黃麗亞，王鵬飛

（南京郵電大學電子科學與工程學院，江蘇南京210003）

RFID（radio frequency identification）技術是指以識別和數(shù)據(jù)交換為目的，利用感應、無線電波或微波進行非接觸雙向通信的自動識別技術，利用這種技術可以實現(xiàn)對所有物理對象的追蹤和管理[1]。而一個最基本的RFID系統(tǒng)包含標簽和閱讀器兩部分。其中標簽可以存儲數(shù)據(jù)，包含了相關物理對象的某些信息；閱讀器利用射頻技術與標簽通信，向標簽發(fā)送指令、寫入或讀取標簽數(shù)據(jù)，也可將數(shù)據(jù)向后臺傳輸。其中，閱讀器發(fā)送指令后，標簽回波采用FM0編碼方式。筆者提出了一種新的FM0解碼方法，將回波數(shù)據(jù)采樣與判決分開進行，防止了處理器進行中斷所可能帶來的解碼錯誤，提高了效率。

1 FM0編碼原理

FM0（即Bi-Phase Space）編碼的全稱為雙相間隔碼編碼。它在一個碼元寬度內(nèi)用不同的電平變化方式來表示不同的數(shù)據(jù)。如果電平碼元的起始處翻轉，則表示數(shù)據(jù)“1”；如果電平除了在碼元的起始處翻轉，還在碼元中間翻轉則表示數(shù)據(jù)“0”。即在FM0編碼中，電平翻轉發(fā)生在所有的符號位邊界，電平翻轉同時發(fā)生在被發(fā)送的數(shù)據(jù)0的正中間，生成的FM0序列如圖1所示[2]。

圖1 FM0編碼數(shù)據(jù)圖Fig.1 Schematic diagram of FM0 coding

ISO 18000-6C協(xié)議中規(guī)定，標簽到讀寫器的通信中參數(shù)可按需求設定。筆者用到的參數(shù)設定為：鏈路頻率LF=160 kHz，TRext=0，M=1。這樣，選定的碼元周期為6.25 μs，不加入12個連續(xù)0引導信號的FM0回波信號。

回波信號的導引頭如圖2所示[2]，其中v碼是一個“壞”碼元，它本應在碼元起始位置發(fā)生電平翻轉。但這個v碼電平不翻轉從而表示這是導引頭，導引頭后是傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)。

2 閱讀器構成及工作原理

圖2 FM0導引頭Fig.2 FM0 preamble code

本文用到的閱讀器由天線、射頻調(diào)制解調(diào)模塊、基帶信號處理模塊3部分構成。其中天線及射頻解調(diào)模塊工作原理框圖如圖3所示[3]。射頻接收機將標簽反饋的回波射頻信號直接下變頻到基帶，IQ兩路輸出數(shù)據(jù)接基帶信號處理模塊輸入引腳。

圖3 零中頻解調(diào)框圖Fig.3 Block diagram of zero-IF demodulator

基帶信號處理模塊核心芯片采用三星公司的S3C2440。它是以ARM9為核心的芯片組，工作頻率可達到200 MHz以上，內(nèi)部時鐘工作在100 MHz，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力[4]。利用S3C2440的GPIO引腳作為命令發(fā)送、FM0回波數(shù)據(jù)接收引腳。另外利用S3C2440的外部邊沿中斷引腳作為接收數(shù)據(jù)采樣的觸發(fā)引腳。最終構成的整個RFID系統(tǒng)框圖如圖4所示[3]。

圖4 RFID系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of RFID system

3 標簽回波的FM0解碼方法及程序設計

3.1 傳統(tǒng)解碼方法存在的問題

若碼元寬度T=6.25 μs，即數(shù)據(jù)1的持續(xù)時間為6.25 μs，數(shù)據(jù)0在第3.125 μs處出現(xiàn)電平翻轉。根據(jù)FM0碼的編碼特性，目前有兩種比較常用的解碼方法。

方法一是以電平翻轉的時刻為起點，首先延時T/4，采樣I/O口電平，保存該電平值，以用作后續(xù)判斷電平是否跳變，然后延時T/2后再次采樣I/O電平，并與前一次的采樣值進行比較，若電平翻轉則接收值為“0”，否則接收值為“1”。接收數(shù)據(jù)移位，通過檢測跳變獲知一位數(shù)據(jù)接收完成，數(shù)據(jù)移位8次接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，重復上述操作直至接收完所有數(shù)據(jù)[5]。

這種方法的缺點很明顯。因為閱讀器頻段頻率很高，當在接收過程中出現(xiàn)頻率偏移的情況時，會造成位寬時間T較大的變化，而程序仍以固定的時間間隔3/4T去解碼，所以每次都會發(fā)生一定的偏移。根據(jù)協(xié)議，閱讀器將接收到標簽傳送過來的1個128字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣在解碼過程中，將出現(xiàn)累積偏移過多導致漏讀或多讀情況，從而產(chǎn)生誤判[6]。

方法二是利用芯片內(nèi)部時鐘計數(shù)器，電平翻轉的瞬間邊沿觸發(fā)外部中斷，定時器計數(shù)寄存器開始計數(shù)。電平再次翻轉引發(fā)下一次中斷，此時通過計算定時器計數(shù)寄存器的值就可得到兩次翻轉之間的電平持續(xù)時間。從而判斷出該信號是數(shù)據(jù)1還是數(shù)據(jù)0[6]。

但是以上兩種方法還都存在一個問題：FM0回波信號的傳輸速率是160 kHz，即電平翻轉時間間隔是μs級的，而以上兩種方法均是采樣（定時）的同時判決信號數(shù)據(jù)，即需要在幾μs的時間內(nèi)先后完成中斷→采樣（定時）→判決3個任務，如果處理器出現(xiàn)延遲過高，就會出現(xiàn)再次中斷而前一次數(shù)據(jù)還未判決結束的情況。因此，以上兩種方法的解碼都是存在風險的。

3.2 新的FM0解碼方法

筆者提出一種新的方法：將采樣和判決分離開來，避免出現(xiàn)由以上原因出現(xiàn)的誤碼。新方法的采樣流程圖如圖5所示。一旦標簽回波反饋數(shù)據(jù)引起中斷，即開始采樣，直至采樣到標簽反饋數(shù)據(jù)的最后一位。將采樣后數(shù)據(jù)存入數(shù)組data[n]，然后對data[n]中的數(shù)據(jù)進行判決，得到最終的反饋數(shù)據(jù)。將判決與采樣分離，減少誤碼。

圖5 數(shù)據(jù)采樣流程圖Fig.5 Flow chart of data sampling

3.3 數(shù)據(jù)判決程序設計

3.3.1 采 樣間隔時間的選取

由于數(shù)據(jù)0在數(shù)據(jù)中央電平翻轉，因此要求采樣間隔小于T/2，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)0判決為數(shù)據(jù)1的情況。為方便推導，在碼元周期是采樣間隔整數(shù)倍的數(shù)值，即T/3、T/4、T/5…一系列值中選取采樣間隔。在實驗中發(fā)現(xiàn)，由于噪聲干擾或者信號不穩(wěn)定帶來的FM0回波失真，會讓T/3、T/4這兩個值得到的判決結果出現(xiàn)誤碼，因此本文選擇采樣間隔為T/5。

3.3.2 解 碼算法分析及編程思路

首先分析采樣數(shù)據(jù)。由FM0的編碼規(guī)則可知，正常的數(shù)據(jù)1的電平保持時間是數(shù)據(jù)0保持時間的兩倍（數(shù)據(jù)0的電平翻轉在正中央），又由于采樣的時間間隔是T/5，可以推得采樣后一個數(shù)據(jù)1是由4個或者5個連0或者連1表示的，即采樣后將會出現(xiàn)以下的4種情況，它們可以表示數(shù)據(jù)1：1）0000；2）1111；3）00000；4）11111。其中后兩種是極限情況，即數(shù)據(jù)1的第一次采樣時間恰好是電平翻轉的瞬間，因此5個連1或0的情況一般是在回波信號失真，即回波中數(shù)據(jù)1的脈沖寬度由于其他干擾被拉長了的情況下才會出現(xiàn)，其概率非常低。同理可得以下6種情況可表示數(shù)據(jù)0：1）0011；2）00111；3）00011；4）1100；5）11000；6）11100。其中2）、3）、5）、6）4種情況也是在回波信號失真的極限情況下才會發(fā)生，概率同樣很低。又由于ISO 18000-6C協(xié)議中規(guī)定，F(xiàn)M0回波的引導頭中有一個不按編碼規(guī)律進行電平翻轉的“v”碼，如圖2所示。此v碼的長度為1.5T，易知v碼采樣后，只會有以下兩種情況：1）0000000；2）1111111。

由以上對數(shù)據(jù)1、0和v的分析可以得到以下結論：按本文所述方法采樣后，對采樣數(shù)據(jù)進行判決時，連續(xù)電平采樣數(shù)據(jù)保持不變的個數(shù)小于等于3，則此數(shù)據(jù)應判決為0；大于等于6的應判決為v；其余為1。經(jīng)以上分析可以得到數(shù)據(jù)判決程序Judge（data[]，data_length）。例如采樣后的數(shù)據(jù)1111001100001100000001111經(jīng)過Judge（data[]，data_length）函數(shù)后生成的判決數(shù)據(jù)為1010v1，即FM0引導頭。

此算法應注意的是在判決數(shù)據(jù)0時，由于數(shù)據(jù)0的采樣數(shù)據(jù)是由兩段小于等于3的連1或0構成的，因此需要在編程時忽略第二段連1或0，否則判決后會出現(xiàn)一個不應存在的0。同樣需要注意的是在v碼之前的那個數(shù)據(jù)0的判決。

4 實驗及結果分析

針對以上FM0解碼方法，本文進行了實驗驗證。RFID讀卡器基帶編解碼模塊的硬件環(huán)境是由兩塊三星公司的S3C2440芯片開發(fā)板所構成的，如圖6所示。其中的ARM1（位于圖6上部）作為RFID讀寫器的基帶數(shù)據(jù)處理模塊。將ARM2用來模擬標簽反饋信號的信號源，模擬標簽的FM0回波反饋信號，將其輸出的反饋信號分別接ARM1的外部邊沿中斷引腳及數(shù)據(jù)輸入引腳，循環(huán)發(fā)送FM0信號的引導頭，示波器截得模擬的標簽反饋信號波形如圖7所示。

圖6 硬件環(huán)境Fig.6 Hardware environment

圖7 循環(huán)發(fā)送的FM0信號的導引頭Fig.7 Preamble code of circulating sent signal FM0

ARM1對接收信號進行數(shù)據(jù)處理，將得到的解碼后的結果通過串口發(fā)送到PC機上，如圖8所示。實驗結果顯示，本文的FM0解碼算法能正確的將FM0信號解碼。

圖8 數(shù)據(jù)處理信息Fig.8 Data processing information

5 結束語

在RFID系統(tǒng)的設計中，標簽回波信號的正確解碼是至關重要的。這要求讀寫器基帶模塊采樣和判決時誤碼率要盡可能低。利用本文提出的解碼算法進行循環(huán)發(fā)送FM0導引頭而后對其解碼的實驗，結果顯示誤碼率低于2‰。此算法的核心思路是將數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)判決分離開來，并在判決時利用不同數(shù)據(jù)采樣值保持不變的個數(shù)相互不同的特點而進行正確的解碼，從而避免了由于采樣和判決相互影響所帶來的誤碼，而且判決方法快速簡單，因此讀卡效率也得以提高。

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