基于RFID AS3990芯片的超高頻手持讀寫器設(shè)計 - 全文

1．引言

無線射頻技術(shù) RFID（radio frequency identification）是20 世紀90 年代興起的一種非接觸的自動識別技術(shù)，利用其射頻信號空間傳播的特性——通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息來實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。識別過程不需要物理接觸，不需要人工管理即可完成標簽信息的寫入和讀取。采用RFID 技術(shù)，可以一次性實現(xiàn)對多個目標以及運動目標的識別。此外，電子標簽是可讀寫的，能儲存大量信息，安全性保密性強，并且不怕外部灰塵、污漬等，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。正是由于具有這些其它識別方式不具備的優(yōu)勢，RFID 技術(shù)在物流、運輸、交通、生產(chǎn)、防偽等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和巨大的發(fā)展前景。

本文以 AS3990 芯片為核心設(shè)計一種以MSP430f149 芯片為控制器的超高頻RFID 手持式讀寫器。對于符合EPCGen2 標準的電子標簽，它能完成的所有讀寫及控制操作。其移動智能管理功能主要應(yīng)用在物流、供應(yīng)鏈、倉庫等場合。

2．系統(tǒng)概述及設(shè)計原理

在無線射頻識別系統(tǒng)中，RFID讀寫器是用來識別標簽并將采集到的數(shù)據(jù)信息送入后臺進行處理的關(guān)鍵設(shè)備，對保證RFID 系統(tǒng)的正確性和可靠性工作中具有關(guān)鍵作用。同時RFID讀寫器也可以對標簽進行寫操作，將信息存儲在標簽中。讀寫器的設(shè)計是完全以ISO/IEC18000-6C 標準協(xié)議為基礎(chǔ)的。

2.1 ISO/IEC18000 -6C 協(xié)議簡介

ISO/IEC18000-6C 協(xié)議規(guī)定在數(shù)據(jù)傳輸時， 先傳輸高字節(jié)， 并且其前向鏈路的調(diào)制方式都是采用ASK， 并用PIE 編碼， 防沖突算法是基于概率和分槽算法;其后向鏈路則是通過反向散射調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸， 可以選擇密勒編碼或者FM0 編碼。6C 標準采用了相對簡單的加密算法以防止在讀寫器獲取標簽信息的過程中， 把敏感數(shù)據(jù)擴散出去。此算法僅在讀寫器給標簽傳送數(shù)據(jù)時對信息進行加密， 而標簽傳送到讀寫器的數(shù)據(jù)信息是不加密的， 其實現(xiàn)過程是讀寫器將從標簽獲得一個16bit 寬隨機數(shù)與將要傳送的16bit 寬數(shù)據(jù)進行模2 和計算得到密文， 然后由標簽解密獲得讀寫器發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。

2.2 防沖突機制

在標簽內(nèi)具有一個16 位的隨機數(shù)發(fā)生器，以解決防沖突算法問題。查詢命令含有槽計數(shù)器參數(shù)Q。標簽在收到查詢命令后， 參與標簽應(yīng)在 （0，2 Q -1 ）范圍內(nèi)挑選一個隨機數(shù)值， 并將該挑選的數(shù)值載入其計數(shù)器， 挑選數(shù)值為零的標簽會轉(zhuǎn)換成應(yīng)答狀態(tài)， 并立即進行應(yīng)答挑選數(shù)值非零的標簽則應(yīng)轉(zhuǎn)換成仲裁狀態(tài)，并等待發(fā)出查詢調(diào)整或查詢命令。

詢問機采用的是三個基本操作來管理標簽群，即選擇、盤存、訪問。每個操作均由一個或一個以上的命令組成。三個基本操作的定義如下：

（1） 選擇： 讀寫器選擇標簽群以便于盤存和訪問的過程。詢問機可以用一個或多個的選擇命令在盤存之前選擇特定的標簽群。

（2） 盤存： 詢問機識別標簽的過程。詢問機在四個通話的其中一個通話中傳輸查詢命令，開始一個盤存周期， 一個或多個的標簽可以應(yīng)答， 詢問機檢查某個標簽應(yīng)答， 請求該標簽發(fā)出PC、EPC 和CRC-16。

（3） 訪問： 詢問機與各標簽交易的過程，即讀取或?qū)懭霕撕?。訪問前必須要對標簽進行識別， 訪問由多個命令組成。若多個標簽應(yīng)答，讀卡器通過檢測和解決波形的沖突， 可以解決其中一個標簽發(fā)來的16bit 密鑰， 其他未解決的標簽會收到錯誤的16bit 密鑰， 并返回仲裁狀態(tài)。發(fā)出查詢命令后將啟動一個盤存周期， 詢問機發(fā)出一個或多個的查詢調(diào)整或重復(fù)查詢命令。查詢調(diào)整命令只是重復(fù)以前的查詢命令， 可以令Q 增值或減值， 但不會將新的標簽引入該盤存周期。重復(fù)查詢命令則重復(fù)以前的查詢命令， 但參數(shù)不變， 也不會將新的標簽引入該盤存周期。處于仲裁或應(yīng)答狀態(tài)的的標簽收到查詢調(diào)整命令后，首先調(diào)整 Q， 然后在（0，2 Q-1 ）范圍內(nèi)挑選一個隨機數(shù)值， 將該數(shù)值載到槽計數(shù)器內(nèi)。挑選數(shù)值為零的標簽應(yīng)轉(zhuǎn)換到應(yīng)答狀態(tài)并立即應(yīng)答; 挑選數(shù)值非零的標簽應(yīng)轉(zhuǎn)換到仲裁狀態(tài)， 并等待下次命令。

3．系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主要芯片介紹

MSP430 采用了目前流行的精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，使MSP430 在8MHz 晶振工作時，指令速度可達8MIPS。其有多達 64KB 尋址空間包含ROM、RAM、閃存RAM 和外圍模塊。MSP430 系列單片機結(jié)合TI 地高性能模擬技術(shù)，各成都集成較豐富的片內(nèi)外設(shè)。視型號不同可能組合有以下功能模塊：看門狗，模擬比較器A，定時器A，定時器B，串口0、1，硬件乘法器，液晶驅(qū)動器，10 位及更高精度ADC、DAC 等。同其它微控制器相比，MSP430 系列單片機可以大大延長電池的使用壽命，并且具有ESD 保護，抗干擾力強。

AS3990HUF 讀寫器芯片是一個具有集成模擬前端和交換協(xié)議系統(tǒng)的900M讀寫器系統(tǒng)。并且它符合ISO18000-6C（EPCGen2 專門用于物流管理）的標準。它具有低壓傳輸碼、低壓解碼器、CRC 碼效驗、可選擇的時鐘輸出，具有20mA 內(nèi)的電壓輸出供外部設(shè)備使用，為RF 輸出階段提供電壓、具備 ASK（鍵控）和PR-ASK 調(diào)制（其中ASK 為可調(diào)式調(diào)制）、支持跳頻、斷電，待機和工作三種模式，還可以可以用USB 供電。

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 射頻模塊設(shè)計：射頻模塊部分以AS3990HUF 為核心芯片，外接功放使其功率滿足遠距離讀寫傳輸所需的必要條件。射頻部分是讀寫器最前端部分，當控制電路發(fā)送來收發(fā)指令時，射頻電路就會完成發(fā)送指令的載波調(diào)制并向射頻標簽發(fā)送載波，以及對返回的接收信號的解調(diào)處理并且將處理后的基帶信號傳送給控制電路。

3.2.2 數(shù)字模塊設(shè)計：數(shù)字部分設(shè)計是以MSP430 系列單片機為核心芯片，數(shù)字部分的主要功能包括實現(xiàn)發(fā)送到標簽命令的波形編碼、返回信號的解碼、讀寫命令流程控制、差錯控制、發(fā)送控制命令和接受數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與上位機應(yīng)用程序之間的接口協(xié)議，輸入和輸出信號的采集和處理、實現(xiàn)讀寫器功能的相關(guān)算法、控制射頻電路的工作模式等（包括對輸出功率，讀標簽方式，載波頻率等的控制）

圖1 讀寫器結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 天線設(shè)計：設(shè)計使用的天線主要是為了實現(xiàn)將電磁波輻射出去，并用于接收從標簽處返回的電磁波信號。通過采用圓極化微帶天線方案，可以實現(xiàn)增益為3db，尺寸大小為80mm*80mm*6 mm。

4．系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 驅(qū)動軟件設(shè)計

硬件驅(qū)動軟件編寫程序采用C 語言，主要采用模塊化編程思想。系統(tǒng)主程序為一個完整的RFID 讀寫器系統(tǒng)，其用來控制硬件電路每個模塊的工作狀態(tài)和工作模式，協(xié)調(diào)整個讀寫器讀寫過程的工作。這個讀寫器硬件驅(qū)動的主程序主要可以分為以下幾個部分：串口通信程序，讀寫標簽程序，防沖突程序，數(shù)據(jù)處理程序等。圖 2 為讀寫電子標簽的主程序流程圖：

圖2 讀寫電子標簽的主程序流程圖

4.2 應(yīng)用軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件位于上位機上，運行在windows 操作系統(tǒng)之上。因此，采用了C++語言編程，實現(xiàn)包括對電子標簽內(nèi)數(shù)據(jù)的讀出與寫入，讀用戶數(shù)據(jù)，存儲用戶數(shù)據(jù)，對標簽加密解密及“不可修改”的操作，對讀寫器工作模式的設(shè)定等。圖3 為軟件系統(tǒng)的方框圖：

圖3 系統(tǒng)軟件方框圖

5．結(jié)語

本文設(shè)計的 RFID超高頻手持式讀寫器充分結(jié)合了軟硬件的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對EPCGEN2電子標簽的讀寫操作。使用文中設(shè)計的天線，讀標簽距離可以到 1.4m，寫標簽距離可以到1m。多標簽使用時抗沖突性能良好，可以同時讀取20 個電子標簽。該讀寫器可以通過串口與上位機相連并傳輸數(shù)據(jù)。該讀寫器具有成本低、靈敏度高、通信穩(wěn)定、信息可靠、操作簡單等優(yōu)點，在各個行業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊，對RFID 的推廣也具有重要意義。