一種微波頻段有源RFID系統(tǒng)設(shè)計-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯一種微波頻段有源RFID系統(tǒng)設(shè)計-基礎(chǔ)電子1.引言

RFID(RadioFrequeneyIdentification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。射頻識別系統(tǒng)主要由閱讀器和電子標(biāo)簽兩部分組成，數(shù)據(jù)存儲在電子標(biāo)簽中，當(dāng)電子標(biāo)簽進入閱讀器有效作用距離內(nèi)，雙方即可按照一定的協(xié)議進行通信。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等[6]。另外，由于該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使電子標(biāo)簽具備了極高的安全防護能力。RFID的應(yīng)用非常廣泛，目前典型應(yīng)用有動物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理。各國及相關(guān)國際組織都在積極推進RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前，還未形成完善的關(guān)于RFID的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前主要的RFID相關(guān)規(guī)范有歐美的EPC規(guī)范、日本的UID(UbiquitousID)規(guī)范和ISO18000系列標(biāo)準(zhǔn)。

RFID電子標(biāo)簽種類很多，分類方式多樣。按照供電方式可分為有源和無源的電子標(biāo)簽;按照載波頻率可分為低頻(134.2kHz)、高頻(13.56MHz)、超高頻(433MHz和915MHz)，以及微波電子標(biāo)簽(2.45GHz以上)[6];RFID電子標(biāo)簽的單項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但不管在物流業(yè)還是制造業(yè)的實際應(yīng)用中還存在大量的技術(shù)難題。如：經(jīng)濟性、信號干擾、識別率的提高、信息安全和隱私保護、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。

基本RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽(Tag)、RFID閱讀器(Reader)及應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機構(gòu)很高的認可。同時也適用2.4GHz頻率的設(shè)備。CC2430芯片采用O.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。采用7mm×7mmQLP封裝，共有48個引腳。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類[5]。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計。本文以TI公司的CC2430為，設(shè)計有源RFID標(biāo)簽。使用3。3-4。5V?？墒褂眉~扣電池供電，該芯片功耗低。所需外圍電路少，高頻元件全部集成于芯片內(nèi)其工作性能穩(wěn)定不受外界影響。非常適合于對低功耗，高性能要求的應(yīng)用環(huán)境。

2．標(biāo)簽的硬件設(shè)計

2．1硬件電路結(jié)構(gòu)

典型的有源RFID標(biāo)簽由天線，射頻模塊，控制模塊，存儲器，喚醒電路，電池模塊等組成如圖1所示。其中射頻模塊完成調(diào)制和解調(diào)標(biāo)簽和讀寫器之間的控制信號和應(yīng)答信號。控制器執(zhí)行讀寫器的指令。存儲器存儲標(biāo)簽的相關(guān)信息和單片機的控制程序?？刂破鲗Υ鎯ζ鬟M行讀寫操作。射頻模塊包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分主要有調(diào)制器，功放，帶通濾波器，混頻器和本振等組成。接收部分由低噪放，帶通濾波器，解調(diào)器，檢波整形等組成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的無線通信系統(tǒng)部分只需添加少數(shù)的外圍電路即可使之構(gòu)成無線通信模塊，這樣降低了系統(tǒng)成本和簡化了標(biāo)簽的設(shè)計。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。采用7mm×7mmQLP封裝，共有48個腳。全部引腳可分為I／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計。本標(biāo)簽設(shè)計匹配電路使輸出匹配50歐的微帶貼片天線。PCB設(shè)計中全采用表貼元件，這樣簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度和標(biāo)簽的尺寸大小。整個PCB控制在10CM*5CM內(nèi)，滿足了標(biāo)簽小型化的設(shè)計。標(biāo)簽的電路圖如圖2所示。

2．2標(biāo)簽的低功耗設(shè)計

對于有源標(biāo)簽，由于其使用電池供電，所以標(biāo)簽的工作壽命有限這就要求標(biāo)簽要節(jié)能并且其功耗要低。從而節(jié)省電池的能量達到延長標(biāo)簽的工作壽命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。在標(biāo)簽的設(shè)計過程中加入一定的控制程序可使得標(biāo)簽僅在讀寫器的工作范圍內(nèi)才進入工作狀態(tài)響應(yīng)讀寫器的查詢請求。從而的節(jié)省了能量。

2．3讀寫器的設(shè)計

讀寫器要與計算機應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連接。我們采用串行通信方式。其傳輸距離30米．通信速率一般低于20kbps[7]。由于大多數(shù)MCU計算機上的串行口都是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的９芯接口．而MCU的引腳一般輸入／輸出使用TTL電平，距離短傳輸質(zhì)量差．所以我們要轉(zhuǎn)換這兩種不同的電平才能正確的實現(xiàn)讀寫器與計算機的通信連接．讀寫器的電路圖如圖3所示。

3．標(biāo)簽的軟件設(shè)計

3．1寄存器的設(shè)置

芯片射頻部分的重要參數(shù)，如：接收地址，收發(fā)頻率，無線傳輸速率，收發(fā)模式等均要在其相應(yīng)的寄存器配置字里面設(shè)置。正確的設(shè)置這些參數(shù)可以提高標(biāo)簽的工作效率和可靠性。

3．2標(biāo)簽工作流程

標(biāo)簽在平時處于斷電狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)簽進入讀寫器的工作區(qū)域內(nèi)。喚醒信號的能量使功率比較器輸出高電平激活觸發(fā)器使之控制電源芯片為主電路供電。這樣標(biāo)簽控制器按照防碰撞算法程序在適當(dāng)時機從存儲器讀出標(biāo)簽的信息，然后將其通過射頻模塊調(diào)制，放大通過天線發(fā)射出去。當(dāng)讀寫器正確識別標(biāo)簽后將發(fā)送該標(biāo)簽的關(guān)閉信號。標(biāo)簽收到后進行判斷，如果為本標(biāo)簽的關(guān)閉信號，則標(biāo)簽不再向讀寫器發(fā)送信息。當(dāng)標(biāo)簽離開了讀寫器的工作范圍時。觸發(fā)器控制電源開關(guān)芯片使標(biāo)簽主工作電路斷電。從而達到節(jié)能的目的。標(biāo)簽的工作流程圖如圖4所示。

3．3計算機端軟件設(shè)計

計算機端設(shè)計的軟件界面如圖所示，它由串口設(shè)置區(qū)，通信狀態(tài)區(qū)，接收和發(fā)送區(qū)，ID信息顯示區(qū)組成。當(dāng)標(biāo)簽收到讀寫器的請求后，發(fā)送自身的信息給讀寫器，通過天線接收讀寫器對信息進行處理相應(yīng)，然后通過串口發(fā)送給計算機。計算機在數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)的信息進行處理后。將其對應(yīng)的信息顯示在軟件界面上如圖5所示。

4.RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

完整的RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)據(jù)傳輸方法，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕瑪?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，安全與隱私，反碰撞算法。RFID系統(tǒng)的信息安全是極為重要的部分，它涉及通信的安全保密、存儲數(shù)據(jù)的安全及工作狀態(tài)的控制三個方面。通信的安全就是要保證信息交換過程數(shù)據(jù)的機密性、完整性、有效性和真實性。數(shù)據(jù)的完整性，可通過校驗和糾錯的方法實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)的機密性和有效性是通過對消息鑒權(quán)來實現(xiàn)的。

在讀寫器與電子標(biāo)簽進行射頻通信的過程中，存在許多干擾數(shù)據(jù)通信的因素，其中主要的兩個因素是信道噪聲和多卡操作(即有多張卡在讀寫器的天線感應(yīng)范圍內(nèi))引起的數(shù)據(jù)干擾。因此，需要采用信道編碼和訪問控制技術(shù)，以保證讀寫器和電子標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠和快速。為了提高系統(tǒng)的抗噪聲能力，就需要采用信道編碼技術(shù)，對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯進行控制，RFID標(biāo)簽應(yīng)能予以防范以下攻擊:非法訪問和修改TAG信息，用特殊設(shè)備假冒和欺騙系統(tǒng)，竊聽無線電通信并重放數(shù)據(jù)。

5.標(biāo)簽的防碰撞設(shè)計

射頻識別讀寫器是通過無線射頻信號與電子標(biāo)簽進行通信、數(shù)據(jù)交換的，其工作模式一般是單頻率點、半雙工。要同時與多張電子標(biāo)簽進行通信，必然會發(fā)生信道爭奪、數(shù)據(jù)干擾、通信沖撞等問題。在射頻識別系統(tǒng)工作時，讀寫器與電子標(biāo)簽之間的無線通信沖撞問題，一般可分為以下兩大類:1)讀寫器之間的沖撞2)電子標(biāo)簽之間的沖撞。在讀寫器的作用范圍內(nèi)存在多張電子標(biāo)簽，它們同時對讀寫器做出響應(yīng)、同時發(fā)送數(shù)據(jù)，就會出現(xiàn)通信沖撞，數(shù)據(jù)相互干擾(沖撞)。有時也有可能多個電子標(biāo)簽處在多個讀寫器的工作范圍之內(nèi)，它們之間的數(shù)據(jù)通信也會引起數(shù)據(jù)干擾[16]。為了防止這些沖撞的發(fā)生，射頻識別系統(tǒng)需要設(shè)置一定的相關(guān)指令，解決沖撞問題，這些指令被稱為防沖撞指令或算法(Anti-collisionalgorithms)。在通信系統(tǒng)中解決這種多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），頻分多址（FDMA)，碼分多址法（CDMA），時分多址法（TDMA）。但對RFID系統(tǒng)來說空分多址的天線系統(tǒng)非常復(fù)雜、實施費用相當(dāng)高。頻分多址讀寫器的費用相當(dāng)高，碼分多址法則由于通信頻帶及其技術(shù)復(fù)雜性等，很難在RFID系統(tǒng)中應(yīng)用[6]。時分多址法是把整個可供使用的信道容量按時間分配給多個用戶的技術(shù)。對射頻識別系統(tǒng)而言，TDMA分為標(biāo)簽驅(qū)動法和閱讀器驅(qū)動法。標(biāo)簽驅(qū)動法主要代表性的算法是ALOHA算法。閱讀器驅(qū)動需要準(zhǔn)確的同步進而無錯誤的檢測出碰撞位。它再劃分為“輪詢法和二進制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二進搜索算法的改進。

ALOHA算法是采取“標(biāo)簽先發(fā)言”的方式，即標(biāo)簽一進入閱讀器作用區(qū)域就自動向閱讀器發(fā)送其自身的信息，對同一個標(biāo)簽來說它的發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間也是隨機的。如果在標(biāo)簽信息發(fā)送過程中有其它標(biāo)簽也在發(fā)送數(shù)據(jù)，那么發(fā)生信號重疊從而導(dǎo)致部分沖突或者完全沖突，閱讀器檢測信號判斷有無沖突，一旦發(fā)生沖突，閱讀器發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，標(biāo)簽隨機延遲一段時間再發(fā)送，則因為延遲的隨機數(shù)不同，避開了沖突。如果沒有沖突，閱讀器發(fā)送一個應(yīng)答信號給標(biāo)簽，標(biāo)簽從此轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，不再響應(yīng)讀寫器的查詢請求。直到識別過程結(jié)束。ALOHA算法的示意圖如圖6所示。

ALOHA算法應(yīng)用于實時性不高的場合，實現(xiàn)起來比較容易。對標(biāo)簽的要求不高。經(jīng)過模擬可知用ALOHA算法可以在很短時間內(nèi)識別幾十張標(biāo)簽。本文用VC++仿真了一種改進型的ALOHA算法(GroupingALOHA)?？商岣逜LOHA算法的識別效率。ALOHA算法能高效快速的識別標(biāo)簽但是隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加其識別效率將會急速惡化。因此我們可以先將待識別的標(biāo)簽隨機的分成不同的組中。依次對每個組中的標(biāo)簽進行ALOHA算法識別。這期間其他各組的標(biāo)簽不響應(yīng)讀寫器的查詢請求。待該組識別時間結(jié)束，進入下一組的識別。至到所有的組結(jié)束識別，如果還有標(biāo)簽未被識別則再次進行分組識別。至到所有標(biāo)簽被識別出來。

下面是ALOHA和GroupingALOHA仿真的一些結(jié)果。從表1和圖8、圖9，中可以看出采用了GroupingALOHA后。識別的時間減小了并且發(fā)生碰撞的次數(shù)也大幅減小。對于有很多標(biāo)簽的場合GroupingALOHA比起ALOHA有明顯的優(yōu)勢。

表1ALOHA和GroupingALOHA算法仿真