張素琴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

一種超高頻RFID閱讀器的設(shè)計

張素琴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

RFID是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一項重要技術(shù)，設(shè)計了一種基于C8051F340單片機和射頻閱讀專用芯片AS3992的超高頻RFID閱讀器，給出了閱讀器的硬件電路和軟件系統(tǒng)方案，詳細提出了碰撞算法和標簽掃描流程，對閱讀器進行測試，并給出了具體測試數(shù)據(jù)和結(jié)果。結(jié)果表明，該設(shè)計方案符合超高頻RFID閱讀器要求，具有良好的實用價值。

RFID； AS3992； 標簽掃描

0 引言

RFID(Radio frequency Identiifcation)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是使用專用的RFID閱讀器及專門的可附著于目標物的RFID標簽、利用超高頻率信號將RFID標簽信息傳送至RFID閱讀器來獲得相關(guān)特征信息的一種非接觸式射頻識別技術(shù)[1]。RFID閱讀器部署在一定的場空間范圍內(nèi)，以發(fā)射電磁波的形式激活在范圍內(nèi)的標簽，標簽在得到能量激活后進入仲裁狀態(tài)，接受閱讀器發(fā)出的指令，通過IS018000-6X空間協(xié)議實現(xiàn)閱讀器和標簽間的通訊。RFID閱讀器的優(yōu)點在于不需要所見就可以讀出標簽內(nèi)容，并且可以快速群讀，在物品經(jīng)過的地方可以不停止地大量快速閱讀和盤存，大大提高物品的檢測速度；還可以將閱讀器識別的標簽信息傳送到主機數(shù)據(jù)庫，通過組網(wǎng)的形式進行高效的資源管理。因此，RFID閱讀器廣泛應(yīng)用于物流管理、零售管理、制造行業(yè)、醫(yī)療管理等領(lǐng)域。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 芯片選擇

目前國內(nèi)市場上很多超高頻RFID閱讀器的射頻前端采用分立元件搭建，所兼容的協(xié)議需要通過控制器內(nèi)編程實現(xiàn)，通信端口則多采用串口方式，其制作方法復(fù)雜、穩(wěn)定性差且成本較高。本方案提出基于射頻收發(fā)芯片AS3992、工作于840～960 MHz頻段的超高頻RFID閱讀器的設(shè)計方案。該方案中采用的兩個主要芯片分別是控制器C8051F340單片機和AS3992閱讀專用芯片。

C8051F340是silicon labs的產(chǎn)品，它基于高速、流水線結(jié)構(gòu)，有與8051兼容的微控制器內(nèi)核；片內(nèi)具有通用串行總線(USB)功能控制器；有8個靈活的端點管道，集成收發(fā)器和1K FIFO RAM；片內(nèi)集成多達64 KB的FLASH存儲器和多達4 352字節(jié)片內(nèi)RAM，可以實現(xiàn)最小系統(tǒng)，因此選擇C8051F340控制器作為一個USB接口的RFID閱讀器硬件平臺的主控芯片。

AS3992是AMS公司推出的一款集成模擬前端和后端并且能處理IS0180006C/6B協(xié)議的閱讀器芯片，工作頻率范圍為840～960 MHz，內(nèi)部集成完整的射頻信號的調(diào)制/解調(diào)模塊、DRM濾波器和6C協(xié)議支持模塊等，接收靈敏度高達-86 dBm，提供SPI接口作為和主控處理器的接口，因此，采用該芯片可降低超高頻閱讀器的開發(fā)難度和周期，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性價比。

1.2 硬件電路方案

硬件電路框圖如圖1所示：

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

C8051F340主控制器通過SPI接口控制AMS3992的動作，以USB接口和上位機進行通訊。AS3992通過巴倫將差分的0 db的功率信號送入功率為2 W的功放，然后經(jīng)過二級FIR濾波送到定向耦合器的前端，定向耦合器再將信號送入天線，并耦合發(fā)射功率進行功率測量。定向耦合器的另外一端耦合接收信號，將接收信號送入AS3992的內(nèi)部LNA進行放大處理。為了射頻輸出和天線匹配，在發(fā)送端加入DTC電容，進行阻抗匹配。

1.3 電路板設(shè)計

印制電路板布板設(shè)計方面，原則上把數(shù)字電路部分和射頻部分分開布局，板子越小越好，可采用六層板結(jié)構(gòu)。射頻的輸入輸出部分的走線按照流水的原則走路，不相互交叉，盡量沒有短路孔[2]，特性阻抗控制在50 Ω。布線中按照λ/4原則和行旁路等強制接地的原則進行等電位的設(shè)計。理論上每個模塊都要進行阻抗匹配的設(shè)計，以保證能量能夠在每個模塊中傳遞。

2 軟件方案設(shè)計

超高頻閱讀器的軟件可分為四大模塊：上位機應(yīng)用程序和通信接口模塊程序完成閱讀器與上位機的通信；寄存器配置模塊程序完成對AS3992閱讀器的寄存器配置，使得AS3992能正常工作；協(xié)議控制模塊程序完成協(xié)議處理，實現(xiàn)盤存、讀/寫、加密/解密、銷毀等標簽操作；碰撞處理模塊完成軟件防碰撞處理[3]。四個模塊中的難點是標簽掃描盤查涉及的協(xié)議控制和碰撞算法這兩個部分。

2.1 標簽掃描盤查控制處理

閱讀器上電后主控程序首先對AS3992進行初始化，即調(diào)用AS3992的庫函數(shù)中的gen2Configure()函數(shù)，初始化參數(shù)主要包括通話session、除法比率DR、miller編碼或FM0編碼、tari、標簽反向散射鏈路頻率BLF等。初始化完成后進入選擇、盤存、會話階段。

選擇階段：調(diào)用AS3992庫函數(shù)中g(shù)en2Select()命令選擇特定范圍的標簽，可以根據(jù)EPC、TID、用戶存儲器的前幾位掩膜進行選擇；或者使用AS3992庫函數(shù)gen2Select(0，0)選擇讀寫器閱讀范圍的所有標簽，延遲300 us后進入盤存階段。

盤存階段：一個盤存周期中發(fā)送一次Query命令，涉及兩個AS3992庫函數(shù)中的掃描函數(shù)gen2SearchForTags()和gen2SearchForTagsFast()。

gen2SearchForTags()函數(shù)發(fā)送Query命令，開始盤存標簽。盤存過程中掃描到的標簽從應(yīng)答狀態(tài)轉(zhuǎn)換到確認狀態(tài)(ACK命令)，再從確認狀態(tài)轉(zhuǎn)換到開放狀態(tài)(Req_RN命令)。掃描到標簽，則掃描標簽數(shù)num_of_tags_加1；若沖突，沖突時隙Collisions加1；若未讀到，則空時隙加1。然后發(fā)送QueryRep命令，調(diào)用庫函數(shù)cbContinueScanning()繼續(xù)掃描下一個時隙，直到2Q個時隙掃描完，然后判斷有無碰撞發(fā)生并進行碰撞處理。如果連續(xù)調(diào)用該函數(shù)10次讀到的標簽數(shù)始終為0，則使AS3992進入低功耗模式，直到重新激活A(yù)S3992。

gen2SearchForTagsFast()函數(shù)發(fā)送Query命令，則開始快速盤存標簽。盤存過程中掃描到的標簽從應(yīng)答狀態(tài)轉(zhuǎn)換到確認狀態(tài)(ACK命令)，但不轉(zhuǎn)換到開放狀態(tài)。掃描到標簽，掃描標簽數(shù)num_of_tags_加1，發(fā)送QueryRep命令繼續(xù)掃描標簽，共掃描2Q次結(jié)束。該函數(shù)返回讀到的標簽數(shù)，不統(tǒng)計空時隙和碰撞時隙，發(fā)生碰撞也不處理，一次盤存即周期結(jié)束，這是一種快速盤存標簽的方式。如果連續(xù)調(diào)用該函數(shù)10次讀到的標簽數(shù)始終為0，則使AS3992進入低功耗模式，直到重新激活A(yù)S3992。

會話階段：該階段主要是對標簽用戶存儲區(qū)進行讀寫操作，也可以讀EPC、TID。

2.2 碰撞處理模塊流程

在標簽掃描盤查2Q個時隙結(jié)束后，通過判斷碰撞時隙Collisions的值來確定是否發(fā)生碰撞并調(diào)整Q值。若碰撞時隙不為零，根據(jù)Collisions值的大小發(fā)送QueryAdjust調(diào)整Q，然后進入盤存階段繼續(xù)掃描2Q個時隙，繼續(xù)統(tǒng)計碰撞時隙、空時隙、掃描標簽數(shù)。若還有碰撞時隙，再次調(diào)整Q，繼續(xù)上述步驟，但碰撞處理程序設(shè)定上述過程即調(diào)整Q值最多為2次；若碰撞時隙為零，說明未發(fā)生碰撞，則作相關(guān)處理后結(jié)束該掃描周期，返回掃描標簽數(shù)。碰撞處理流程見圖2所示：

圖2 碰撞處理流程

3 測試結(jié)果和結(jié)論

對基于以上方案設(shè)計的超高頻閱讀器進行了實際測試，該閱讀器可外接四路天線，在外接12 dBi高增益天線時讀卡距離為12 m，符合ISO18000-6B和ISO18000-6C協(xié)議標準，并在獨特的防碰撞算法下實現(xiàn)了快速識別多標簽功能。

測試結(jié)果表明，該設(shè)計方案符合超高頻RFID閱讀器要求，具有良好的實用價值。

[1] 徐鵬. 超高頻RFID閱讀器的設(shè)計[J].電子科技，2013(21)：62.

[2] 孟芳宇. 基于 Intel R1000 的超高頻射頻識別閱讀器的設(shè)計[J].航空電子技術(shù)，2010(2)：33-35.

[3] 陳勇，陸遙.基于AS3992的超高頻RFID閱讀器的設(shè)計及仿真[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用，2013(1)：128.

[責任編輯：李娟]

Design of a UHF RFID Reader

ZHANG Suqin

(Institute of Electronic and Electrical， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China)

RFID is an important technology in IOT system. This paper designs a UHF RFID reader based on C8051F340 MCU and RF reader. It explains the hardware circuit and software system scheme of this reader， presents the collision algorithm and label scanning process. The reader is also tested， and specific test data and results are given. The results show that the design meets the requirement of the UHF reader and is of great practical value.

RFID; AS3992; label scanning

2017-04-12

張素琴(1970-)，女，副教授、高級工程師，主要研究方向：電子技術(shù)

TP 391.44

A

1672-2434(2017)04-0011-03