摘 要： 給出了一種改進型的RFID讀寫器" title="讀寫器">讀寫器設計方案。介紹了各硬件模塊,并給出了軟件的總體流程、防碰撞" title="防碰撞">防碰撞算法及實現代碼,最后進行了研發測試。對比基于射頻芯片的RFID讀寫器設計，此方案提高了系統靈敏度和讀寫距離" title="讀寫距離">讀寫距離。本設計擁有自主知識產權，已用于開放式門禁系統" title="門禁系統">門禁系統。實踐表明，該系統電路穩定，運行正常。
關鍵詞： RFID；讀寫器；ISO-15693協議；DSP
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射頻識別技術（RFID）是上世紀80年代興起并不斷走向成熟的一項自動無線識別和數據獲取技術。與傳統的條碼、磁卡等自動識別技術相比，RFID技術在工作距離、保密性、智能化及其環境適應能力等方面都有顯著優勢，且可同時識別多個高速運動物體，有廣闊的發展前景[1]。
RFID系統由電子標簽、天線、讀寫器三部分組成。讀寫器通過天線發送、接收信號，無接觸地讀取和識別標簽中所保存的數據，并將信息傳送至上位機進一步處理，從而達到目標識別的目的。由此可見，讀寫器是RFID技術的核心。目前HF頻段RFID讀寫器的研發正處于逐步成熟階段，國際上知名的大公司有TI、Philips等，國內生產廠商相對較少，且大部分都是在已有射頻芯片的基礎上進行數字部分的研發，系統集成商則是在國外公司知識產權的基礎上根據客戶需要做適當改進。
HF頻段RFID系統中標簽所獲能量微弱，無力再向周圍發射無線電波，只能反射來自讀寫器的電磁波,故標簽的響應信號微弱，影響讀寫距離。本文針對這一問題，在介紹電子標簽的基礎上，給出了一種基于開放式門禁系統應用的讀寫器設計方法，提出將模擬板、數字板分別研發的思想，大大提高了讀寫距離。該讀寫器工作頻率為13.56MHz，符合ISO-15693協議。硬件電路采用TI的TMS320F2812為主控芯片，以符合ISO-15693協議的所有無源標簽為讀寫目標，軟件設計很好地實現了多卡識別的防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法。
1 電子標簽簡介
每個電子標簽由耦合元件及芯片組成，內部一般保存有約定格式的電子數據，且具有無法修改、仿造、全球唯一的識別號（UID）。在HF頻段RFID系統中，當讀寫器處于工作狀態時，與其相連的天線線圈不斷地向外發出一組固定頻率(13.56MHz)的電磁波。當無源電子標簽進入讀寫器工作區域時，在該電磁波的激勵下，標簽內的LC串聯諧振電路產生諧振，從而使電容充電而產生電荷。該電容又通過一個單向導電的電子泵，將電容內的電荷泵送到另一個電容內存儲。當后者充電達到2V時，它就可用作為標簽內部其他電路的工作電源。標簽芯片中的有關電路對讀寫器發來的信號進行解調、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為“讀”命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼、調制后通過標簽內部天線再發送給讀寫器；若為修改信息的“寫”命令，有關控制邏輯就會使內部電荷泵提升工作電壓，以擦除EEPROM中的內容并進行改寫；若經判斷發現所對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息[2]。
2 讀寫器硬件設計
目前的RFID讀寫器大多采用一塊射頻芯片完成整個系統的收發，雖簡單易行，但降噪性能和系統靈敏度始終沒有改善。
本設計提出模擬、數字部分分別研發的思想，硬件框圖如圖1所示。由DSP芯片產生脈沖位置編碼(PPM)信號，再對13.56MHz載頻進行調制。已調信號的功率很弱，需先進行功率放大，再經濾波和調諧加到天線上，以提高對卡的操作距離。系統可通過DSP實現輸出功率控制，最小功率為0.25W。天線線圈在13.56MHz工作頻率上呈現阻抗形式，為了實現與50Ω系統的功率匹配，需先通過匹配電路將此阻抗轉換為50Ω電阻，然后通過50Ω同軸電纜連接到讀寫器末級。在接收通道中，由標簽響應回來的信號，首先通過帶通濾波器取出一邊帶，放大后送入解調器，最后將解調后的信號送入DSP芯片上作A/D采樣判決，并進行解碼和校驗，完成整個信號的接收處理。該讀寫器用于開放式門禁系統時，除完成簡單的標簽識別外，還需通過RS232接口與上位機通信, 由此形成大的數據網絡,以實現對標簽的管理、操作等。因此讀寫器的硬件設計分為模擬部分和數字部分。模擬部分即射頻模塊；數字部分又可分為主控模塊，電源管理模塊和對外接口模塊、所選芯片如表1所示。
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2.1 模擬部分
本設計自主研發了一塊供電電壓為24V的模擬板，簡要論述如下。
2.1.1 發送模塊
??? 發送模塊的功能：(1)13.56MHz的晶振產生載波信號，DSP將欲發送的信息及調制幅度(10％)傳送至74HC125D芯片端，完成ASK調制；(2)NPN型射頻功率晶體管實現功率放大；(3)經匹配電路將載頻由天線發送出去。
2.1.2 接收模塊
??? 接收模塊的功能：(1)設計窄帶濾波器取出一邊帶，并濾除13.56MHz頻率分量；(2)二級放大電路；(3)將邊帶信號與本地13.56MHz載波混頻后獲得調制到423kHz單副載波上的中頻信號；(4)將中頻信號放大并包絡檢波出原始信號；(5)運放LM358整形放大；(6)將解調后的模擬信號送至DSP采樣。
該射頻模塊的輸出阻抗為50?贅，外接天線的匹配狀況對系統的接收性能有直接影響，用網絡分析儀調試天線諧振在13.56MHz，輸出阻抗為50?贅。此外，應防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，要選擇介電常數公差小的基材。射頻部分盡量使用SMT(表面貼裝式)元件，減少過孔，并在表面加接地金屬屏蔽層[3]。
2.2 數字部分
2.2.1 主控模塊
本系統采用DSP芯片TMS320F2812作為信號采集和處理的核心。該芯片采用高性能的靜態CMOS技術，是基于TI C×28內核的32位定點數字信號處理器。其優化的事件管理器、快速靈活的中斷管理，為RFID讀寫系統提供了更加靈活、高效的控制方案[4]。
在本設計中，DSP芯片的供電電壓為3.3V和1.8V，外部采用27.12MHz晶振，通過片內鎖相環5倍頻后，時鐘頻率高達135.6MHz。DSP的主控作用體現在：它首先通過片上自帶的12位ADC對模擬板發來的信號進行采集，并將采集后的數據暫存在片內存儲器中，通過軟件配合實現噪音處理、曼徹斯特解碼及檢測碰撞等，隨后進行具體讀寫命令的判斷和執行，并通過串行接口RS232與上位機通信。DSP的GPIO口具體使用情況如下：
GPIOA：用于通道（bit5）、相位(bit8)和調制度(bit14)選擇、命令(bit15)的輸出以及讀寫器的開關控制（0x0000）。
GPIOB：報警動作。
GPIOD：運行燈（bit5），報警燈(bit6)指示。
GPIOF：串行口232通信（bit4發、bit5收）。
在該模塊的設計中，還需總線隔離器74HC245芯片，實現射頻模塊與DSP的GPIOA口的連接。
2.2.2 電源管理模塊
該模塊的主要器件為L7805及PS767D318，電路原理如圖2所示。其中，24V輸入電壓經三端穩壓器L7805后，穩壓至5V。由于DSP的供電電壓為3.3V和1.8V，故還需外接雙輸出低壓差電壓轉換器PS767D318，實現第二級電平轉換。
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2.2.3 對外接口模塊
該模塊的主要器件為MAX232芯片，它是一款符合EIA RS-232標準和V28規范的雙向發送/接收接口芯片，通過標準的九針串口與上位機相連。
3 讀寫器軟件設計
3.1 總體設計流程
讀寫器應用于開放式門禁系統時，需要PC機監控，兩者以主從方式工作。主控模塊上電復位完成初始化后，進入等待狀態。當PC機發來指令后，中斷喚醒主控模塊接收指令并處理相應程序，完畢后將信息返回PC機并再次進入等待狀態，總體流程如圖3所示。當中斷喚起讀寫器發送命令并已檢測到有標簽進入時，便進行接收。接收部分流程如圖4所示。主控模塊在發出命令后，立即對模擬板發來的信號ADC采樣，并不斷采集噪聲，隨后完成檢測數據、解碼、校驗、防碰撞等處理，最后將標簽信息發回PC機,退出中斷。
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3.2 多卡識別時防碰撞算法的實現
當讀寫器處于工作狀態時，其天線覆蓋范圍內的所有標簽都將被激活，隨時準備響應讀寫器的命令，這就造成了標簽的碰撞。
在ISO15693協議中，適用于多卡識別的命令有Inventory、Stay quiet等。Inventory用以查詢天線覆蓋范圍內的UID(標簽識別號），其幀格式包括Flags（標志位）、Mask length（掩碼長度）、Mask value（掩碼值）等。讀寫器發送Inventory命令時須定制所需的時隙長度，并在指令域后添加掩碼碼長和碼值。假設Mask length，Mask value均為0，時隙長度slot設為16，則讀寫器在slot=0時發送Inventory命令，工作區域內卡號尾數為0的標簽將會首先響應，并以一定的幀格式發回自己的UID，隨后在時隙slot=1時，讀寫器繼續發送EOF，工作區域內尾數為1的標簽將會響應。依此類推，直到讀寫器發出第15個EOF，一個完整的Inventory命令結束。若在工作區域內有兩張標簽的卡號分別為****82H和****12H，則在slot=2時，兩張卡均響應且產生碰撞。此時需記錄下碰撞位置2，然后在下一個Inventory命令中，設置Mask length＝4、Mask value＝2，則在新一輪的slot中，兩張標簽將分別在slot=8和slot=1時響應，這樣就很好地解決了防碰撞問題。Stay quiet命令用于使工作區內與發送幀中UID相同的標簽處于靜止狀態，不再響應任何ISO命令。下面給出防碰撞算法的實現編碼（以16時隙為例）：
function push(mask，address)；pushes on private stack
function pop(mask，address)；pops from private stack
function pulse_next_pause；generates a power pulse
function store(VICC_UID)；stores VICC_UID
function poll_loop(sub_address_size as integer)；
address length must be four (4) bits.
pop(mask，address)
mask=address & mask；generates new mask；send the Request
mode=anticollision
send_Request(Request_cmd，mode，mask length，mask[0])
for address=0 to(2^sub_address_size-1)
if no_collision_is_detected then；VICC is inventoried
store(VICC_UID)
??? else；remember a collision was detected
??? push(mask，address)
??? endif
??? pulse_next_pause
??? next sub_address；if some collisions have been detected and not yet processed，the function calls itself recursively to process the last；stored collision
?? if stack_not_empty then poll_loop (sub_address_size)
?? end poll_loop
?? main_cycle
?? mask=null? address=null
?? push(mask，address)? poll_loop(sub_address_size)
?? end_main_cycle
4 測試
? 研發設計過程中，對該讀寫器的性能進行了多項測試，主要測試項目及測試結果如下：
?(1)運行穩定性：在長時間不關機情況下，運行正常，無死機或重新啟動現象，讀寫能力正常，工作距離有±5cm輕微浮動。
?? (2)與上位機通信情況：正常。
? ?(3)虛檢漏檢情況：無。
? ?(4)防碰撞能力：每秒40個。
? ?(5)讀寫距離：單天線1.1m左右，雙天線1.8m～2m。
? ?(6)速率問題：下行信號最快速率26.48kb/s，上行信號最快速率為26.69kb/s。對于開放式門禁系統完全滿足實際需求。對于那些對讀寫距離或速度有更高要求的系統，如倉庫管理、不停車自動收費等系統需要用UHF頻段的射頻識別系統甚至是有源的射頻識別系統方案來解決。
?? 本文設計了一種符合ISO-15693協議的HF頻段RFID讀寫器，配合適當的天線，讀寫距離可達1.1m左右，多卡識別能力可達每秒40張。基于該讀寫器的門禁系統已投入應用，系統工作穩定，效果良好。與市面上現有的HF頻段長距離讀寫器相比，在工作距離相同的情況下，多卡防碰撞識別能力有顯著提高，且產品信價比高，系統靈敏度好，運行穩定可靠。在此讀寫器的基礎上，只要稍加改動也可開發成其他RFID應用系統，如考勤系統、公交車收費系統、超市自動售貨、電子防盜、圖書館、洗衣店等管理系統等。
參考文獻
[1] Klaus Finkenzeller.識別(RFID)技術[M].北京：電子工業工業出版社，2002，5.
[2] 周曉中，陽春華，劉偉群.非接觸式Mifare卡讀寫器開發[J].微型機應用，2005，24(4)：15.
[3] 武慧芝，朱云龍，羅海波.基于物流倉儲管理的RFID讀寫器設計[J].電子技術應用，2006，32(3)：75.
[4] 蘇奎峰，呂強，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2005.