1．引言
無線射頻技術(shù)RFID(radio frequency identification)是20 世紀(jì)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(biāo)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(biāo)以及運動目標(biāo)的識別。此外，電子標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)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(biāo)簽并將采集到的數(shù)據(jù)信息送入后臺進(jìn)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(biāo)簽進(jìn)行寫操作，將信息存儲在標(biāo)簽中。讀寫器的設(shè)計是完全以ISO/IEC18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)采用了相對簡單的加密算法以防止在讀寫器獲取標(biāo)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(biāo)簽傳送數(shù)據(jù)時對信息進(jìn)行加密, 而標(biāo)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(biāo)簽獲得一個16bit 寬隨機數(shù)與將要傳送的16bit 寬數(shù)據(jù)進(jìn)行模2 和計算得到密文, 然后由標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽在收到查詢命令后, 參與標(biāo)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(biāo)簽會轉(zhuǎn)換成應(yīng)答狀態(tài), 并立即進(jìn)行應(yīng)答挑選數(shù)值非零的標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽群。
(2) 盤存: 詢問機識別標(biāo)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(biāo)簽可以應(yīng)答, 詢問機檢查某個標(biāo)簽應(yīng)答, 請求該標(biāo)簽發(fā)出PC、EPC 和CRC-16。
(3) 訪問: 詢問機與各標(biāo)簽交易的過程，即讀取或?qū)懭霕?biāo)簽。訪問前必須要對標(biāo)簽進(jìn)行識別, 訪問由多個命令組成。若多個標(biāo)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(biāo)簽發(fā)來的16bit 密鑰, 其他未解決的標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽引入該盤存周期。處于仲裁或應(yīng)答狀態(tài)的的標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(dá)8MIPS。其有多達(dá)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(hù)，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(biāo)準(zhǔn)。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(yuǎn)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽的主程序流程圖：
圖2 讀寫電子標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽的讀寫操作。使用文中設(shè)計的天線，讀標(biāo)簽距離可以到1.4m，寫標(biāo)簽距離可以到1m。多標(biāo)簽使用時抗沖突性能良好，可以同時讀取20 個電子標(biāo)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。
1
