基于DSP技術(shù)的RFID讀寫器設(shè)計(jì)

1、基于dsp技術(shù)的rfid讀寫器設(shè)計(jì)電子科技2008年第21卷第8期基于dsp技術(shù)的rfid讀寫器設(shè)計(jì)鄒立明,范科峰,戴葵(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所電子設(shè)備與信息研究中心,北京100007)摘要文中介紹了rfid系統(tǒng)及rfid讀寫器,論述了基于dsp技術(shù)的rfid讀寫器設(shè)計(jì)方法.在描述rfid系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上,給出了讀寫器的軟硬件設(shè)計(jì)流程.重點(diǎn)闡述了rfid讀寫器的防沖突設(shè)計(jì).該讀寫器已應(yīng)用于門禁系統(tǒng)中,實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明其性能良好.關(guān)鍵詞射頻識(shí)別;數(shù)字信號(hào)處理器;防沖突;門禁系統(tǒng)中圖分類號(hào)ti91.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a文章編號(hào)10077820

2、(2008)0703104designofaradiofrequencyidentification(rni)readerbasedondspzouliming,fankefeng,daikui(1.schoolofinformationandcommunicationsengineering,guilinuniversityofelectronictechnology,guilin541004,china;2.researchcenterofelectronicequipmentandinformation,chinaelectronicsstandardizationinstitute,b

3、eijing100007,china)abstractthispaperintroducestherfidsystemandrfidreader,discussesthedesignmethodfortherfidreaderbasedondsptechnology.onthebasisofthedescriptionoftherfidsystemstructure,thispaperpresentsthereadersoftwareandhardwaredesignflow.emphasisisputonrfidreaderanticollisiondesign.thereaderhasbe

4、enappliedintheopengatesystem.resultsofpracticalapplieationproveitsgoodperformance.keywordsradiofrequencyidentification(rfid);digitalsignalprocessor;finiteimpulseresponsefilter;anticollision;opengatesystemrfid是radiofrequencyidentification的縮寫,即射頻識(shí)別.射頻識(shí)別(rfid)技術(shù)是從20世紀(jì)80年代興起并逐漸走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它利用射頻方式進(jìn)行非接觸

5、雙向通信,以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別與數(shù)據(jù)交換的目的.rfid是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識(shí)別工作無須人工干預(yù).作為條形碼的無線版本,rfid技術(shù)具有條形碼所不具備的防水,防磁,耐高溫,使用壽命長,讀取距離大,標(biāo)收稿日期:2007一ll一21作者簡介:鄒立明(1981),男,碩士研究生.研究方向:自動(dòng)測(cè)試總線.范科峰(1981一),男,博士研究生.研究方向:自動(dòng)測(cè)試總線.戴葵(1981一),男,碩士研究生.研究方向:集成電路測(cè)試.簽上數(shù)據(jù)可以加密,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大,存儲(chǔ)信息更改自如等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一,在生產(chǎn),零售,物流,交通等各個(gè)

6、行業(yè)等各個(gè)行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景j.我國的第2代身份證即采用了rfid技術(shù),世界上最大的零售商沃爾瑪也要求其最大的100個(gè)供應(yīng)商從2005年1月1日起開始采用rfid技術(shù).1rfid概述一個(gè)最基本的rfid系統(tǒng)如圖1,有以下幾部分組成:標(biāo)簽(tag),由耦合元件及芯片組成,每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼,附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象;讀寫器(reader),讀取(有時(shí)還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備;天線(antenna),在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào).,基于dsp技術(shù)的rfid讀寫器設(shè)計(jì)天/電.子標(biāo)線簽圖1最基本的rfid系統(tǒng)電子標(biāo)簽的工作頻率有3種:低頻(125khz),中頻(13.56mhz)和高頻(

7、2.45ghz,5.8ghz).文中的讀寫器設(shè)計(jì)基于is015693標(biāo)準(zhǔn),工作于13.56mhz,適用的電子標(biāo)簽是無源的.無源標(biāo)簽從讀寫器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中以電感耦合的方式獲得能量.讀寫器首先從后臺(tái)計(jì)算機(jī)接收命令,然后將命令數(shù)據(jù)按照iso標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼調(diào)制并通過天線發(fā)射出去,處于讀寫器工作區(qū)的電子標(biāo)簽接收命令數(shù)據(jù)通過改變能量強(qiáng)度發(fā)射響應(yīng)信息,讀寫器通過天線接收電子標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào),進(jìn)行解調(diào)解碼后傳送給上位機(jī)做進(jìn)一步處理j.2讀寫器的設(shè)計(jì)2.1讀寫器的核心控件在本讀寫器的設(shè)計(jì)中采用的控制核心器件是dsms320f2812,它是ti公司2003年推出的32bit定點(diǎn)dsp芯片.最高主頻可達(dá)150mhz,1

8、28kbit的flash,18kbit的ram,16通道的12bitadc,支持ancic/c+.由于tms320f2812內(nèi)部集成了16通道的12bitadc,故無須再外擴(kuò)adc,這樣可以使硬件電路變得更簡潔.使dsp工作它采用了位域編程的環(huán)境,程序結(jié)構(gòu)更加清晰,縮短軟件開發(fā)周期.2.2讀寫器的硬件設(shè)計(jì)讀寫器的硬件組成,如圖2所示,是一個(gè)基于tms320lf2812的dsp系統(tǒng),完成與電子標(biāo)簽和上位機(jī)的雙向通信,其中dsp在與電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交換中完成編碼和解碼的功能.rs485itms320lrs232卜lf28l2usb圖2讀寫器硬件結(jié)構(gòu)圖dsp產(chǎn)生脈沖位置編碼,控制13.56mhz載頻的

9、輸出,實(shí)現(xiàn)脈沖位置調(diào)制.調(diào)制電路輸出信號(hào)的功率很弱,需將此信號(hào)進(jìn)行功率放大,然后經(jīng)過濾波和調(diào)諧后加到天線上,以提高對(duì)卡的操作距離j.功率放大電路采用npn型的射頻功率晶體管mrf426,發(fā)射功率為4w,工作頻率可達(dá)25mhz.輸出通過電位器實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié),可以調(diào)整的最小功率為0.5w,最大為6w.天線線圈在13.56mhz的工作頻率時(shí)表現(xiàn)為阻抗z,為了實(shí)現(xiàn)與50q系統(tǒng)的功率匹配,系統(tǒng)通過無源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50q,然后通過50q的同軸電纜將功率從讀寫器末級(jí)傳送到天線匹配電路.在設(shè)計(jì)過程共配有4個(gè)天線,可根據(jù)不同的距離需求調(diào)換.在iso15693協(xié)議中,電子標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)采用負(fù)載調(diào)制的

10、方式(同時(shí)使用副載波)進(jìn)行發(fā)射,即首先將曼徹斯特編碼的信號(hào)加載到副載波(有ask單副載波423.75khz和fsk雙副載波423.75khz,484.28khz兩種方式),然后再將信號(hào)加載到主載波13.56mhz上.因此,在讀寫器的接收通道中,首先通過帶通濾波器取出一個(gè)邊帶,放大后再送人解調(diào)器,解調(diào)器將邊帶信號(hào)與本地13.56mhz載波混頻濾波后獲得調(diào)制到副載波上的中頻信號(hào),再進(jìn)行ask或fsk檢波,從而得到曼徹斯特碼波形.這里所得的曼徹斯特碼波形沒有經(jīng)過抽樣判決是模擬信號(hào),經(jīng)過dsp的片上ad采樣,處理,判決后進(jìn)行解碼和校驗(yàn),完成整個(gè)信號(hào)的接收處理過程.2.3讀寫器的軟件設(shè)計(jì)在iso1569

11、3標(biāo)準(zhǔn)中,從讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)編碼采用脈沖位置調(diào)制方_4j,電子標(biāo)簽支持兩種編碼模式,一種是1/256模式,一種是1/4模式.在1/256模式中,一個(gè)字節(jié)的值由脈沖的位置表示,脈沖的位置在連續(xù)的256個(gè)時(shí)間周期的某一處,其時(shí)間周期為256/f,(18.88s,高低電平分別為9.44s),因此一個(gè)字節(jié)的傳輸需要4.833ms.在1/4模式中,一個(gè)脈沖的位置確定一個(gè)字節(jié)的兩位(00,01,10或11),如圖3所示,4個(gè)連續(xù)的循環(huán)確定一個(gè)字節(jié),傳輸一個(gè)字節(jié)需要302.08s.32electronicsci.&tech./aug.15.2008基于dsp技術(shù)的rfid讀寫器設(shè)計(jì)uuu【.-

12、75,52s一75.52s一75,52s.一75,52s圖31/4模式編碼兩種編碼模式的實(shí)現(xiàn)方法基本相同,首先根據(jù)要編碼的數(shù)據(jù)x確定脈沖前后高電平的時(shí)間(對(duì)1/256模式,分別為x318.88s和(ffx)318.88s),然后順序調(diào)用脈沖前的高電平產(chǎn)生子程序,脈沖產(chǎn)生子程序和脈沖后的高電平產(chǎn)生子程序即可l5j.其中18.88s的定時(shí)要盡可能精確,以避免偏差累積引起的編碼錯(cuò)誤.本設(shè)計(jì)采用tms320f2812做處理器,最高主頻可達(dá)150mhz,可以設(shè)定主頻為135.6mhz,這樣在程序設(shè)計(jì)方面會(huì)有一定的便利,充分利用了tms320f2812的特點(diǎn),提高了精度,但還需注意跳轉(zhuǎn)指令和流水線對(duì)精確定

13、時(shí)的影響.本設(shè)計(jì)方安選用1/4模式編碼,使用4取1脈沖位置調(diào)制模式,這種位置一次決定2個(gè)位.4個(gè)連續(xù)的位對(duì)構(gòu)成1個(gè)字節(jié),首先傳送最低的位對(duì).例如:圖3示出了vcd(讀寫器)傳送e1=(11100001)b=225.2.4設(shè)計(jì)結(jié)果分析讀寫器從電子標(biāo)簽接收的數(shù)據(jù)是按幀發(fā)送的,每一幀包括幀頭(sof),數(shù)據(jù)和幀尾(eof),幀尾前是2個(gè)字節(jié)(16位)的crc校驗(yàn)值.本讀寫器接收數(shù)據(jù)的幀頭波形如圖4,接收數(shù)據(jù)的幀未波形與幀頭波形相反.讀寫器接收數(shù)據(jù)的波形如圖5所示,啟始部分是接收命令,第二部分是幀頭,第三部分是傳輸數(shù)據(jù),最后是幀尾.讀寫器在向電子標(biāo)簽發(fā)出一個(gè)命令后即開始采樣,如果在一定的時(shí)間內(nèi)接收到s

14、of,說明有返回信號(hào),則繼續(xù)采樣,直至接收到eof;否則,立即返回.圖4讀寫器接收數(shù)據(jù)的幀頭波形圖5讀寫器接收數(shù)據(jù)的波形在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中讀寫器的讀寫距離,信號(hào)強(qiáng)弱,噪聲干擾的大小對(duì)讀寫的準(zhǔn)確度有較大影響.讀寫器在在電子標(biāo)簽距離讀寫器的天線較近時(shí),信號(hào)相對(duì)干擾信號(hào)比較強(qiáng),判決門限容易選取.對(duì)信號(hào)的判別比較容易,解碼方便,結(jié)果也比較準(zhǔn)確.但當(dāng)電子標(biāo)簽距離讀寫器的天線較遠(yuǎn)但又在讀寫器的工作范圍之內(nèi)時(shí),信號(hào)的強(qiáng)度與噪聲相當(dāng),判決門限很難選取,需要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波,然后自適應(yīng)地選定判決門限,提高讀寫距離和讀寫精度.2.5防沖突程序設(shè)計(jì)防沖突程序設(shè)計(jì)是讀寫器程序設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分.防沖突序列的目的,是

15、在vcd工作域中產(chǎn)生由vicc的惟一id(uid)決定的viccs目錄.vcd在與一個(gè)或多個(gè)viccs通訊中處于主導(dǎo)地位.它通過發(fā)布目錄請(qǐng)求初始化卡通訊.當(dāng)讀寫器進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí),在其天線覆蓋范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽將被激活,處于等待狀態(tài),隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)讀寫器指令操作,這就造成了標(biāo)簽讀寫沖突.為了解決這一問題,標(biāo)簽內(nèi)部設(shè)計(jì)了自帶防沖突機(jī)制,只需利用相關(guān)的指令集輔助設(shè)計(jì)一種防沖突程序即可.防沖突程序流程圖,如圖6所示.當(dāng)處于激活狀態(tài)的標(biāo)簽接收到讀寫器select命令時(shí),便發(fā)送自身uid給讀寫器.此時(shí)如果有一個(gè)以上的標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送uid,則讀寫器判定沖突發(fā)生,發(fā)送fail命令給標(biāo)簽,標(biāo)簽通過內(nèi)部防沖突算法對(duì)自身

16、相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行修改之后,符合條件的標(biāo)簽將再次發(fā)送uid給讀寫器,由讀寫器判定沖突,重復(fù)上述操作,直到只有一個(gè)標(biāo)簽符合條件,則跳出防沖突程序,進(jìn)入標(biāo)簽后續(xù)處理程序.同時(shí),剩余標(biāo)簽自動(dòng)修改自身相關(guān)數(shù)值,為下一次讀取做準(zhǔn)備,如果此時(shí)沒有符合條件的標(biāo)簽,電子科技/2008年8月15日33基于dsp技術(shù)的rfid讀寫器設(shè)計(jì)則讀寫器發(fā)送success命令,標(biāo)簽修改自身參數(shù),等待讀寫器檢測(cè)命令.3結(jié)束語禁系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用,實(shí)際效果良好.參考文獻(xiàn)23圖6防沖突程序流程圖4文中基于rfid的國際標(biāo)準(zhǔn)iso15693,設(shè)計(jì)了工作于13.56mhz的rfid讀寫器,可以進(jìn)行全方向讀寫標(biāo)簽的新型讀寫設(shè)備,配有

17、輸入輸出io,rs232,rs485及can總線等通信接口,配備有兩個(gè)天線,最大讀寫距離可以達(dá)到1.5m一1.8m左右,多卡識(shí)別能力達(dá)到每秒45張,可以有效地滿足各類rfid應(yīng)用領(lǐng)域的需求.基于該讀寫器的門+一+一+-一+-+一+-一+-一+-一+-一+-一+一+-一+-+一-(上接第20頁)4knaiann.awirelesssensornetworkforsmartroadbedsandintelligenttransportationsystemsj.msethesis,mit,2000,14(9):11231126.5akyildizif,weiliansu,sankarasubram

18、aniamy,eta1.asurveyonsensornetworksj.communicationsmagazine,2002,40(8):102114.6alanmainwaring,davidculler,josephpolastre,eta1.wirelesssensornetworksforhabitatmonitoringc.proceedingsofthe1stacminternationalworkshopon-+-一-+56778redemsker,fleteherrdesigofuhfrfidemulatorswithapplicationstorfidtestingand

19、datatransportc.autoid,fourthiceeworkshoponautomaticidentificationadvancedtechnologies(autoid05),2005:193198.colinwarwick,mikemulligan.usingbehavioralmodelstodriverfdesigandverifysystemperformanceeb/ol.http:/rfdesign.eom,2o050301(2oo71011).嚴(yán)光文,張其善.射頻識(shí)別卡讀寫模塊的設(shè)計(jì)j.北京航空航天大學(xué),2003,29(2):178180.iso/iecfinalcommitteeiso/iec,156932,airinterraceandinitializations.iso/iecfinalcommittee,2000.joshuad.griffin,andreashaldi,bernardkippelenetc.