后再將信號加載到主載波13.56MHZ上。因此，在讀寫器的接收通道中，首先通過帶通濾波器取出一個邊帶，放大后再送入解調(diào)器，解調(diào)器將邊帶信號與本地13.56MHZ載波混頻濾波后獲得調(diào)制到副載波上的中頻信號，再進行ASK或FSK檢波，從而得到曼徹斯特碼波形。這里所得的曼徹斯特碼波形沒有經(jīng)過抽樣判決，是模擬信號，經(jīng)過DSP的片上AD采樣、處理、判決后進行解碼和校驗，完成整個信號的接收處理過程。

RS232用于完成與上位機的通信。FLASH用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)，SRAM用于存儲臨時數(shù)據(jù)。串行日歷時鐘用于記錄當(dāng)前時間。指示燈用于指示讀寫器的工作狀態(tài)，如發(fā)送成功、接收成功、射頻錯誤等。

■

圖1 讀寫器硬件框圖

4 讀寫器軟件設(shè)計

在實際應(yīng)用中，讀寫器與射頻卡的通信時間很短，通常在幾百個毫秒之內(nèi)，實時性要求較高，因此讀寫器與射頻卡之間的通信軟件采用基于DSP的匯編語言進行設(shè)計。

4.1 編碼器的軟件設(shè)計

一個完整的請求幀如下所示。兩個字節(jié)的CRC由標(biāo)志、命令碼、參數(shù)和數(shù)據(jù)部分根據(jù)CRC16校驗算法產(chǎn)生。編碼器的任務(wù)就是將如表2所示的一幀數(shù)據(jù)按照特定的編碼方法轉(zhuǎn)換為電波形從DSP的I/O口串行輸出。其中SOF和EOF的波形標(biāo)準(zhǔn)中有特別的定義。

■

在ISO15693標(biāo)準(zhǔn)中，從讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)編碼采用脈沖位置調(diào)制方式，電子標(biāo)簽支持兩種編碼模式，一種是1/256模式，一種是1/4模式。兩種編碼模式的實現(xiàn)方法基本相同，首先根據(jù)要編碼的數(shù)據(jù)X確定脈沖前后高電平的時間，然后順序調(diào)用脈沖前的高電平產(chǎn)生子程序、脈沖產(chǎn)生子程序和脈沖后的高電平產(chǎn)生子程序即可。

4.2 解碼器的軟件設(shè)計

讀寫器從電子標(biāo)簽接收的數(shù)據(jù)是按幀發(fā)送的，每一幀包括幀頭（SOF）、幀尾（EOF）和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括幀尾前的兩個字節(jié)（16位）的CRC校驗值。讀寫器在向電子標(biāo)簽發(fā)出一個命令后即開始采樣，如果在一定的時間內(nèi)接收到SOF，說明有返回信號，則繼續(xù)采樣，直至接收到EOF；否則，立即返回。

接收信號的處理流程包括采樣、濾波、計算判決門限、判決、曼徹斯特碼解碼、CRC校驗等步驟。

4.3 多卡識別的軟件設(shè)計

多卡識別也就是反沖撞功能的實現(xiàn)是讀寫器設(shè)計中的一個關(guān)鍵技術(shù)。在ISO15693標(biāo)準(zhǔn)中，有相應(yīng)的適用于多卡識別的命令，包括Inventory， Stay quiet等。其基本思想就是使不同卡號的射頻卡在不同的時隙中響應(yīng)命令，從以TDMA的方式識別工作區(qū)域的全部射頻卡。

假設(shè)Flags設(shè)置為06H，Mask length為0，Mask value為0，則在Inventory命令發(fā)出后，工作區(qū)內(nèi)卡號尾號為零的卡將會首先響應(yīng)，將自己的UID按照一定的格式發(fā)送出去；然后如果讀寫器又發(fā)出一個EOF，則工作區(qū)內(nèi)卡號尾號為1的卡將會響應(yīng)；依次類推，直到讀寫器發(fā)出第15個EOF，一個完整的Inventory命令結(jié)束。如果工作區(qū)域內(nèi)有兩張卡的卡號分別為007000022334485和 E007000022334495，則在讀寫器發(fā)出第5個EOF時，這兩張卡將會同時響應(yīng)，即發(fā)生沖撞，此時需要記錄沖撞位置5，在下一個Inventory命令中，設(shè)置Mask length為4，Mask value為5，則在讀寫器發(fā)第8個EOF時，尾號為85的卡響應(yīng)，在讀寫器發(fā)第9個EOF時，尾號為95的卡響應(yīng)。這樣，就可以得到工作區(qū)域內(nèi)存在的所有卡的卡號。

5 結(jié)束語

基于ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的射頻識別系統(tǒng)在某些應(yīng)用場合比超高頻(UHF)頻段的射頻識別系統(tǒng)具有性價比優(yōu)勢，但其工作頻率只有13.56Mhz，這決定它的距離不是很遠，讀寫速度不是很快，下行信號最快26.48kbps，上行信號最快速率為26.69kbps，對于那些讀寫距離或速度有更高的系統(tǒng)如倉庫管理，不停車自動收費等系統(tǒng)需要用UHF頻段的射頻識別甚至是有源的射頻識別系統(tǒng)方案來解決。

參考文獻：

[1] Klaus Finkenzeller. 射頻識別RFID技術(shù)[M].二版. 陳大才，譯. 北京:電子工業(yè)出版社，2001.

[2] ISO/IEC 15693-2: Air interface and initialization[S].

[3] ISO/IEC 15693-3: Anticollision and transmission protocol[S].

[4] 魯公羽， 陳雄， 倪斌. 射頻識別系統(tǒng)中讀寫器的開發(fā)與研究[J]. 計算機工程與應(yīng)用，2006，42(7):89-91.

[5] LIU Dong-sheng， ZOU Xue-cheng， YANG Qiu-ping， et al. An analog front-end circuit for ISO/IEC 15693-compatible RFID transponder IC[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報， 2006，7(10):1765-1771.

[6] 劉國福， 張璣， 張連超. DSP與海量存儲器的接口技術(shù)[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)， 2001，(9):21-24.