超高频射频识别系统读写器设计概要.docx

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超高频射频识别系统读写器设计概要

第28卷　第3期2005年9月　电　子　器　件

ChineseJournalofElectronDevices

Vol.28No.3

Sep.2005

DesignofUHFRFIDInterrogator

ZHANGXiao-peng1,2,ZHUYun-long1,LUOHai-bo1

1.ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;

2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Abstract:

UHFRFIDsystemisbecomingmorewidespreadduetoitsadvantage,suchasfastread-writespeed,largememory,longrecognitiondistanceandsimultaneousread-writemulti-tag.Thispaperintro-ducesthecharacteristicandstructureandprincipleandread-writemethodofanUHFRFIDtagaccordedwithISO18000-6Standard,andpresentsthesolutionofitsinterrogator,expatiateshardwaredesignofin-terrogatorandflowofsoftwareprogram.Itshasmeritsoffastread-writespeed（singletag64bit/6msandhighrecognitionrate,andlongrecognitiondistance（≥4mproveoutasaresultofpracticalapplica-tion.

Keywords:

RFID;tag;interrogator;UHF

EEACC:

7210

超高频射频识别系统读写器设计

张晓鹏1,2,朱云龙1,罗海波1

（1.中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳110016;2.中国科学院研究生院,北京100039

摘　要:

超高频射频识别系统具有读写速度快、存储容量大、识别距离远和同时读写多个标签等特点,已经在物流等领域得到越来越广泛的应用。

介绍了符合ISO18000-6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读写速度快（单个标签64bit/6ms、识别率高,识别距离远（≥4m。

关键词:

射频识别;标签;读写器;超高频

中图分类号:

TM931　　文献标识码:

A　　文章编号:

1005-9490（200503-0542-04

　　射频识别（RFID,RadioFrequencyIdentifica-tion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[1~2]。

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

收稿日期:

2005-01-30

基金项目:

中科院先进制造基地创新项目（F040210

作者简介:

张晓鹏（1979-,女,硕士研究,研究方向为RFID软硬件系统及其应用,zhangxp@;

朱云龙（1967-,男,研究员,博士生导师,中科院沈阳自动化研究所先进制造技术实验室主任,主要研究方向为CIMS、分布式智能技术、协同制造理论与方法以及SCM/ERP/CRM系统管理软件的开发等;

罗海波（1967-,男,研究员,硕士生导师,主要研究方向为模式识别与图像处理、DSP系统设计、实时信号处理系统。

发展的重点。

本文介绍了符合ISO18000-6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。

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。

图1　工作原理

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Querylock（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（UniqueID。

64bitUID包含50bit的独立的串号,12bit的边界码和一个两位

的校验码。

Byte8~219是未锁定空间,供用户使用。

Byte220~223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:

帧头探测段帧头开始符命令地址字节掩码数据CRC

　　帧头探测段是一个至少持续400s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manchester“O”,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（Quiet

返回帧头

数据CRC

　　静默是标签持续2byte的无反向散射（40kb/s

的速率下相当于400s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（DATEEXCHANGE,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接

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第3期张晓鹏,朱云龙等:

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:

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。

如果多于一个的标签发送,读写器将发送失败命令。

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。

如果有一个以上的标签发送,将重复第2步操作;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;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;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;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W77E58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WINBOND公司的W77E58,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FlashEPROM,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W77E58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W77E58相当于100MHz左右的8051。

3.2　发射模块

发射模块由射频调制/发射芯片和功率放大芯

片组成。

其原理如图4所示。

调制/发射芯片选用Motorola公司的MC33493,它是由锁相环调谐的UHF频段调制/发射芯片,采用OOK或FSK调制,具有集成的VCO、环路滤波器、可调的输出功率,工作频段可选择315~434或868~928MHz。

工作频段由BAND（3管脚控制、调制方式则由MODE（14管脚设定。

RFOUT（10管脚的输出频率f（out=f（Y1×[Ratio]（PLL[3]。

图4　发射模块

本设计中BAND（3管脚置低电平,选用868~928MHz的频段;工作频率设定在915MHz,f（Y1=915MHz/64=14.297MHz;MODE（14管脚置低电平,采用OOK调制方式;DATACLK（1、

DATA（2、ENABLE（13管脚分别为时钟、数据输入和芯片工作开关,由单片机来控制[5]。

为了提高系统的发射功率,本设计选用了RF

MicroDevice公司的RF2132功率放大芯片对MC33493输出的射频信号进行功率放大;RF2132是一种高功率、高效率的线性放大器,具有29dBm的线性输出功率。

3.3　接收模块

接收模块由射频接收/解调芯片和信号放大芯片组成。

原理如图5所示。

射频接收/解调芯片选用Motorola公司的MC33593,它是一种由锁相环调谐的UHF频段低功率射频接收/解调芯片,工作频带在868~928MHz,中频带宽为500kHz,采用OOK或FSK调制,由DMDAT（13管脚设定。

具有集成的VCO、环路滤波器[4]。

本设计中DMDAT（13管脚置低电平,采用OOK调制。

晶体振荡器的频率选择与MC33493相同。

系统时钟（11、数据接口（15、16及输入控制开关（14由单片机控制[5]。

为了提高系统的接收灵敏度,本设计在天线和射频接收/解调器之间增加了一套射频信号放大电路,主要由RF2173组成,其功能是用于对天线接收到的射

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图5　接收模块

频信号进行放大,以提高MC33593输入射频信号的信号强度;RF2173具有最大32dB的增益。

3.4　串口通信模块

读写器采用RS232接口与计算机通信,电平转换芯片用ICL232。

通过该接口计算机向读写器发送读、写标签等命令,读写器可把结果回送给计算机。

4　系统软件设计

4.1　主程序

由于系统在PC机的监控下工作,两者之间为主从通信方式。

主控模块上电完成正常初始化过程后,便进入等待状态,等PC机发来指令。

当接收到PC机指令后,转去处理相应的程序。

处理完毕后执行结果信息返回PC机[6]。

主程序框图如图6

所示。

图6　接收模块

4.2　防冲突程序

在读写器天线所覆盖的范围之内有多个标签存在时,读写器发送命令后,会引起响应冲突,从而导致通信失败。

当读写器检测到冲突后,可使用命令来处理存在的冲突。

通过发送命令可以记录读写器天线覆盖范围内的标签的

UID,然后利用UID的唯一性,读写器和各个标签分别建立独立的通道进行通信,

从而消除冲突。

读写器首先发送命令给标签,在命令的数据域和参数域中分别包含UID的掩码和掩码的长度,传送给标签的掩码要求是整字节,如果此掩码不是整字节的话将自动在高位补零。

通过设置标志域的相应标志位,读写器可以设置接收标签响应的时隙为3或6,在各时隙中,读写器都可以接收标签返回的UID,读写器通过发送结束信号的UID和当前时隙序号的最低4bit加命令数据域中的掩码进行比较,如果不匹配则无应答,如果匹配将送回自己的UID。

在某一时隙可能出现多个标签同时做出响应,这时读写器要记下冲突的标签掩码和时隙计数器的值,以做进一步

冲突处理[6]。

流程图如图7。

图7　接收模块

5　结束语

本文设计的超高频射频识别读写器能够读写UCODEHSL系列多种标签,读写速度最快（从单个标签上平均读取64bit,耗时不超过6ms每多取32bit耗时累加1ms;每单个标签上平均写入32bit,耗时不超过25ms每多写入32bit耗时累加25ms,读写距离（≥4m,有效地解决了多标签防冲撞问题,此超高频射频识别系统尤其适用于物流、供应链领域。

参考文献:

[1]　KlausFinkenzeller.射频识别（RFID技术[M].北京:

电子工

业出版社,2002.

[2]　游战清.李苏剑.无线射频识别技术（RFID理论与应用[M].

北京:

电子工业出版社,2004.

[3]　MotorolaSemiconductorTechnical.MC33493TechnicalData

[S].USA:

Motorola,Inc.,2002.

[4]　MotorolaSemiconductorTechnical.MC33593TechnicalData

[S].USA:

Motorola,Inc.,2002.

[5]　陈邦媛.射频通信电路[M].北京:

科学出版社,2002.

[6]　张培仁.单片机原理与应用[M].北京:

清华大学出版社,2003.

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