第28卷 第3期2005年9月 电 子 器 件ChineseJournalofElectronDevices Vol.28No.3Sep.2005
DesignofUHFRFIDInterrogator
ZHANGXiao-peng1,2,ZHUYun-long1,LUOHai-bo1
1.ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,ChinaAbstract:UHFRFIDsystemisbecomingmorewidespreadduetoitsadvantage,suchasfastread-write
speed,largememory,longrecognitiondistanceandsimultaneousread-writemulti-tag.Thispaperintro-ducesthecharacteristicandstructureandprincipleandread-writemethodofanUHFRFIDtagaccorded
withISO18000-6Standard,andpresentsthesolutionofitsinterrogator,expatiateshardwaredesignofin-terrogatorandflowofsoftwareprogram.Itshasmeritsoffastread-writespeed(singletag64bit/6ms)
andhighrecognitionrate,andlongrecognitiondistance(≥4m)proveoutasaresultofpracticalapplica-
tion.
Keywords:RFID;tag;interrogator;UHF
EEACC:7210
超高频射频识别系统读写器设计
张晓鹏1,2,朱云龙1,罗海波1
(1.中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳110016;2.中国科学院研究生院,北京100039)
摘 要:超高频射频识别系统具有读写速度快、存储容量大、识别距离远和同时读写多个标签等特点,已经在物流等领域得到越来越广泛的应用。介绍了符合ISO18000-6标准的超高频RFID电子标签主要特点、结构、工作原理及读写方法,提出了相应读写器的解决方案,重点阐述了读写器的硬件设计及软件程序流程。实际应用结果表明该读写器读写速度快(单个标签64bit/6ms)、识别率高,识别距离远(≥4m)。关键词:射频识别;标签;读写器;超高频中图分类号:TM931 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2005)03-0542-04
射频识别(RFID,RadioFrequencyIdentifica-tion)技术是一种新兴的自动识别技术。它是利用无
线射频方式进行非接触双向数据通信,以达到目标
识别并交换数据的目的。可用来跟踪和管理几乎所有的物理对象,在工业自动化、商业自动化、交通运
输控制管理、防伪及军事等众多领域都有广泛的应
用前景。按照工作频段的不同,RFID系统还可以分为低频(135kHz以下)、高频(13.56MHz)、超高频
(860～960MHz)和微波(2.4GHz以上)等几
类[1～2]。目前大多数RFID系统为低频和高频系统,
但超高频(UHF)频段的RFID系统具有操作距离
远、通讯速度快、成本低、尺寸小等优点,更适合未来物流、供应链领域的应用,也为实现“物联网”提供了可
能。因此超高频RFID系统的发展是当前RFID系统
收稿日期:2005-01-30基金项目:中科院先进制造基地创新项目(F040210)作者简介:张晓鹏(1979-),女,硕士研究,研究方向为RFID软硬件系统及其应用,zhangxp@sia.cn;朱云龙(1967-),男,研究员,博士生导师,中科院沈阳自动化研究所先进制造技术实验室主任,主要研究方向为CIMS、分布式智能技术、协同制造理论与方法以及SCM/ERP/CRM系统管理软件的开发等;罗海波(1967-),男,研究员,硕士生导师,主要研究方向为模式识别与图像处理、DSP系统设计、实时信号处理系统。发展的重点。本文介绍了符合ISO18000-6标准的超
高频RFID电子标签主要特点、结构、工作原理及读写
方法,提出了相应读写器的解决方案,重点阐述了读写器的硬件设计及软件程序流程。实际应用结果表明该
读写器具有以下特点:读写速度快(单个标签64bit/6
ms)、识别率高,识别距离远(≥4m)。
1 标签工作原理及特性
1.1 工作原理
RFID系统一般由读写器和标签(或称应答器、电子标签、智能标签)及天线组成。本文采用某公司
的UCODEHSL标签,符合ISO18000-4与ISO18000-6标准,本身无电源,靠读写器的射频场获得
能源,采用负载调制方式,工作频段为UHF或2.45
GHz。工作原理如图1所示。
PC机通过RS232接口远程控制读写器。读写
器接到命令后,通过天线发送射频命令实现对标签的操作,同时接收标签返回的数据。标签靠其偶极子
天线获得能量,并由芯片(IC)控制接收、发送数据。
图1 工作原理1.2 IC结构
标签IC主要由模拟、数据处理及EEPROM三个模块构成,如图2所示。
图2 标签IC结构模拟RF接口模块为IC提供稳定电压,并将获
得的数据解调后供数据模块处理,同时将数据调制
后返回给读写器。数字处理模块包括状态转换机、读
写协议执行、与EEPROM的数据交换处理等功能。1.3 存储特性
标签内置2048bit的EEPROM,分成64块
(block),每块32bit。其中8byte为ID存储空间,
216byte为用户存储空间。每字节都有相应的锁定
位,该位被置“1”就不能再被改变。可以通过LOCK命令将其锁定,通过Querylock(查询锁定)命令读取锁定位的状态,锁定位不允许被复位。Byte0～7
被锁定,为标签的标识码(UniqueID)。64bitUID包
含50bit的独立的串号,12bit的边界码和一个两位的校验码。Byte8～219是未锁定空间,供用户使用。
Byte220～223也是未锁定的,作为写操作完毕的标
志bit或者用户空间。
2 标签的读写
2.1 命令格式
2.1.1 读写器的命令格式读写器的命令格式如下:
帧头探测段帧头开始符命令地址字节掩码数据CRC 帧头探测段是一个至少持续400s的稳定无
调制载波(相当于16bit数据的传输);帧头是9bit
的
NRZ格式的manchester“O”,即:010101010101010101;开始符是用来标记有效数据,原返回率采用5位的
开始符(1100111010),4倍返回率采用开始符(11
011100101);CRC采用16bit的CRC编码。2.1.2 标签的应答格式
标签的应答格式如下:
静默(Quiet)返回帧头数据CRC 静默是标签持续2byte的无反向散射(40kb/s
的速率下相当于400s的持续时间);返回帧头是:“00000101010101010101000110110001”;
CRC采用16bit的CRC编码。
2.2 防冲突机制
充电后的IC有三种主要数字状态:准备(READY,初始状态);识别(ID,标签期望读写器识
别的状态);数据交换(DATEEXCHANGE,标签已
被识别状态)。
图3 状态转换图首先,标签进入读写器的射频场,从无电状态进
入准备状态。读写器通过“组选择”和“取消选择”命
令来选择工作范围内处于准备状态中所有或者部分
的标签,来参与冲突判断过程。为解决冲突判断问题,标签内部有两个装置:一个8bit的计数器;一个
0或1的随机数发生器。标签进入ID状态的同时把
它的内部计数器清“0”。它们中的一部分可以通过接543第3期张晓鹏,朱云龙等:超高频射频识别系统读写器设计收“取消”命令重新回到准备状态,其它处在识别状
态的标签进入冲突判断过程。被选中的标签开始进
行下面循环:所有处于ID状态并且内部计数器为0的标
签将发送它们的UID。如果多于一个的标签发
送,读写器将发送失败命令。所有收到失败命令
且内部计数器不等于0的标签将其计数器加1。收到失败命令且内部计数器等于0的标签(刚刚发送
过应答的标签)将产生一个“1”或“0”的随机数,如果
是“1”,它将自己的计数器加1;如果是“0”,就保持计数器为0并且再次发送它们的UID。如果有一
个以上的标签发送,将重复第2步操作;如果所
有标签都随机选择了“1”,则读写器收不到任何应
答,它将发送成功命令,所有应答器的计数器减1,然后计数器等于0的应答器开始发送,接着重复第
2步操作;如果只有一个标签发送并且它的UID
被正确接收,读写器将发送包含UID的数据读命令,标签正确接收该条命令后将进入数据交换状态,
接着将发送它的数据。读写器将发送成功命令,使处
于ID状态的标签的计数器减1;如果只有一个标
签的计数器等于1并且返回应答,则重复第5和第6步操作;如果有一个以上的标签返回应答,则重复
第2步操作;如果只有一个标签返回应答,并且
它的UID没有被正确接收,读写器将发送一个重发
命令。如果UID被正确接收,则重复第5步操作。如果UID被重复几次的接收(这个次数可以基于系统
所希望的错误处理标准来设定),就假定有一个以上
的标签在应答,重复第2步操作。
3 系统硬件构成
本系统选用W77E58单片机作为主控模块,与
发射模块和接收模块、串口通信模块共同构成射频标签的读写系统。系统硬件原理如图1中读写器部
分所示。
3.1 主控模块主控模块选择WINBOND公司的W77E58,它
是一款高速、高集成、增强型内核为8051的高性能
单片机;内置32kbit可重复编程的FlashEPROM,
1kbit用MOV指令访问的内部SRAM(节省了16条数据/地址I/O口线),以及2个增强型全双工串
行口。使用W77E58的系统速度要比传统51系列
单片机快2.5倍左右。工作频率为40MHz的
W77E58相当于100MHz左右的8051。
3.2 发射模块发射模块由射频调制/发射芯片和功率放大芯片组成。其原理如图4所示。调制/发射芯片选用
Motorola公司的MC33493,它是由锁相环调谐的
UHF频段调制/发射芯片,采用OOK或FSK调制,具有集成的VCO、环路滤波器、可调的输出功
率,工作频段可选择315～434或868～928MHz。
工作频段由BAND(3)管脚控制、调制方式则由
MODE(14)管脚设定。RFOUT(10)管脚的输出频率f(out)=f(Y1)×[Ratio](PLL)[3]。
图4 发射模块本设计中BAND(3)管脚置低电平,选用868～
928MHz的频段;工作频率设定在915MHz,f
(Y1)=915MHz/64=14.297MHz;MODE(14)管
脚置低电平,采用OOK调制方式;DATACLK(1)、
DATA(2)、ENABLE(13)管脚分别为时钟、数据输
入和芯片工作开关,由单片机来控制[5]。
为了提高系统的发射功率,本设计选用了RF
MicroDevice公司的RF2132功率放大芯片对
MC33493输出的射频信号进行功率放大;RF2132
是一种高功率、高效率的线性放大器,具有29dBm
的线性输出功率。3.3 接收模块
接收模块由射频接收/解调芯片和信号放大芯
片组成。原理如图5所示。射频接收/解调芯片选用
Motorola公司的MC33593,它是一种由锁相环调谐
的UHF频段低功率射频接收/解调芯片,工作频带
在868～928MHz,中频带宽为500kHz,采用OOK
或FSK调制,由DMDAT(13)管脚设定。具有集成的VCO、环路滤波器[4]。
本设计中DMDAT(13)管脚置低电平,采用
OOK调制。晶体振荡器的频率选择与MC33493相同。系统时钟(11)、数据接口(15、16)及输入控制开
关(14)由单片机控制[5]。
为了提高系统的接收灵敏度,本设计在天线和射
频接收/解调器之间增加了一套射频信号放大电路,主要由RF2173组成,其功能是用于对天线接收到的射544 电 子 器 件 第28卷