摘要：設(shè)計(jì)并提出一種高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)讀寫器設(shè)計(jì)的新方案。讀寫器采用MF RC500射頻讀寫芯片，以FPGA作為處理器，符合ISO／IECl4-443標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為13．56MHz，讀寫距離為10cm左右。給出了讀寫器硬件系統(tǒng)的組成和軟件工作流程，對(duì)同時(shí)讀取多張卡的情況進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了防沖突算法。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；改進(jìn)米勒編碼；曼徹斯特解碼；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

O 引言
    射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)無(wú)線射頻的方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可用來(lái)追蹤和管理幾乎所有物理對(duì)象。與條形碼識(shí)別技術(shù)、光學(xué)符號(hào)識(shí)別技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)、IC卡識(shí)別技術(shù)等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，RFID以它特有的無(wú)接觸、抗干擾能力強(qiáng)、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為自動(dòng)識(shí)別中最優(yōu)秀和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理、防偽等眾多領(lǐng)域，甚至軍事用途都具有廣泛的應(yīng)用前景。RFID系統(tǒng)一般包括應(yīng)用系統(tǒng)(PC主機(jī))、讀寫器和電子標(biāo)簽三個(gè)部分。RFID電子標(biāo)簽(Tag)由微芯片與天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。標(biāo)簽附在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。讀寫器(Reader)控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀寫信號(hào)，接收標(biāo)簽的應(yīng)答，并將信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。用戶可以通過(guò)相關(guān)控制主機(jī)或者本地終端發(fā)布命令以改變或者定制其工作模式以適應(yīng)具體應(yīng)用的需求。本文重點(diǎn)介紹讀寫器的開(kāi)發(fā)。

1 讀寫器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    其設(shè)計(jì)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)作為處理器，MF RC500收發(fā)芯片作為射頻模塊，通過(guò)RS232串行通信模塊和電平轉(zhuǎn)換接口MAX232與上位機(jī)相連。系統(tǒng)硬件原理見(jiàn)圖1。

1．1 射頻模塊
    讀寫器對(duì)標(biāo)簽的讀寫是通過(guò)發(fā)送射頻能量和對(duì)回波的接收實(shí)現(xiàn)的。射頻模塊一方面將數(shù)字模塊送來(lái)的信息完成調(diào)制放大并發(fā)送，另一方面接收回波信號(hào)將其解調(diào)成基帶信號(hào)，送到數(shù)字模塊。讀寫器的RF前端子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取與寫入。核心芯片MF RC500由飛利浦公司生產(chǎn)，主要應(yīng)用于13．56MHz射頻信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)等功能。它支持ISO14443A所有的層，適用于各種基于ISO／IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場(chǎng)合。MF RC500負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的射頻通信，通過(guò)并行數(shù)字接口直接連接到處理器。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能直接驅(qū)動(dòng)近距離操作的天線(可達(dá)10cm)。接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)電路，用于ISOl4443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。
    射頻接口MF RC500芯片上帶有A0、A1、A2三根地址線，用于對(duì)內(nèi)部寄存器的尋址，同時(shí)DO～D7八根數(shù)據(jù)線支持地址線、數(shù)據(jù)線復(fù)用。在本設(shè)計(jì)中不采用數(shù)據(jù)線、地址線復(fù)用的接法，采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線的接法。芯片內(nèi)有64個(gè)寄存器，由處理器向芯片相應(yīng)的寄存器位配置數(shù)據(jù)；由處理器讀取寄存器的相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志來(lái)監(jiān)控芯片當(dāng)前所處的狀態(tài)，從而決定下一步的操作。由于片內(nèi)的64個(gè)寄存器尋址需要6根地址線，當(dāng)采用獨(dú)立的地址線時(shí)，由于地址線只有3根，支持不了64個(gè)寄存器的尋址，為此芯片采用了分頁(yè)機(jī)制。64個(gè)寄存器被分成8頁(yè)，每頁(yè)8個(gè)，3根地址線恰好可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一頁(yè)內(nèi)的8個(gè)寄存器尋址，而對(duì)于寄存器頁(yè)的選擇，需要配置Page寄存器的0、l、2位。Page寄存器的第7位用來(lái)選擇是否采用獨(dú)立的地址線，芯片復(fù)位后，Page寄存器的默認(rèn)值為80H，即默認(rèn)采用獨(dú)立的地址線尋址方式，Page寄存器的0、l、2位僅
當(dāng)?shù)?位為1時(shí)才有效。芯片上的雙向數(shù)據(jù)線DO～D7同處理器的I／O口直接相連，用來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片間數(shù)據(jù)的雙向并行傳輸。
1．2 天線
    天線在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要的作用，在非接觸式卡與讀寫器之間的能量與數(shù)據(jù)傳遞要通過(guò)天線線圈產(chǎn)生的磁通量實(shí)現(xiàn)?？梢赃x擇2種不同的天線連接到讀卡器上：50 Ω匹配的天線或者直接匹配的天線。本方案中采用的是YW-300天線，工作距離可以達(dá)到10cm。
1．3 數(shù)字模塊
    數(shù)字模塊由處理器、存儲(chǔ)器組成。處理器的功能有：實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信，接收PC機(jī)命令并完成解析；將送來(lái)的EPC卡號(hào)加算CRC校驗(yàn)上傳PC機(jī)；解決多卡碰撞，實(shí)現(xiàn)多卡讀?。粚?shí)現(xiàn)對(duì)射頻模塊的鎖相環(huán)頻率控制以及功率控制。
    FPGA的工作過(guò)程：上電復(fù)位后，接收上位機(jī)初始化配置命令和數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)配置；若有命令傳送過(guò)來(lái)，則通過(guò)接口模塊接收上位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的命令；命令接收完后，進(jìn)入指令分析狀態(tài)，對(duì)接收到的命令進(jìn)行分析判斷。
    在主控狀態(tài)機(jī)的控制下，發(fā)送模塊將把命令和內(nèi)容組成數(shù)據(jù)塊，進(jìn)行基帶編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)生成，并打包成符合協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀，傳送給射頻收發(fā)模塊，由其完成對(duì)信號(hào)的調(diào)制、放大、發(fā)射。電子標(biāo)簽根據(jù)接收的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行指令分析，根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的功能。接收模塊檢測(cè)回波數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到回波數(shù)據(jù)的幀頭有效時(shí)接收數(shù)據(jù)。同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)送CRC校驗(yàn)?zāi)K校驗(yàn)，校驗(yàn)成功即產(chǎn)生CRC OK=‘1’表示讀卡成功。
1．3．1 發(fā)送編碼模塊
    在ISO／IECl4443 Type A協(xié)議中，讀寫器到標(biāo)簽的通信采用改進(jìn)的Miller編碼方式，其標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種序列：(A)經(jīng)64個(gè)時(shí)鐘后應(yīng)有一個(gè)凹槽；(B)1個(gè)位內(nèi)(128個(gè)時(shí)鐘)沒(méi)有調(diào)制；(c)1個(gè)位起始時(shí)有一個(gè)凹槽。這三種序列用于進(jìn)一步編碼。邏輯1用序列(A)表示。邏輯0通常用序列(B)表示，但在a．有兩個(gè)或兩個(gè)以上連續(xù)的0時(shí)，從第二個(gè)0開(kāi)始要用序列(c)來(lái)表示所有相連的0；b．直接與起始幀相連的所有0用序列(c)表示。通信開(kāi)始用序列(c)表示。通信結(jié)束用邏輯0跟序列(B)表示。無(wú)信息用至少兩個(gè)序列(B)表示。如圖2所示改進(jìn)的Miller編碼波形。

    從波形中可以看出，若輸入1，則64個(gè)時(shí)鐘后輸出一個(gè)脈沖，若輸入0，則128個(gè)時(shí)鐘內(nèi)沒(méi)有脈沖輸出，而當(dāng)有兩個(gè)連續(xù)的0輸入時(shí)，則在第二個(gè)0起始處輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)對(duì)照理論波形，可以看出編碼完全正確，符合設(shè)計(jì)要求。
1．3．2 接收解碼模塊
    在射頻收發(fā)模塊中進(jìn)行解調(diào)處理而得到的基帶信號(hào)將被送入FPGA進(jìn)行Manchester解碼、CRC校驗(yàn)，并在主控狀態(tài)機(jī)的控制下通過(guò)RS232將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。在ISO／IECl4443 Type A協(xié)議中，電子標(biāo)簽到讀寫器的通信采用Manchester編碼方式，其編碼規(guī)則是：某比特位的值由該比特長(zhǎng)度內(nèi)半個(gè)比特周期時(shí)電平的變化來(lái)表示，負(fù)跳變表示‘1’，正跳變表示‘0’。Manchester解碼即對(duì)Manchester編碼信號(hào)位的1／4和3／4處采樣，若采樣結(jié)果為(1，0)，則解碼數(shù)據(jù)為1；若采樣結(jié)果為(0，1)，則解碼數(shù)據(jù)為0。如圖3所示Manchester解碼波形。輸入數(shù)據(jù)為
l00100l1，解碼所得數(shù)據(jù)為147，用二進(jìn)制表示也即100100ll，可見(jiàn)解碼完全正確，符合設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 主程序
    讀寫器上電復(fù)位后，對(duì)各功能模塊進(jìn)行初始化，然后發(fā)出詢卡／應(yīng)答指令尋找有效范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽在讀寫器的閱讀范圍外為無(wú)電狀態(tài)，不能進(jìn)行任何操作。當(dāng)進(jìn)入讀寫器的載波有效范圍內(nèi)時(shí)，電子標(biāo)簽上電復(fù)位，進(jìn)入等待接收詢卡／應(yīng)答指令的狀態(tài)。收到詢卡
指令后，電子標(biāo)簽會(huì)發(fā)出自己獨(dú)有的ID碼，讀寫器根據(jù)收到的IDR碼發(fā)出選卡指令，選擇該標(biāo)簽進(jìn)行下一步的通信。
    在應(yīng)用中可能會(huì)遇到多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)在讀寫器的有效工作范圍內(nèi)的情況，這些標(biāo)簽就會(huì)在收到詢卡指令后，同時(shí)發(fā)出自己的ID碼時(shí)發(fā)生互相沖突，因此就要求系統(tǒng)能夠具有防沖突的機(jī)制，才能從多個(gè)標(biāo)簽中選擇出其中一個(gè)。主程序流程見(jiàn)圖4。

2．2 防碰撞算法
     A型射頻卡采用了ISO／IECl4443系列協(xié)議，配合讀寫器共同實(shí)現(xiàn)防碰撞的快速交互通信。為了從多張電子標(biāo)簽中快速識(shí)別出一張來(lái)單獨(dú)進(jìn)行通信，A型卡采用了位碰撞監(jiān)測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)防碰撞過(guò)程，即閱讀器對(duì)卡返回的唯一識(shí)別號(hào)(即UID)數(shù)據(jù)幀中的每一位進(jìn)行沖突監(jiān)測(cè)。當(dāng)多張A型射頻卡在同一時(shí)刻向讀寫器傳送UID數(shù)據(jù)幀時(shí)，一定會(huì)在同時(shí)返回的某一位上有不同的位值。根據(jù)Manchester編碼規(guī)則，這一位正負(fù)邊沿抵消了，故讀寫器無(wú)法識(shí)別的該數(shù)據(jù)位即為碰撞位。碰撞位監(jiān)測(cè)到后馬上啟動(dòng)防碰撞過(guò)程。讀寫器主動(dòng)地發(fā)出一系列命令數(shù)據(jù)幀，主要是ANTICOLLISION命令和SELECT命令。射頻卡被動(dòng)地響應(yīng)每一條指令完成交互的會(huì)話過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)在Modelsim SE6．1和Altera Quartus II 7．2中進(jìn)行了功能仿真和綜合，結(jié)果表明能夠滿足設(shè)計(jì)的需求。