基于 Intel R1000 的超高頻 RFID 讀寫器設計

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：黃志敏，李 鵬，高 遠，沈少武，徐斌富   人氣： 發表時間：2011年10月15日

    0 引 言 

    RFID技術是一種非接觸的自動識別技術，通過無線射頻的方式進行非接觸雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關數據。RFID系統通常主要由電子標簽、讀寫器、天線3部分組成。讀寫器對電子標簽進行操作，并將所獲得的電子標簽信息反饋給PC機。射頻識別技術以其獨特的優勢，逐漸被廣泛應用于生產、物流、交通運輸、防偽、跟蹤及軍事等方面。按工作頻段不同，RFID系統可以分為低頻、高頻、超高頻和微波等幾類。目前，大多數RFID系統為低頻和高頻系統，但超高頻頻段的RFID系統具有操作距離遠，通信速度快，成本低，尺寸小等優點，更適合未來物流、供應鏈領域的應用。盡管目前，RFID超高頻技術的發展已比較成熟，也已經有了一些標準，標簽的價格也有所下降；但RFID超高頻讀寫器卻有變得更大，更復雜和更昂貴的趨勢，其消耗能量將更多，制造元件達數百個之多。然而，這里的設計采用高度集成的R1000，可以解決上述問題，既可降低芯片設計中的復雜性和生產成本，又能使制造商制造出體積更小，更有創新性的讀寫器，從而開拓新的RFID應用領域。

    1 讀寫器硬件結構設計 

    該設計選用W78E465作為主控模塊，IntelR1000收發器作為射頻模塊。該設計可以作為手持終端，并用RS 232串行通信模塊和電平轉換接口MAX232與上位機相連。系統硬件原理見圖1。 

    1．1 主控模塊 

     W78E365是具有帶ISP功能的FLASH EPROM的低功耗8位微控制器，可用于固件升級。它的指令集與標準8052指令集完全兼容。W78E365包含64 KB的主ROM，4 KB的輔助FLASH EPROM，256 B片內RAM；4個8位雙向、可位尋址的I／0口；一個附加的4位I／O口P4；3個16位定時／計數器及1個串行口。這些外圍設備都由有9個中斷源和4級中斷能力的中斷系統支持。為了方便用戶進行編程和驗證，W78E365內含的ROM允許電編程和電讀寫。一旦代碼確定后，用戶就可以對代碼進行保護。 

    W78E365內部ROM僅64 KB，內存太小，故采用AT29C256作為外擴ROM。線路連接見圖2。 

    1．2 收發模塊 

    射頻模塊采用Intel R1000收發器。R1000內包含了一個能源擴大器，使得它可以在近距離或者2 m內對標簽進行編碼和閱讀，而具體距離由讀寫器所使用的天線決定。有了額外的外部能源擴大器，使用R1000讀寫器的讀寫范圍可以達到10 m。R1000必須與單獨的微處理器連接，這個微處理器可以把由R1000數字信息處理器產生的原始數據轉換成EPc或者18000-6c格式的代碼，其工作頻率為860～960 MHz，共有56個引腳，采用0．18μmSiGe BiCMOs先進工藝，體積僅為8 mm×8 mm，功耗只有1．5 w左右，具有很高的集成度。 

    R1000與W78E365的連接見圖3。射頻信號經天線進入電橋，輸出信號被分為兩路，一路信號經過帶通濾波器和不平衡到平衡的轉換進入R1000的射頻輸入口。另一路信號經不平衡到平衡的轉換進人R1000的本振輸入口。這兩路信號在R1000內部經過解調和模／數轉換等一系列操作后，將所得的數字信息送給W78E365。W78E365對收到的信號經解碼和校驗，將所得信息送往上位機，并將其對R1000的命令編碼和加密后發送給R1000。這些命令在R1000內部經過調制和PA，再經過平衡到不平衡的轉換和濾波，由天線發射出去。數字模塊中的時鐘驅動來自于外部TCXO產生的24 MHz參考頻率。系統中通過∑-△DACS的信號頻率為24 MHz；通過∑-△ADCS的信號頻率為48 MHz。 

    R1000內部集成了接收器和發射器。實質上，接收器是一個零中頻接收機。下變頻后，直流的大部分被復位，由交流耦合電容器濾除。模擬中頻濾波器提供粗略的頻道選擇。它具有可編程帶寬滿足大范圍的數字通過率。該濾波器可以配置成兩個實際的低通濾波器，也可以配置成復雜的單相帶通濾波器。經濾波后，I，Q信號被數／模轉換器轉換成數字信號。濾波器中自動中頻增益的升高會降低模／數轉換器的動態范圍。
R1000中，發射器支持同相正交矢量調制和極化調制。前者，用于SSB-ASK調制和反相幅移鍵控調制；后者，用于DSB-ASK。在這兩種調制方式下，數字模塊產生的信號，經過∑一△數／模轉換器和重建濾波器轉換成模擬信號。 

    在SSB-ASK調制方式下，基帶編碼信號經希爾伯特濾波器產生復合的同相信號I和正交信號Q，經∑-△數／模轉換器將I，Q數字信號轉換成模擬信號，進入模擬模塊，該模擬信號經天線發射出去。在PR-ASK調制方式下，用混頻器將信號反相彌補AM部分的時延，反相時延控制有一個可編程時延，使極化調制的相位與幅度之問的時間錯誤趨于最小值。在DSB-ASK調制方式下，基帶編碼和脈沖信號同樣也經過希爾伯特濾波器產生一個復合的I，Q信號。所不同的是脈沖成型信號預先進行了扭曲，這樣可以補償調幅傳遞函數中的非線性。這個經過預先扭曲的調幅控制信號經過∑-△數／模轉換器轉換成模擬信號，最后通過天線發射出去。 

    基于功率要求和調制方式的不同，R1000有全功率非線性，低功率非線性和線性3種發射模式。在DSB-ASK調制模式下。R1000采用全功率非線性發射模式。為了發射R1000允許的天線上最大發射功率值為+30 dBm，需在R1000外部接1個PA。采用class—C極化調制能夠提高系統的功率效率。在這種發射方式下，只有在DSB—ASK調制方式才有效。低功率非線性發射模式與全功率非線性發射模式相似，只是外部不再需要PA。相反，只使用內部較低的輸出功率，在這種發射方式下只有DSB—ASK調制方式有效。在線性發射模式下，R1000的PA—out信號與外部線性PA相連，這是因為SSB—ASK調制方式要求1個線性的PA。需要指出的是在R1000外部接1個PA時，會增加系統的復雜度，但同時放大了傳輸信號的功率，使信號傳輸距離更遠，提高了讀寫器的讀寫距離。 

    1．3 天線 

    對Intel R1000超高頻收發器，基于不同的天線子系統，天線有兩種配置情況。第一種情況是單天線模式。在這種情況下，用一個回路來隔離發射路徑和接收路徑，每根天線都具備接收器和發射器的功能。第二種情況是雙天線模式。同樣用分離的天線將接收器和發射器連接起來，通常情況下，兩根獨立的天線由一個開關控制，每根天線僅具備接收器功能或發射器功能。 

    對單天線模式，因天線的反射系數并不理想，所以接收增益不能太大，會有飽和的問題。以R1000的高接收靈敏度，可以搭配-10 dB左右的Coupler，視整體線路的隔離而定；對于雙天線模式，天線的收發隔離比較理想，接收路徑可以使用高增益。 

    該設計采用雙天線模式，用矩形微帶天線和同軸電纜構成讀寫器的天線。該微帶天線的基板材料采用介電常數比較高的陶瓷基片，厚0．635 mm。天線寬為70．5 mm，長為52．689 mm，微帶線寬度為0．598 mm，饋電點選取在天線寬邊中心。經過ADS仿真，該天線中心頻率為915 MHz。為減小天線反射系數，達到較理想的匹配，對天線串聯一根長度為18．471 mm，阻值為50Ω的傳輸線，然后再并聯一根長度為24．678 mm，阻值為50Ω的傳輸線。經ADS仿真優化得知，在中心頻率915 MHz處，天線最大輻射方向上的方向性系數為3．535；效率為40．087％；增益為1．417。

    2 系統軟件設計
 
    2．1 主程序 

    若系統在PC機的監控下工作，則系統與PC機之間是主從通信模式。系統收到Pc機的命令便進入初始化狀態，按照主控程序進行相應的工作。處理完畢后，將所得信息送往PC機。主程序流程見圖4。 

    2．2 軟件設計 

    該設計采用曼徹斯特編碼方式，用2位二進制數來表示一位二進制數據信息。編碼波形的上升沿用01來表示，對應數據信息0；下降沿用10來表示，對應數據信息1。首先，對w78E365進行初始化，使計數器TO工作在16位定時器工作模式下；T1工作在計時器工作模式下，對T0，T1賦初值，使：
    TLO／1=(最大計時次數一要計數次數)％256
    THO／1=(最大計時次數一要計數次數)／256 

    然后，設同步脈沖定時值為一位半碼寬，將有效數據編碼采用半位碼寬定時。接著啟動定時器T0，檢測同步沿的到來。若檢測不到同步沿的到來，則繼續檢測；若檢測到同步沿的到來，則開始讀端口狀態，并啟動計時器T1。當檢測到下一跳變沿到來時，使計數器數目加1，且將對應端口數字1編碼為10，對應端口數字0編碼為01。之后進入下一輪循環，直至計數器數目達到碼長為止。按照上面操作就可以實現對數據的編碼。同理，在進行解碼時只要按照相反的逆操作進行即可。 

    多字節CRC校驗的方法一般是移位法。這種方法執行起來速度較慢，但是其需要的空間小；另一種方法是查表法，即預先把多字節可能產生的余式計算出來組成一個余式表，直接查表而不進行二進制的除法。這是一種快速的方法，但是需要很大的空間。用標準CRC一16進行校驗，則需要至少1～2 KB，對于MCU來說是很不利的，故選擇前者。 

    該設計采用流密碼加密算法，將明文M分割成字符串和比特串M=m0，m1，…，mj,…，并逐位加密：EK(m)=Ek0(m0)，Ekl(m1)，…，Ekj(mj)，…，其中密鑰流是K=k0，k1，…，kj…。對明文加密就是將K和M對應的分量分別進行模2相加，得到密文序列C。在接收端，合法的接收者將密文序列C與上述密鑰序列進行簡單的模2相加，將原來的明文恢復出來。序列密碼使用一個比特流發生器，以產生隨機二進制數字流，稱為密碼比特流。密碼比特流直接作為密鑰使用，而且其長度與明文報文的長度相等。考慮到比特流發生器不是真正隨機的實際情況，流密鑰生成器用線性反饋移位寄存器構造。 

    2．3 防碰撞程序 

    該設計采用非基于位碰撞的二進制算法來實現防碰撞。防碰撞流程如圖5所示。 

    具體流程如下： 
    (1)發送Request命令給應答器； 
    (2)發送Group-select命令和Ungroup-select命令給所有應答器，使所有或部分應答器參與沖突判斷過程：
    ①若有沖突，讀寫器發送．Fail命令給選定應答器，直到沒有沖突； 
    ②若沒有沖突，讀寫器發送Select命令給應答器， 選定該應答器。 
    (3)發送Data-Read命令給選定的應答器：
    ①若正確接到應答器反饋的信息，讀寫器發送Success命令給選定應答器；
    ②若未正確接收到應答器反饋的信息，發送一定次數Resend命令給選定應答器。超過該次數則認為有沖突，進入步驟(2)的①。
    (3)當讀寫器讀寫信息成功后，讀寫器對選定應答器發送Unselect命令，使應答器進入完全非激活的狀態，不再應答讀寫器發送的命令。
    為了重新活化應答器，必須暫時離開讀寫器的作用范圍，以實行復位。通過以上程序就可以實現系統的防沖突功能。

    3 結 語 

    設計在Modelsire 6．1中進行功能和時序仿真，并通過Altera QuartusⅡ6．0的Stratix EPl SlOF484C5器件綜合。結果表明，該算法使用的寄存器為347，比基于位碰撞的算法使用的寄存器數少得多，節省了硬件資源。最大讀寫標簽數為3 595，讀寫速度可達每秒1 000個標簽，防碰撞算法效率接近50％，比傳統算法具有更高的TDMA信號利用率及平均識別效率。支持SSB-ASK和DSB-ASK雙重調制方式，具備單、雙天線模式，體積小，集成度高，可作為手持終端，且能夠在各種環境下即插即用。