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基于AS3992的超高频RFID读写器设计与应用


中图分类号 TP332 学科分类号 080902

论文编号 1028704 12-S011

硕士学位论文
基于 AS3992 的超高频 RFID 读写器 设计与应用

研究生姓名 学科、专业 研究方向 指导教师

李占川 电子科学与技术、电路与系统 电子系统设计 王成华 教授

南京航空航天大学
研究生院 电子信息工程学院
二 О 一一年十二月

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Electronic and Information Engineering

Design and Application of UHF RFID Reader Based on AS3992
A Thesis in Electronic Science and Technology By

Li Zhanchuan
Advised by Professor

Wang Chenghua

Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering

December, 2011

承诺书
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下, 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明 引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体,均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书)

作者签名: 日 期:

南京航空航天大学硕士学位论文





无线射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)是一种综合利用集成电路技术、电磁场 理论的应用技术、无线收发技术、数据编码解码技术等诸多领域的非接触自动识别技术。其中 超高频 RFID 技术具有识别距离远、传输速度快、安全性好和使用寿命长等优点,广泛应用于 社会各个领域,因此成为当今世界 RFID 技术研究的热点。本课题设计了一种基于射频收发芯 片 AS3992 的超高频 RFID 读写器。 在分析了现今超高频 RFID 读写器设计的可行性方案之后, 确定了读写器的系统设计方案。 对主控制器和射频收发芯片进行了选型, 使用 ARM9 内核的 S3C2440 芯片作为主控制器, 射频 收发模块使用射频收发芯片 AS3992。 读写器系统硬件设计主要是基带部分和射频部分。 基带部 分主要包括主控制器 S3C2440、外部存储器电路、时钟与复位电路、JTAG 接口电路和电源管 理电路。射频部分包括射频收发芯片 AS3992、环路滤波器、功率放大器电路和收发隔离电路。 软件设计主要包括读写器系统主程序、协议控制程序、通信处理程序和防碰撞程序等。系统主 程序负责读写器系统调度,协议控制程序处理协议的操作命令,通信处理程序管理读写器系统 与后台服务器的通信,防碰撞程序用来实现防碰撞算法。 样机测试结果表明课题设计、实现的读写器性能稳定、满足设计指标要求,其成本低廉、 实现简单,具有一定的应用价值。在论文的最后阶段,论证了本课题设计的读写器在环卫车辆 作业监控系统中的应用。

关键词:无线射频识别,UHF 读写器,AS3992,ISO/IEC 18000-6,防碰撞

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

ABSTRACT

Radio frequency identification (RFID) is a kind of non-contact automatic identification technology which comprehensive utilizes integrated circuit, application of electromagnetic field theory, wireless transceivers, data coding and decoding and many other fields of technology. Ultra High frequency (UHF) RFID technology with the features of long identification distance, fast identification speed, high security and long sevice life, has widely used in many social fields and became the hot spot in world RFID technology research. This paper introduces a design of UHF RFID reader based on RF transceiver chip AS3992. After the analysis on the current feasible design of the UHF RFID reader, this paper determined the whole system design scheme of the Reader. On the selection of main controller and RF transceiver chips, finally used the ARM9 core chip S3C2440 as the main controller, AS3992 as the RF transceiver chip. The design of the Reader system includes baseband part and RF part. The baseband part mainly includes main controller S3C2440, external storage circuits, Reset and clock circuits, JTAG interface circuits and Power management circuits. The RF part mainly includes RF transceiver chip AS3992, loop filter, power amplifier circuits and transceiver isolation circuits. The software design includes the main program of reader system, protocols control program, Communication processing program and anti-collision program, etc. The main program is responsible for system scheduling of reader, the protocols control program disposes operating command of the protocols, the communication processing program is charge for the communication between reader system and the background server, the anti-collision program used to achieve anti-collision program algorithm. Test results of the prototype truck demonstrate that the performance of reader is stable and meet the design index requirement. The reader which has the characteristic of low cost and simple to accomplish has some application value. The reader is applied to the sanitation truck work monitoring system.

Key Words:

RFID, UHF Reader, AS3992, ISO/IEC 18000-6, Anti-collision

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南京航空航天大学硕士学位论文


第一章 1.1



绪论 ........................................................................................................................................ 1 课题的研究背景.................................................................................................................... 1

1.2 RFID 技术原理 ..................................................................................................................... 2 1.2.1 RFID 系统组成与工作原理....................................................................................... 2 1.2.2 RFID 技术标准 .......................................................................................................... 6 1.2.3 RFID 防碰撞技术....................................................................................................... 9 1.2.4 RFID 系统的应用..................................................................................................... 10 1.3 国内外 RFID 的研究现状................................................................................................... 13 1.3.1 1.3.2 1.4 第二章 2.1 2.2 国外研究现状........................................................................................................... 13 国内研究现状........................................................................................................... 13

本课题的主要工作.............................................................................................................. 14 超高频 RFID 读写器总体方案设计.................................................................................... 16 读写器设计性能指标.......................................................................................................... 16 读写器总体方案设计.......................................................................................................... 16 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 接收机结构选择....................................................................................................... 17 主控制器选型........................................................................................................... 19 射频收发芯片选型................................................................................................... 20 读写器天线结构选择 ............................................................................................... 21

2.3 第三章 3.1

本章小结 ............................................................................................................................. 22 超高频 RFID 读写器硬件设计............................................................................................ 23 读写器基带模块设计.......................................................................................................... 23 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 主控制器 S3C2440 ................................................................................................... 23 时钟电路设计........................................................................................................... 26 复位电路设计........................................................................................................... 26 外部存储器电路设计 ............................................................................................... 27

3.1.5 JTAG 接口电路设计 ................................................................................................ 29 3.1.6 3.2 电源管理电路设计................................................................................................... 30

读写器射频模块设计.......................................................................................................... 31 3.2.1 射频收发芯片 AS3992............................................................................................. 32
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 3.2.2 AS3992 环路滤波器设计......................................................................................... 34 3.2.3 3.2.4 功率放大器电路设计 ............................................................................................... 36 收发隔离设计........................................................................................................... 38

3.3 本章小结 ............................................................................................................................... 39 第四章 4.1 4.2 4.3 超高频 RFID 读写器软件设计............................................................................................ 40 读写器软件方案设计.......................................................................................................... 40 读写器系统主程序设计...................................................................................................... 41 ISO/IEC 18000-6B 协议程序设计 ...................................................................................... 42 4.3.1 协议程序................................................................................................................... 42

4.3.2 Manchester 编码程序 ............................................................................................... 43 4.3.3 FM0 解码程序 .......................................................................................................... 43 4.3.4 CRC 校验.................................................................................................................. 44 4.3.5 4.4 跳跃式动态树型算法 ............................................................................................... 45

ISO/IEC 18000-6C 协议程序设计 ...................................................................................... 48 4.4.1 协议程序................................................................................................................... 49

4.4.2 AS3992 控制 ............................................................................................................ 49 4.4.3 4.5 第五章 5.1 5.2 5.3 5.4 改进的随机槽时隙算法 ........................................................................................... 50

本章小结 ............................................................................................................................. 53 样机测试与系统应用........................................................................................................... 54 样机测试平台...................................................................................................................... 54 读写标签测试...................................................................................................................... 55 样机测试分析...................................................................................................................... 57 基于 RFID 的环卫车辆作业监控系统设计 ....................................................................... 57 5.4.1 5.4.2 5.4.3 环卫车作业监控特点 ............................................................................................... 58 车用超高频 RFID 工作模式及其选择 .................................................................... 58 环卫车辆作业监控系统设计 ................................................................................... 59

5.5 本章小结 ............................................................................................................................... 63 第六章 6.1 6.2 总结与展望 .......................................................................................................................... 65 工作总结 ............................................................................................................................. 65 后期展望 ............................................................................................................................. 65

参考文献 .............................................................................................................................................. 67 致 谢 .................................................................................................................................................... 71

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南京航空航天大学硕士学位论文 在学期间的研究成果及发表的学术论文 ........................................................................................... 72

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

图表清单

图 1.1 图 1.2 图 1.3 图 1.4 图 2.1 图 2.2 图 2.3 图 2.4 图 2.5 图 3. 1 图 3. 2 图 3. 3 图 3. 4 图 3. 5 图 3. 6 图 3. 7 图 3. 8 图 3. 9 图 3. 10 图 3. 11 图 3. 12 图 4. 1 图 4. 2 图 4. 3 图 4. 4 图 4. 5 图 4. 6 图 4. 7

RFID 系统基本组成................................................................................................. 3 电子标签结构功能框图 ........................................................................................... 3 读写器结构框图....................................................................................................... 4 EPCglobal 定义的 RFID 标准总体结构 ................................................................. 8 读写器总体设计框图 ............................................................................................. 17 超外差结构框图..................................................................................................... 17 零中频结构框图..................................................................................................... 18 低中频结构框图..................................................................................................... 19 常用天线结构......................................................................................................... 21 S3C2440 功能结构框图 ........................................................................................ 25 复位电路................................................................................................................ 27 HY57V561620F 地址线连接图 ............................................................................ 28 K9F1208 地址线连接图........................................................................................ 28 JTAG 接口电路 ..................................................................................................... 30 电源管理电路........................................................................................................ 31 AS3992 芯片内部结构图...................................................................................... 33 零中频正交分解.................................................................................................... 34 锁相环组成框图.................................................................................................... 35 环路滤波器.......................................................................................................... 36 功率放大电路 ...................................................................................................... 37 环形器.................................................................................................................. 38 读写器软件模块.................................................................................................... 40 读写器主程序流程图 ............................................................................................ 41 ISO/IEC 18000-6B 协议主程序流程图 ................................................................ 42 Manchester 编码程序流程图 ................................................................................ 43 FM0 解码程序流程图 ........................................................................................... 44 跳跃式动态树型算法示意图 ................................................................................ 46 跳跃式动态树型算法流程图 ................................................................................ 47

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南京航空航天大学硕士学位论文 图 4. 8 图 4. 9 图 4. 10 图 4. 11 ISO/IEC 18000-6C 协议主程序流程图 ................................................................ 49 AS3992 控制操作流程图...................................................................................... 50 时隙参数 Q 的算法 ............................................................................................. 51 改进防碰撞算法软件流程图 .............................................................................. 52

图 5. 1 天线实物图.............................................................................................................. 54 图 5. 2 样机测试实物图...................................................................................................... 55 图 5. 3 控制软件界面图...................................................................................................... 56 图 5. 4 模式 1 工作示意图 .................................................................................................. 58 图 5. 5 模式 2 工作示意图 .................................................................................................. 59 图 5. 6 系统工作简化示意图 .............................................................................................. 59 图 5. 7 系统组成框图.......................................................................................................... 61 图 5. 8 系统软件流程图...................................................................................................... 62 图 5. 9 应用系统设备安装示意图 ...................................................................................... 63

表 1. 1 表 3. 1 表 3. 2 表 4. 1 表 5. 1 表 5. 2 表 5. 3 表 5. 4

各频段 RFID 特性对比........................................................................................... 2 启动模式选择........................................................................................................ 29 HYH504A 参数表 ................................................................................................. 39 C 取值表 ................................................................................................................ 51 读取标签测试结果 ................................................................................................ 56 写入标签测试结果 ................................................................................................ 57 系统参数表............................................................................................................ 61 数据帧格式............................................................................................................ 63

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南京航空航天大学硕士学位论文

第一章

绪论

本章首先介绍了选题的背景,分析了 RFID 技术发展趋势和市场前景,国内外对于 RFID 技术的研究与发展现状,接着指出了本文研究的主要内容和文章的结构安排。

1.1 课题的研究背景
RFID 是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数 据, 工作过程无需人工干预, 无需直接接触, 能适应各种环境而且能够识别高速运动目标, RFID 电子标签的存储量大,标签携带信息多,不易仿造安全性高,因此得到了非常广泛的应用[1][2]。 相对于传统的条形码技术, RFID 技术有着无可比拟的优势。 主要有体现在以下几个方面[3]: ? 识别速度快

识别条形码时每次只能对一个条码进行扫描; 而采用防碰撞技术后, RFID 阅读器可以瞬间 识别成百上千个电子标签,其效率远远高于条形码技术。 ? 识别距离远

扫描条形码时, 需要阅读器与条形码紧密接触才可完成; RFID 阅读器则根据工作频率的不 同,识别距离各有不同。 ? 体积小,形状多样

RFID 标签不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质, 不用考虑尺寸大小和形 状限制,因而可以做成各种形状,适应不同的需求。 ? 穿透性和无屏障识别

条形码扫描器必须在近距离且没有比阻挡的情况下才能读取条形码信息;而 RFID 标签可 以穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的介质与阅读器进行通信。 ? 可重复使用

条形码印刷上去之后就无法改变,而 RFID 标签的信息可以重复更改、删除和添加。 ? 存储数据容量大

2 维条形码存储容量最大可至 3000 字符,RFID 电子标签存储容量可达几 MB。 ? 适用性强

条形码的载体是纸张,容易被污染,且不能折叠;RFID 电子标签则不受这种影响,可以适 应各种环境,适用范围广。 ? 安全性能高

条形码信息可以随意读取,而 RFID 电子标签存储的电子信息可以进行加密,很难更改、
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 伪造或者复制,安全性能很高。 由此可见,RFID 电子标签比条形码技术有更多优势。 RFID 系统按照工作时使用的频率不同基本上可分为 4 类:低频(125KHz、133KHz)、高频 (13.56MHz)、超高频(860~960MHz)和微波(2.45GHz)[4]。各频段工作特性见表 1. 1。 表 1. 1 各频段 RFID 特性对比
低频 频率 125~133KHz 工作原理 电感耦合 13.56MHz 电感耦合 860-960MHz 电磁耦合 2.45GHz 电磁耦合 高频 超高频 微波

波长(m)

2400

22

0.33~0.35

0.12

识别距离(m)

<1

<1

4~7

1-16

标签形式

无源 动物监管、 马拉松

无源

无源/有源

有源/无源

用途

赛跑、工具识别、 电子闭锁防盗

产品跟踪、货架、 运输

物流管理 制造业

移动车辆识别、 电 子身份证

识别速度 环境影响 标签尺寸

低-------------------------------------------------------------高 小-------------------------------------------------------------大 大--------------------------------------------------------------小

尽管由于成本、标准等问题,短期内 RFID 技术还不可能完全取代条形码,但随着国家对 物联网技术的重视与支持,作为物联网核心技术的 RFID 技术也一定会迎来蓬勃的发展和更广 泛的应用。因此对于 RFID 技术的研究是十分必要的。

1.2
1.2.1
(1)

RFID 技术原理
RFID 系统组成与工作原理

RFID 系统组成 RFID 技术是通过无线信号来对目标信号进行识别的, 读写器和电子标签通过彼此的天线进

行信息传输。一般的 RFID 系统由电子标签、读写器和计算机管理系统组成[5],如图 1. 1 所示。
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电子标签

读写器

计算机管理系统

图 1. 1 RFID 系统基本组成 电子标签是 RFID 系统的数据载体[6],它存储物品的相关信息,并根据读写器发出的指令, 进行相应的操作。电子标签有很多的分类方式,按照供电方式可以分为有源标签和无源标签; 按工作方式可以分为主动式标签和被动式标签; 按读写方式可以分为只读型标签和读写型标签。 内部结构功能如图 1. 2 所示。
天线 电源

调制器

控制器(CPU)

编码发生器

时钟

存储器

图 1. 2 电子标签结构功能框图 标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟以及存储器组成 [7][8],如图所示。虽然电子 标签的封装形式不一样,但其构造却基本一致。考虑到天线阻抗、辐射模式、局部结构、作用 距离等因素的影响,为了以最大功率传输,天线后端的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗 相匹配。因此在标签中不应该使用全向天线,而使用方向性天线,它具有更少的辐射模式和更 少的返回损耗干扰。读取标签信息时,编码发生器对标签存储的数据进行编码,编码后的数据 信息送至调制器,再经过天线将此标签信息传送至读写器。写标签信息时,由控制器控制将天 线接收到的信号解码后写入到存储器。时钟主要提供时序,用于把存储器中的数据在准确的时 间传送到读写器中去。存储器中存储的数据是系统规定好的唯一编码,在标签使用之前就已经 被写入。 读写器负责读取或写入电子标签信息,通过其天线与电子标签进行无线通信,可以实现对 标签识别码和内存数据的读出或写入操作[9]。它的主要功能还有为标签提供射频能量、防碰撞、 消息鉴权、完成数据信息处理并实现应用操作和高层处理应用交互。读写器和电子标签通过无 接触耦合,依据其时序关系,实现两者之间的能量传递和数据交换。其通信方式有电感耦合和
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 电磁反向散射耦合两种。电感耦合是应用变压器模型,耦合通过空间的高频交变磁场来实现, 依据法拉第电磁感应定律,主要适用于近距离 RFID 系统[10];电磁反向散射耦合是应用雷达模 型,读写器发射出的电磁波遇到标签后反射回来,同时返回标签的信息,依据电磁波在空间中 传播的规律,主要适用于远距离 RFID 系统。 读写器一般由射频模块、基带模块和天线组成,如图 1. 3 所示。
射频模块 电源装置 射频振荡器 射频处理器 射频接收器 天线

前置放大器

基带模块 放大器 电源装置 电源

解码及纠错电路

微处理器、存储器、标准接口、时钟电路

图 1. 3 读写器结构框图 射频模块由振荡器、处理器、接收器和前置放大器组成,射频信号由振荡器产生后经过处 理器放大,最后由天线发射出去;而天线接收到的载波信号经射频模块解调放大后传送至基带 模块。基带模块一般是由 MCU、放大器、存储器、解码与纠错电路和电源等部分组成。它主要 功能是接收射频模块传输来的信号,解码后得到标签信息,完成读标签的操作,或对要写入到 标签里的信息进行编码后再传递到射频模块,即可完成写标签的操作。它还能通过通信接口将 标签信息和其他的信息传输至上位机[11]。天线是读写器收发射频载波信号的设备,在确定的工 作频率和带宽条件下,天线发射由射频模块产生的射频载波信号,并接收从标签返回的射频载 波信号[12]。 在 RFID 系统中, 计算机管理系统用于实现与读写器之间的通信, 读写器可通过 RS232/485 等标准接口与计算机管理系统进行通信,服务器通过记录传送的数据并对其管理,上位机软件 会根据数据执行相关命令,从而形成一个完整的信息管理系统。 (2) RFID 工作原理 RFID 技术作为一种无线传输技术, 其基本原理是天线的电磁传播特性。 当射频载波信号加 载到读写器天线上之后,在紧邻读写器天线的空间里,除了有辐射场,还存在着非辐射场。这 个非辐射场和距离的高次幂成反比,随着与天线距离增大而迅速减小。在此区域里,电抗场占
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南京航空航天大学硕士学位论文 据优势,因而该区域就被称为电抗近场区,范围大约在 1 个波长。此区域以外,是辐射场区, 按照与天线距离远近,辐射场区又可以分为近场区和远场区[13]。按照观测点和天线之间的不同 距离,天线周围空间辐射的场所呈现出来性质也各不相同,通常划分为无功近场区、辐射近场 区与辐射远场区。 ? 无功近场区

即上文提到的电抗近场区,是辐射场中距离天线最近的一个辐射区域,其中电抗性储能场 占支配地位,该区域的界限取为距天线口径表面?/2?处。该区域是一个储能场,其中的电场与 磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换。束缚于天线的电磁场没有做功,所以此 区域又被叫做无功近场区。 ? 辐射近场区

无功近场区外就是辐射场区,电磁能不再受天线束缚,而是作为电磁波开始空间传播。在 此区域中辐射场占据优势,且辐射场中角度的分布和离天线的距离有关。天线的各单元对于观 察点辐射场的贡献,其相对相位和幅度都是天线距离的函数。通常此区域也被叫做菲涅尔区。 ? 辐射远场区

辐射远场区就是通常说的远场区,又叫夫朗荷费区。在此区域辐射场的角分布不再与距离 有关。当在某一距离上,辐射场角度分布和无穷远时角度分布的误差在一定的允许范围内时, 即可把该点到无穷远的这个区域称之为天线的远场区。 近场区与远场区之间的分界距离 R 公认计算公式为:

R?

2D 2

?

(1.1)

其中 D 为天线直径,?为天线波长,D≥?。当天线的最大尺寸 L 小于波长?时,天线周围 只存在无功近场区与辐射远场区,没有辐射近场区。一般满足 L/?<<1 的天线称为小天线。 读写器与电子标签的通信是通过电磁波辐射来实现的。按照它们之间的距离可以分为近场 和远场,相对应数据交换的方式则分别是负载调制与反向散射调制。 近距低频的 RFID 系统主要是通过准静态场之耦合实现工作的,读写器与标签间天线能量 的交换方式与变压器模型近似,称作负载调制。实际上主要是通过改变标签天线上负载电阻的 通断,使得读写器天线电压发生了变化,因此实现了电子标签对读写器天线电压进行的振幅调 制。如果使用数据来控制负载电阻的通断,那么数据就从标签传输到了读写器[14]。 在远场中,读写器与标签的天线能量交换方式为反向散射调制,是指 RFID 系统中标签返 回自身数据给读写器时使用的通信方式。标签发送数据的方式为控制标签天线的阻抗,方法也 是基于“阻抗开关”法。要发送的标签数据是只有高低电平的信号,通过一个混频器和中频信 号进行调制,调制结果连接到“阻抗开关” ,由它改变标签天线的发射参数,就完成了对载波信
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 号的调制。这种调制方式与通常数据通信的方式最大区别在于,在数据通信的链路中,只用单 发射机就完成了双向数据通信。标签根据自身存储数据来控制天线,数据因而被调制到了返回 的载波信号上。 RFID 系统通常的工作过程大致如下: ? ? 去; ? 读写器天线接收到由标签发射的载波信号,传送给读写器,读写器对其进行放大解调 读写器将射频载波信号通过读写器天线对外发射; 当标签进入读写器的识别范围内时,标签就被激活,将储存信息代码通过天线发送出

解码,然后送往后台上位机系统; ? 上位机管理系统判断该标签的合法性,针对不同的标签情况做出对应的处理与控制,

发出指令信号控制执行部分的动作; ? ? 执行部分按照上位机的指令采取动作; 通过计算机通信网络将电子标签和系统连接起来,构成一个信息平台,根据不同需求

设计不同的软件来完成需要的的功能。

1.2.2

RFID 技术标准

RFID 技术领域相关的标准可分为以下四类:技术标准、数据内容标准、一致性标准和应用 标准[15]。技术标准定义不同种类的硬件和软件应如何设计,如符号、射频识别技术、IC 卡标准 等;数据内容标准定义从电子标签输出的数据流的含义,提供数据如何在系统中表达的指导方 法,如编码格式、语法标准等;一致性标准定义电子标签和读写器是否遵循某个特定标准的测 试方法,如印刷质量、测试规范等标准;应用标准定义实现某个特定应用的技术方法,如船运 标签、产品包装标准等。 目前 RFID 标准还未形成全球统一的标准,现在处于多种标准共存的局面,而随着全球物 流行业大规模应用 RFID 技术,对 RFID 标准进行统一也成为业内的共识[16][17]。相对于国外在 RFID 方面技术标准的发展来看,我国起步比较晚,差距还比较大。虽然相关标准的制定工作早 已经开展了一段时间,但是受到各种原因影响,造成我国的 RFID 标准体系制定工作几番起落。 2006 年的 6 月,国家共十五个部委共同发布了《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》 ,正式 确立了我国 RFID 技术的地位。 国际上的 RFID 标准主要有三大系列,即 ISO 系列、EPC 系列以及日本的 UID 系列[18]。从 标准化的权威性来说,ISO 是国际标准化公认的权威机构,但 EPCglobal 自 2003 年 11 月成立 以来,得到了欧美众多跨国企业巨头的支持,发展迅速。而日本的 UID 标准与除了编码之外, 与 EPC 之间没有原则性区别,从目前发展趋势来看,UID 标准虽然有所发展,但相较于 EPC
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南京航空航天大学硕士学位论文 的发展趋势,其影响力有限。 (1) ISO/IEC 标准 ISO 是公认的全球非盈利工业标准组织, 与 EPCglobal 只专注于超高频不同, ISO/IEC 对各 个频段的 RFID 都颁布了标准。主要关注基本的模块构建、空中接口和涉及到的数据结构以及 实施问题。 RFID 频率由 ISO 18000 RFID 空中接口标准系列统一管理, 包括了有源和无源的 RFID 技术标准,主要是基于物品管理的 RFID 空中接口参数[19]。 ? ISO/IEC 18000-1 提供了 RFID 全球可用频率的通用通信的框架,同时也给出了 ISO

18000 系列中空中接口定义的一般参数,建立了一个通用系统管理、控制和信息交换的框架, 可用于不同频率。 ? ISO/IEC 18000-2 定义了工作频率在 135KHz 以下的读写器和标签之间通信空中接口

参数、协议、命令以及放碰撞方法。此标准中标签分为 A 和 B 两个类型。 ? ISO/IEC 18000-3 提供了工作频率为 13.56MHz 的通信空中接口参数,定义了物理层、

碰撞管理系统和符合 ISO/IEC 18000-1 要求的物体识别协议值。 ? ISO/IEC 18000-4 定义了工作频率 2.45GHz 的空中接口的通信协议,主要应用于货品

管理领域。 ? ISO/IEC 18000-5 定义了 RFID 设备的空中接口工作在 5.8GHz 频率下得通信协议,用

于单品管理应用,由于缺乏商业应用前景,此标准已经中止。 ? ISO/IEC 18000-6 提供了工作频率 860~960MHz 的空中接口参数。 分为 A、 B、 C 三类,

C 类和 EPC Class Gen2 Standard 相同。 ? ISO/IEC 18000-7 定义了工作在 433MHz 频率的有源 RFID 设备的空中接口通信协议,

用于单品管理应用方面,典型的读取距离超过 1 米。 (2) EPCglobal 标准 EPCglobal 是目前全球实力最强的 RFID 标准组织, 其前身是北美 UCC(统一编码组织)和欧 洲 EAN 产品标准组织,合并后称为 EPCglobal[20]。它以推广 RFID 电子标签的网络化应用为宗 旨,可以简单地将 EPCglobal 的研究范围归结为:电子标签(含电子标签和读写器的技术特性)、 EPC、 对象名称解析服务(类似于互联网的域名服务, 使物流环节能够共享 EPC 产品的产地信息 等)和描述物品信息的物理标识语言(Physical Markup Language, PML)。EPCglobal 的标准化结构 框架如图 1. 4 所示。 EPCglobal 体系的标准化工作分为 4 个方面:电子标签和读写器承载物品编码信息技术要 求;EPC 标签的信息规范(物品编码规则);EPCglobal 提供的业务方面有物品编码配置管理与目 标命名业务两部分;软件方面标准也分应用层事件(与物流仓储管理相关的数据采集与刷新等) 和 EPC 信息业务层事件(与物品信息对应的信息描述)两部分。EPC 具有以下特点:

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 ? 的成本。 ? 独立的平台和高度的互动性。EPC 系统建立在互联网系统上,并可与互联网所有可能 开放的结构体系。采用公用的互联网网络系统,避免了系统复杂性,大大降低了系统

的组成部分协同工作。 ? 灵活的可持续发展体系。可在不替换原有体系的情况下完成系统升级。
EPC信息系统 RFID协议 等级0 等级1 UHF Gen 2 软件 EPCglobal业务

应用层事件

目标命名业务

读写协议

EPC信息业务层

物品编码分配管理

电子产品编码:EPC标签数据规范

图 1. 4

EPCglobal 定义的 RFID 标准总体结构

与 ISO 相比,EPCglobal 标准在电子标签和读写器的接口技术要求上略有差异;在 EPC 电子标 签信息规范方面要求只能接受 EPCglobal 承认的代码;在软件标准化方面进展比 ISO 快一些; 同时制定了 EPC 物品编码分配管理规则以及采取提供目标命名业务的措施来推广 EPCglobal 业 务。 EPCglobal 在全球大部分国家设有分支或者代理机构, 来负责市场开发和 EPCglobal 的推广。 (3) UID 标准 泛在 ID(Ubiquitous ID, UID)中心成立于 2003 年 3 月 4 日,其主要任务是在 T-Engine 论坛 内开展 UID 技术的研究开发、标准化以及普及活动。UID 中心的主要活动包括:研究开发用于 自动识别的“物品”和“场所”的核心技术,以及开展作为 UID 技术基础的系统应用的相关活 动。UID 中心还研究用于识别“物品”和“场所”码制(uCode)的标准化和编码配置,UID 中心 让条码与 RFID 共存,根据出发点不同等特性在两者中选择使用,此外也进行 uCode 服务器的 应用和为在泛在环境下实现安全通信的 eTRON 认证机构(entity and economy TRON Certificate Authority)的运营[21]。日本泛在技术核心组织目前已经公布了电子标签超微芯片的部分规格,但 正式标准尚未推出。支持这一 RFID 标准的有索尼、东芝、三菱、夏普、日立、富士通等 300 多家日本 IT 企业。UID 的最大优势是兼容现有编码体系的编码设计,可以兼容多种编码,包括 JAN、UPC、ISBN、IPv6 地址、甚至电话号码。Ucode 标签具有多种形式,包括条形码、射频 标签、智能卡、有源芯片等。泛在识别中心把标签进行分类,并设立了多个不同的认证标准。

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南京航空航天大学硕士学位论文

1.2.3

RFID 防碰撞技术

射频识别系统工作时,有一个以上的电子标签同时处在读写前的作用范围内,这样如果有 两个或以上的电子标签同时发送数据时就会出现通信冲突,读写器不能正确接受数据,也就不 能正确识别标签, 即发生了冲突; 同样有时也会有多个电子标签处在多个读写器的工作范围内, 也会发送数据干扰,不过一般很少考虑这种情况。此时必须采取措施设置一定的命令来保证通 信的可靠性和正确性, 这些命令就被称为防碰撞命令或算法[22]。 常见的防碰撞算法有如下四种: ? 码分多路法

码分多路法(Code Division Multiple Access, CDMA)是在扩频通信的技术基础上发展而来的 无线通信技术。其原理是将具有一定量信号带宽的待传送数据信息,用一个远比待传送信号带 宽大的高速伪随机码对其进行调制,使待传送的数据信号带宽得以扩展,经过载波调制后再发 送出去。接收端使用的伪随机码需与调制时完全一致,对接收到带宽信号进行相关处理[23],把 接收信号转换成原数据信息的窄带信号,这样就实现了信息通信。其扩频码和地址码是正交的 伪随机码作。由于通信频带和技术复杂性,CMDA 不适合 RFID 系统。 ? 频分多路法

频分多路法(Frequence Division Multiple Access, FDMA)是把若干个使用不同载波频率的传 输通路同时供给通信用户使用的技术。 RFID 系统因此能够使用可以自由调整的电子标签, 而不 必与发送频率相同。但这种技术缺点是读写器昂贵,因为每条接收通路上都要有自己单独使用 的接收器,这大大限制了其应用场合,只能被用于一些特殊应用。 ? 空分多路法

空分多路法(Space Division Multiple Address, SDMA)是在分离空间的范围内来重新使用其 确定资源的技术,主要实现方式是使用相控天线作为电子控制定向天线,使天线的方向依次对 准作用区域内不同的标签,从而在物理上实现多路的存取。此方法缺点是天线复杂,不易实现, 造价偏高。 ? 时分多路法

时分多路法(Time Division Multiple Address, TDMA)是把全部可使用的通路容量按照时间来 分配给各个用户的技术。由于实现简单,成为大部分 RFID 系统使用的防碰撞技术。这种技术 又有标签控制(驱动)法和读写器控制(询问驱动)法两种。标签控制法不是同步的,因为其没有控 制读写器方面数据的传输;读写器控制法则是同步的,所有的标签都会同时由读写器进行控制 和检查。实际常用的 TDMA 算法有两大类,ALOHA 和二进制搜索算法[24]-[26]。 ALOHA(包括时隙 ALOHA,动态时隙 ALOHA),协议建立在一种防碰撞原则的基础之上, 当有多个标签在随机的时间间隔发送数据包时,若发生数据包冲突,则标签就会等待一个随机 的时间段之后再发送数据。纯 ALOHA 算法的基本思想是当用户想要发送数据帧时,它可以在
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 任何时间发送。当然,在这种情况下不同的用户所发出来的数据帧有可能会发生冲撞,冲撞产 生后就会使系统工作实际的吞吐量降低,由此可见纯 ALOHA 算法的最大吞吐量是非常低的。 为了降低各个标签发送数据帧过程中产生冲撞的概率,对原算法进行改进后产生了时隙 ALOHA 算法。时隙 ALOHA 算法是一种由读写器控制的随机 TDMA 方法,电子标签只能在规 定的同步时隙内才能传送数据包,可以改善 ALOHA 算法的吞吐率。而动态时隙 ALOHA 算法 能够动态地调整时隙数量,通过特定数据编码来检测出冲突的存在,动态地调整各读写器的报 警时间,从而能够将数据帧的接收错误率控制在系统可接受的程度以下。但不论是 ALOHA 算 法、时隙 ALOHA 算法还是动态时隙 ALOHA 算法,其中标签数据信息的发送全部是随机的, 因而不能完全保证整个系统的可靠性,其信道利用率也非常低。 二进制搜索算法通过读写器运用二进制搜索树的运算规则和一比特的数据来解决冲撞。因 为每个 RFID 标签都有一个自身的 ID,故读写器读取标签时可指定某一特定 ID 范围,发送询 问命令,只有此范围内的标签会做出应答,其他标签不予应答。遇到碰撞就分成左右两个子集, 随着层数的增加分枝也越来越小,直到最后只有一个标签或为空,如果在某个时隙发生冲撞, 所有信息包不占用信道,直到冲撞问题得以解决。此时若有两个标签同时在上传数据发生了冲 突,读写器就可以准确检测出发生碰撞 ID 的比特位,并据此找出相对应的标签。使用这种运 算理论,读写器就可以识别所有标签。二进制搜索算法标签序列号每次都是完整的传输,实际 应用中,序列号会很长,因此不得不传输大量的数据来仅仅选择一个唯一的标签。动态二进制 搜索算法就避免了长序列号中多余数据部分的传输,数据传输的时间因此缩短,不过搜索的次 数和二进制搜索算法相同。后退式索引算法是二进制搜索算法经过改进来的,与二进制搜索算 法区别在于当读写器成功读取一个标签之后,不再从根结点重新查询,而是退回到它上层的节 点进行查询,降低了时间的复杂度。跳跃式动态树形算法则是由动态二进制搜索算法和后退式 索引算法通过改进得到的[27],与动态二进制搜索算法不同之处在于它检测到碰撞是继续向前查 询,无碰撞就后退回到上层的结点。

1.2.4

RFID 系统的应用

随着 RFID 技术的应用逐渐成熟,而且其在如物流仓储、货运、公路与铁路交通、邮政、 智能建筑以及物业管理、饲养业、工业生产等众多领域都有着很大优点[28],所以,在全球各地 诸多行业都得到普遍的应用。典型的应用领域包括: ? 动物识别与跟踪

动物识别与跟踪是指利用特殊的标签,用某种技术方式与准备识别的动物对应起来,并能 随时取得对应动物的某些属性信息, 并进行管理和跟踪的技术。对一些动物进行的识别与跟踪, 能够极大地加强对外来动物携带疾病的控制与监管,保护本地物种安全,保证国际贸易中畜产
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南京航空航天大学硕士学位论文 品的安全性;还能够加强政府管理动物的疾病预防与接种,提高对动物疾病情况的诊断和报告 能力,以及对于境内外动物发生疫情后的应急反应[29]。此项技术还可以应用于饲养业上,能够 用来标识动物、记录和控制瘟疫等。一般采用的应答器有:耳环式、项圈式、药丸式和可注射 式等,使用便携式的读写器来跟踪配备有应答器的动物即可记录下需要的动物信息。 ? 公路不停车收费系统

公路不停车收费系统(Electronic Toll Collection, ETC)是借助于收费系统里的各种硬件与管 理软件来辨别待收费车辆信息进而实现正确自动收费的系统,特别适合于在高速公路或交通繁 忙的桥隧环境下使用。射频天线安装于每个收费通道上方的中心位置,连接到读写器,由读写 器控制车道内天线与车载电子标签(射频卡)进行通信。读写器通过天线向车载电子标签发射信 号,激活电子标签开始进行短程通信(Dedicated Short Range Communications, DSRC)交换信息
[30]

。车载电子标签装备在车辆挡风玻璃后,其向读写器发送的识别信息,包括 ID 号码、车主

姓名、车型等,同时也可以发送其他的一些信息(如过境地点、账户余额)等。读卡器接收并处 理车载标签信息并对其进行收费,同时也将修改信息反馈回电子标签,对标签内数据进行相应 修改。 这一技术扩展后还能允许收费处控制系统向读写器传送交通管理方面的信息并显示出来, 这就使得此系统拥有了城市交通管理与控制的潜在用途。 ETC 系统使用 DSRC 技术进行通信的 频段是 5.795~5.815GHz,读写距离最远可以达到十几米,存储容量为 16~128Kbit。缺点主要是 为保证读写数据的距离足够远需要使用电池来供电。目前瑞典康比特公司已有类似相关产品在 国内使用。 ? 铁路车号自动识别系统

铁路车号自动识别系统(Advanced Traffic Information System, ATIS)是在列车的运行过程之 中,采用射频反射散射调制与计算机的处理技术,准确识别出运行机车的标识信息,并及时将 信息反馈给铁路运输管理信息系统、铁路调度指挥与管理系统、车辆管理信息等系统,建立起 铁路车次、列车号信息采集报告自动化的体系,实现了对列机车、全路车进行实时追踪的管理。 该系统的工作频段为 902~928MHz,其读写识别距离可达到 0.6~3m,该方案的优点主要是铁路 系统现在已经使用的 GSM900 型数字蜂窝移动通信系统,其工作的频段是发送:885~915MHz、 接收:930~960MHz。因此采用此频段不需再去申请使用其他频段,无须再支付额外的开销, 使用此频段射频识别技术读写距离为 0.6~3m, 不会影响到 GSM900 数字蜂窝移动通信系统的正 常工作[31]。目前美国的 AMIECH 公司已经开发出相类似系列的成熟产品并在全球都普遍使用。 ? 汽车电子防盗系统

采用射频识别技术的电子防盗系统后,车辆将处于本地管理系统监视之下,从而可以有效 地防范车辆被盗。应答器被封装在汽车钥匙里,当把钥匙插入到点火器中时,安装于点火器中 的读写器天线和应答器的线圈之间就产生了电感耦合。电感耦合就为应答器来馈送能量,应答

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 器就能与读写器进行数据交换,对钥匙的合法性进行鉴别。当读写器不能接收到应答器发送过 来的特定信号时, 中心控制器就关掉汽车引擎, 同时会发出报警信号给报警系统[32]。 独特的 RFID 技术可以保证系统在任何情况下都能够正确地识别驾驶者,无论在车里还是车外都可以轻松探 测到电子钥匙的位置。电子防盗器使用的典型频率为低频波段 100~135kHz,数据调制方式为 ASK 方式。 ? 仓储管理系统

对于很多仓库存储的大型基地来说,其数以万计甚至更多的存储信息如产地、种类、批次、 库存、货架等,如果全部依靠人工记录不仅工作量大而且繁琐易出错。基于 RFID 技术的仓储 管理系统则能够非常有效地解决仓储货物的信息管理相关问题。它可以实现物品出/入库控制、 物品存放位置及数量统计、信息查询过程的自动化,方便管理人员进行统计、查询和掌握物资 流动情况,对于提高仓储管理效率、反馈物品的实时信息和指导产品生产等都具有非常重大的 意义。随着技术的发展,系统功能的改善,仓储管理将会更加方便,从而产生更加积极的社会 效益。 ? RFID 门票

RFID 门票是一种集传统印刷防伪和数字安全防伪于一体的高科技门票, 可以满足大型公共 活动安全和高效的要求,并可实现门票智能化和多功能化。对门票采取安全防伪措施,并加强 票务管理,是大型公共活动成功举办的关键。传统门票采用纸张和印刷防伪技术,容易伪造, 安全防伪性能不高,容易造成管理漏洞,无法满足大型公共活动日益严格的要求。随着科技水 平的发展,一些新型数字防伪技术得到应用,最典型的就是 RFID 门票。2008 北京奥运会不仅 是全球体育界的盛事,同时也开创了“全球奥运史上第一张 RFID 电子门票”。北京奥运会门票不 但设计精美,而且蕴藏的科技含量,远远超出了历届奥运会门票,整个奥运会期间,还创造了无 一假票的优秀范例。2010 上海世博会,最终 RFID 门票的使用量超过 7000 万张。使我国 RFID 门票的应用规模,不仅上升到一个新台阶,其规模在世界上也是绝无仅有。 ? RFID 卡

现今消费活动中越来越多的交易不再使用纸币, 而传统接触式 IC 卡使用起来不方便, 采用 RFID 技术后的金融卡通过加密后不但使用方便、 适用范围很广, 而且更加安全可靠。 目前 RFID 卡广泛地用于付款工具(食堂用餐卡、公交一卡通)和认证(工作证、通行证、医疗保险卡)。传统 的接触式 IC 卡(银行卡、电话卡等)基本都可用此技术替代。 目前国内 RFID 成功应用在铁路的车号自动识别系统中,而且其影响的领域己经延伸到铁 路轨道衡、超偏载检测系统和红外轴温探测系统等。正在推广的应用领域还有电子门票、电子 车牌、第二代居民身份证、铁路行李包裹自动追踪管理等。

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南京航空航天大学硕士学位论文

1.3
1.3.1

国内外 RFID 的研究现状
国外研究现状

本质上说 RFID 源于雷达的概念,是在此基础上发展的一种新技术。其最早的应用是二战 期间美军用于战机的敌我识别[33]。 50 年代末,哈里·斯托克曼在美国 IRE 会议上发表的《利用反射功率的通信》奠定了 RFID 技术的理论基础。 60 年代,RFID 技术理论得到进一步发展,有了一些尝试性的商业应用。 80 年代,随着集成电路技术的发展,实现单芯片无源标签成为现实,RFID 技术的研究和 应用也上了一个台阶。 90 年代,RFID 技术进入了快速发展的时期,在全球各地得到了广泛的应用。 1999 年麻省理工学院成立了国际性的 RFID 研究机构 Auto-ID Center,并于 2003 年推出了 电子商品码(Electronic Product Code, EPC)和“物联网”的概念,即以电子标签为载体,给世界 上每件产品提供全球唯一的电子商品编码,将所有产品链接到网络,从而实现对它们的自动识 别和管理,而 RFID 技术是“物联网”的核心[34]。目前“物联网”已得到沃尔玛、宝洁、强生、 宝马、麦德龙,摩托罗拉等众多国际大型企业的认可与支持,在欧美发达国家 RFID 技术的应 用已经相当广泛[35]。 国际主流半导体厂商 Motorola、TI、Philips、Atmel 和 NEC 等纷纷进入 RFID 市场,推出 多种有源、无源电子标签和读写器,占据了大部分的市场份额。从 RFID 专利申请上看,美国 的专利申请量为全球的 53%,是 RFID 技术研发和产出的主要地区[36][37]。

1.3.2

国内研究现状

RFID 技术在我国起步较晚,但是得到了政府的大力支持。1993 年的“金卡工程”拉开了 RFID 技术在我国大规模应用的序幕。 铁道部的自动车号识别系统、 四川宜宾的电子车牌管理系 统起到了很好的示范作用[38]。2006 年,中国科技部宣布,在“十一五”期间,将在“射频识别 (RFID)技术与应用”领域拨款一亿两千八百万,力争实现中国 RFID 领域技术突破与自主创新。 政府主导的第二代身份证项目,863 计划支持的超高频芯片和读写器项目和发改委推动的畜牧 生产 RFID 控制项目以及 RFID 技术在 2008 年的奥运会、 2010 年的世博会等重大活动中的应用 使 RFID 技术得到了极大地推广。2010 年, “物联网”更是出现在了温家宝总理的政府工作报告 中,足以看出物联网的发展进入了国家层面的视野[39]。 对于技术相对简单的低频和高频 RFID, 目前我国的产品已经比较成熟, 读写器和电子标签 都可实现国产化。但超高频和微波 RFID 技术起步较晚,现在还处于大力研发和普及阶段。国
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 内目前只有复旦微电子等少数几家半导体厂家能够生产高频读写芯片。可独立进行研发与生产 超高频 RFID 读写器的也只有少数的几家企业,其中比较著名的有江苏的瑞福、深圳的远望谷 和先施等,其中深圳的远望谷已经于 2007 年成功在深圳上市,成为国内首家成功上市的专业 RFID 设备制造与系统集成商[40]。在 RFID 技术的科研方面,哈尔滨工业大学、北京邮电大学、 电子科技大学、 西安电子科技大学、 浙江大学和华南理工大学等少数几所高校在开展 UHF 频段 读写器研发、标签防碰撞技术和天线等相关技术的研究[41][42]。2008 年 6 月,上海坤锐(Quanray) 电子科技有限公司自主研发的超高频 RFID 标签芯片 QR2233 通过 EPCglobal 官方硬件认证, 成 为亚洲第一家通过芯片兼容性和标签互操作性双重认证的厂家,随后还推出了全球唯一一款存 储量达 2K 的超高频 RFID 芯片 QR2235,坤锐的产品相比于国外同类产品便宜且容量大,在国 内市场位居前列。 据 Frost & Sullivan 公司 2008 年发布的调查显示,2004 至 2014 年间,亚太地区不同种类 RFID 构成将发生变化,低频 RFID 市场份额将快速下降;高频 RFID 市场份额小幅下降,但仍 占各类 RFID 的主导地位;而超高频 RFID 市场份额则呈现快速上升的格局,至 2014 年其市场 份额将与高频 RFID 的基本持平。

1.4

本课题的主要工作
本课题主要工作是基于射频收发芯片 AS3992 设计的符合 ISO/IEC 18000-6C 标准的超高频

RFID 读写器,可以有效简化系统设计、降低整个系统的成本。硬件部分主要是基带部分的主控 制器及时钟、复位、外部存储器、电源管理,射频部分的射频收发芯片以及功率放大和收发隔 离电路,软件部分则由系统主程序、协议控制程序、通信处理程序和防碰撞程序组成,在对测 试结果分析之后还介绍了实际应用的车辆管理系统。 本文共分七章,各章节内容安排如下: 第一章阐述了课题的研究背景,RFID 技术系统组成、技术标准、防碰撞以及应用,对国内 外的研究发展历史以及超高频 RFID 技术的发展现状进行了介绍,论证了本课题的研究内容和 章节安排。 第二章针对读写器系统设的性能指标,对读写器进行了总体方案的设计。首先根据现今读 写器主要设计方案对接收机结构进行对比,选择了零中频结构;其次,对读写器主控制器进行 选型;最后研究了主流射频收发模块的性能特点,基于读写器对射频收发模块的要求,经比较、 分析选择了 AS3992 芯片。 第三章对超高频读写器的硬件进行了详细的设计。读写器基带模块的硬件电路主要包括主 控制器、时钟电路、复位电路、外部存储器电路、JTAG 接口电路和电源管理电路等。读写器 射频模块包括射频收发芯片、功率放大器电路和收发隔离电路等。

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南京航空航天大学硕士学位论文 第四章重点研究了读写器系统的软件方面。 对系统软件进行了模块化划分, 设计了主程序, 并根据射频收发芯片 AS3992 对 ISO/IEC 18000-6B 协议和 ISO/IEC 18000-6C 协议的不同支持程 度,分别进行了协议处理的程序。 第五章对读写器系统样机进行了测试,对实验结果与数据进行了分析,并介绍了读写器的 实际应用系统。测试数据和结果表明设计实现的读写器系统达到了性能指标中的各项要求。 最后对本课题的研究工作进行了总结,并对后期的研究工作进行了展望。

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

第二章

超高频 RFID 读写器总体方案设计

本章首先明确了读写器系统的技术设计指标, 然后根据指标对读写器系统进行了总体设计。 主要包括对读写器接收机架构进行了分析与选择;对主控制器和射频收发芯片进行了选型;对 读写器天线结构的选择。

2.1

读写器设计性能指标
本课题读写器设计的主要技术指标如下: ? ? ? ? ? ? ? ? ? 工作频率:902~930MHz; 工作方式:跳频可配置不同频率; 空中接口协议:ISO/IEC 18000-6B/C; 调制方式:ASK; 输出功率:最大 1.0W,20dB 可调; 读标签距离:6 米; 写标签距离:3 米; 读写器防碰撞:支持多读写器模式; 防碰撞识别速率:每秒 30 个以上。

2.2 读写器总体方案设计
针对预期设计技术指标,读写器系统总体结构框图如图 2. 1 所示。主要分为两部分,即基 带部分和射频部分。基带模块包括主控制器芯片与外围电路,外围电路包括时钟电路、复位电 路、外部存储器电路和电源电路。射频模块包括射频收发芯片,功率放大电路和收发隔离电路。 主控制器将发送往标签的数据传输至 AS3992, 经编码、 载波调制后, 由 RFOPX 与 RFONX 两端差动输出至射频功率放大器 PA,经 PA 放大后的信号通过隔离器由天线发送出去。经天线 接收的信号通过隔离器后输送到 AS3992 的输入端 MIXS_IN,由 AS3992 进行混频、增益、滤 波和数字化后得到数字信号,再送给 MCU 处理。 AS3992 与 MCU 的通信接口既支持并行连接,也支持串行连接,其初始化在 MCU 控制下 通过并行接口完成,之后根据初始化设定的工作模式选择通信方式。在支持 ISO 18000-6B 协议 的直通模式下 AS3992 只能输出串行的数据流信息,而解码、校验则由 MCU 完成;而在支持 ISO 18000-6C 协议的工作模式时,AS3992 就可以完成数据的解码与校验,MCU 只需要以并行 或串行的方式接收数据即可。
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南京航空航天大学硕士学位论文

MIXS_IN IO0~7

时钟复位 PC0~7

RFONX PA 天线 RFOPX

IRQ EN

PGO PA1 PG1

外部存储器

电源管理

隔离器

功率放大 射频模块

射频收发AS3992

主控制器S3C2440 基带模块

图 2. 1 读写器总体设计框图

2.2.1

接收机结构选择

在 RFID 读写器系统中,接收机传统架构有三种方案:超外差结构方案、零中频结构方案 和低中频结构方案。 (1) 超外差结构 超外差接收结构是将本地振荡器产生的振荡电磁波和接收的高频信号进行混频产生一个差 频即中频, 然后通过电路选择将输入信号的频率转换到中频的方法。 超外差原理是在 1918 年由 E. H. Armstrong 最早提出的[43]。这种方法主要是为了接收远程通信中的高频率微弱信号,在对 外差原理进行改进发展出来的。外差原理是把输入信号的频率转换为音频,而 Armstrong 提出 的方法则是把输入信号转换为超音频,因此被称为超外差[44]。主要在高选择性且对成本不敏感 的应用中,能较好地实现宽带接收窄带处理的基本思想。结构原理框图如图 2. 2 所示。

混频器

高频放大器

中频放大器

检波器

低频放大器

本地振荡器

图 2. 2 超外差结构框图 从天线接收到的信号首先经过高频放大器进行放大,而后与本振产生的振荡信号进 入到混频器进行混频,从而得到了中频信号,再经过中频放大器放大、检波器检波和低

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 频的放大,最后送给本地系统。一般接收机的工作频率的范围都很宽,通过改变本振的 频率能够使混频后的中频频率为固定值,因此允许接收的输入信号有不同的频率。 超外差结构的优点是: ? ? 容易得到既足够大又稳定的放大量; 频率特性好且器件选择比较灵活。因为其中频的频率是一直固定的,所以中频

放大器的负载使用上可以采用相对复杂、而性能又比较好的无源或者有源网络,还可以 选择固体滤波器,如声表面波和陶瓷滤波器等; ? 调整比较容易。除在混频器前面的接收天线回路与高频放大调谐回路必须考虑 和本振谐振回路的调谐保持一致之外,混频器后的中频放大负载回路、滤波器都是固定 的,在接收输入信号频率不同时也无需再做调整。 超外差结构接收机的缺点主要在于电路设计复杂,成本相当昂贵,同时还存在某些特 殊干扰,比如镜频干扰、中频干扰以及组合频率的干扰等。 (2) 零中频结构 零中频结构接收技术,即射频信号不需要变换到中频,而是一次直接变换到模拟基带 I/Q 信号,然后再解调[45]。在此结构方案中,本振与信道的载波频率相同,读写器射频前端接收通 道中的中频频率是零, 即信号是从直流开始的[46]。 因此不需要再为抑制镜频干扰而使用滤波器, 放大与滤波在直流处即可实现,而且要获得与在相对高中频处的相同增益只需要比较低的功耗 就能达到。零中频的结构框图如图 2. 3 所示。
混频器 低通滤波器 A/D转换



低噪声 放大器

自动增益 控制

90°

低通滤波器 混频器

A/D转换

图 2. 3 零中频结构框图 此外,选用零中频的结构主要有以下几个优点: ? ? ? ?
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没有镜频干扰,不需要再为了抑制镜频的干扰而添加滤波器; 射频部分的增益不高,比较容易满足系统线性动态范围的要求; 滤波器使用比较少,不用考虑放大与其它的匹配问题; 不需要为选择中频信号而采用专门的中频滤波器,只要用比较容易实现的集成低通滤

南京航空航天大学硕士学位论文 波器用于零频信号的选择,而后用基带放大器进行放大即可。 (3) 低中频结构 低中频结构的中频选择介于超外差结构和零中频结构之间,一般会将其设定在一倍或者两 倍的信道宽度,多数低中频频率选择都在几百 KHz 的范围内。对于无源 RFID 系统的读写器接 收机而言,低中频的输出可以方便地滤除泄漏到接收机中的射频发射载波、传播环境因素对发 射信号造成的强反射和寄生的直流偏置信号等,因此这样的滤波器实现起来更容易。低中频结 构避免了使用自动增益控制电路,而且对信道中信号的好坏有着比较快的反应速度,由此有效 地降低了接收机以及相关电路设计的复杂程度[47]。鉴频器等部分电路设计简单,不要求与载波 同步以及大的电流,占用芯片的面积也比较小。低中频结构框图见图 2. 4。

混频器 低噪声 放大器 带通滤波器 限幅器 调制解调 限幅器

PLL

图 2. 4 低中频结构框图 不过与使用双通道解调的零中频接收结构相比,低中频接收结构的灵敏度有大约 3dB 的损 失。通过镜频通道很容易引入相邻近频道工作的读写器发射以及回波的干扰影响[48]。而且一般 低中频接收结构需要有一个信道滤波器来获得有效的载波频率,以此降低噪声和邻道等干扰的 影响。如果系统协议所规定信号的频率带宽以及邻道选择要求比较宽松,那么对滤波器的要求 也就比较低。低中频接收结构还需要使用抑制镜像的混频器来减弱镜像的干扰问题[49]。 通过以上论述分析可见接收机零中频结构与其它接收机结构方案相比, 不但具有实现容易、 成本较低以及协议的适应性强等优点,而且其接收的灵敏度也能够满足读写器系统的要求。同 时因为零中频接收结构比超外差接收结构简单的多, 不需要使用不便集成的高 Q 值带通滤波器, 从电路集成化与控制成本方面来说,零中频接收结构也具有优势。因此本课题设计读写器采用 零中频结构。

2.2.2

主控制器选型

微控制器的功能主要有: 与后台应用管理软件进行通信, 执行应用软件发送来的动作指令, 控制读写器与标签的通信过程和身份验证并对其中的数据进行加密和解密,对键盘或者显示设 备等其他外部设备的控制。读写器中微处理器可以有三种选择:单片机、ARM 和 DSP。 本课题需要核心控制器需要体积小、功耗低,要有比较强的处理能力,能够同时完成读写
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 器系统中对读写器的控制、对数据的处理和与后台应用软件的通信,需要有丰富的接口资源, 可以方便快速的置于不同环境的应用中[50]。 综合考虑之后, 本设计选择三星公司 ARM9 系列中的 S3C2440 作为读写器的主控芯片。 基 于 ARM920T 的 16/32 位 RISC 嵌入式处理器,是目前市场上应用非常广泛的一款 ARM9 处理 器 S3C2440。S3C2440 有丰富的内部设备,它采用了 ARM920t 的内核,0.13?m 的 CMOS 标准 宏单元和存储器单元,其低功耗全静态设计非常适合于对成本与功率比较敏感的系统应用[51]。 S3C2440 集成有以下片上功能: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.2V 内核供电,1.8V/2.5V/3.3V 存储器供电,3.3V 外部 I/O 供电; 外部存储控制器(用于片选逻辑和 SDRAM 的控制); 4 通道 DMA 且有外部的请求引脚; 3 通道 UART(64 字节 Tx FIFO 与 Rx FIFO); 2 通道 SPI; 1 通道 IIS-BUS 音频编解码器接口; 1 通道 IIC-BUS 接口(多主支持); 2 端口 USB 主机/1 端口 USB 设备; 兼容 SD 卡接口协议 1.0 版和 MMC 卡接口协议 2.11 兼容版; 24 通道外部中断源和 130 个通用 I/O 口; 8 通道 10 比特 ADC 和触摸屏接口; 4 通道 PWM 定时器和 1 通道看门狗/内部定时器; AC?97 解码器接口; 具有普通、慢速、空闲和掉电模式; 具有锁相环(Phase Locked Loop, PLL)片上时钟发生器。

2.2.3

射频收发芯片选型

射频前端收发芯片是读写器的核心部分,是读写器性能的关键。它的噪声系数、频率范围、 频率稳定度和接收灵敏度等,都会直接反映到读写器的功能上。传统的射频模块设计采用分立 模块实现,PLL、混频器、功放模块、调制解调模块等。这些模块使用分立元器件完成,使得 读写器结构复杂、设计难度加大,而且成本高,读写器尺寸大[52]。 近年来,随着 RFID 的广泛应用,读写器设备也向小型化、便携化方向发展。射频收发芯 片将用于射频模块功能实现的离散分立元件集成到一个芯片上,降低了射频收发模块的功耗和 体积,从而使读写器的功耗和体积也大大降低[53]。目前专用 RFID 芯片可以集成 90%元件,应 用较多的射频芯片主要有 Intel 的 R1000 和奥地利微电子公司的 AS399X 系列等。 AS399X 系列
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南京航空航天大学硕士学位论文 已经推出 AS3992,下面对 R1000 和 AS3992 进行对比。 R1000 在没有干扰的情况下灵敏度可以达到为-96dBm,不过只需存在一个 2dBm 的干扰就 可以使其灵敏度迅速下降到-70dBm; 而 AS3992 在相同灵敏度时, 最多可以承受 5dBm 的干扰, 这使得 AS3992 在实际应用中的读写距离要更远。R1000 对 ISO/IEC 18000-6C 协议的支持主要 是物理层方面,AS3992 则完全集成了 ISO/IEC 18000-6C 协议。R1000 的开发工具包很友好, 但是其源代码是捆绑到 Windows 或 WinCE 操作系统下,设计者一旦选择使用 R1000,就必须 设计他们自己的代码,而不是参考代码。还需要指出的一点是 Intel 芯片组内含数量庞大的寄存 器,设置困难,难以利用。总体来说 AS3992 相对于 R1000 具有以下优点:集成度更高,源代 码公开,加载协议方便,开发难度低,外围电路设计简单,总体成本低,设计时要注意的事项 少。因此本课题设计选择 AS3992 作为射频收发芯片。

2.2.4

读写器天线结构选择

天线技术也是 RFID 的关键技术之一,天线性能的好坏对整个 RFID 系统性能的影响非常 明显。RFID 系统里天线分为:读写器天线和标签天线。读写器射频前端信号经读写器天线发射 出去,标签天线接收到后获取足够能量,执行读写器命令,再通过标签天线返回响应信息至读 写器天线。标签天线结构设计由于受限于标签尺寸和成本,又需要考虑天线方向性、阻抗匹配、 极化和能量驱动,提高其增益比较困难。因此系统天线增益主要看读写器天线的增益,一般商 用的平板天线增益可以达到 9dBi。 读写器在工作的过程中,既是接收机,也是发射机,而且收发信号的频率相同。标签返回 信号非常微弱,如果射频信号链路隔离效果不好,那么读写器发射的载波信号就可能泄露到接 收链路,对接收信号造成干扰。因此读写器需要对收发信号进行隔离,天线结构不同,收发隔 离的方法也有所不同[54]。读写器天线一般有双天线结构和单天线结构两种,双天线结构采用收 发分离法见图 2. 5 (a),而单天线结构多采用器件隔离法见图 2. 5(b)。

发射机

发射机

接收机

接收机

(a)双天线结构

(b)单天线结构

图 2. 5 常用天线结构 收发分离法是采用两套天线系统进行收发分离的一种方法,发射端和接收端各自需要安装
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 一套天线。一般会使用圆形极化,发射天线与接收天线使用不同的极化方向,因而天线之间的 耦合比较微弱,产生的泄漏相对也会比较小,使用收发分离法的隔离度一般可以达到 30dB~ 40dB。尽管相对单天线隔离度很高,但双天线系统对场合的适应性较差,且采用双天线系统会 使读写器设计复杂、体积变大、成本增加,一般应用于较高档的读写器中。 单天线结构多采用器件隔离法,使用环形器或者双工器来达到收发信号隔离的目的[55]。隔 离效果虽然没有收发分离法好,但成本低,实现简单,适合大多数对隔离度要求不是非常严格 的设计。结合本课题需要,综合考虑读写器天线结构选择使用单天线结构。

2.3

本章小结
本章主要对读写器系统进行了总体的设计与论证。讨论了常用读写器接收机架构,对比超

外差、零中频和低中频结构之后,最后选择零中频结构;对读写器主控制器进行了选型,确定 使用三星公司的 ARM9 芯片 S3C2440;对射频收发芯片进行了选型,在对 R1000 和 AS3992 芯 片进行了比较之后,选用 AS3992 作为本课题读写器系统的射频收发芯片;对读写器天线结构 进行分析,确定使用单天线收发隔离的结构。

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南京航空航天大学硕士学位论文

第三章

超高频 RFID 读写器硬件设计

本章主要介绍读写器硬件系统的设计,基带模块设计包括主控芯片及外围时钟、复位和外 部存储器,存储器使用 SDRAM 和 NANDFlash。射频模块设计中选用 AS3992,外围电路设计 环路滤波器,放大隔离电路中功率放大器选用 SPA2118,收发隔离使用环形器 HYH504A 来实 现。

3.1

读写器基带模块设计
基带模块主要功能是控制电子标签与读写器间的数据交换,与上位机后台管理应用软件进

行通信,并执行从上位机应用软件发来的命令,执行电子标签识别和防冲撞算法,对读写器和 标签之间传送的数据进行加密和解密,控制读写器和标签间的身份验证,控制频率步进和发射 信号功率。

3.1.1
(1)

主控制器 S3C2440
A RM 技术简介

ARM 是微处理器行业的一家著名企业,设计出了大量高性能、廉价而且低功耗的 RISC 处 理器、相关技术和软件。ARM 技术具有高性能、低成本和低功耗的特点,适用于各个领域,比 如嵌入控制、消费类多媒体和移动式应用等。ARM 微处理器目前有 ARM7、ARM9、ARM9E、 ARM10E 和 SecurCore 等多个系列,以及其它厂商使用基于 ARM 体系结构设计的处理器,除 了具有 ARM 体系结构的共同特点以外,每个系列的 ARM 微处理器都有各自不同的特点与应 用领域。其中,ARM7、ARM9、ARM9E 和 ARM10 为 4 个通用的处理器系列,每个系列都提 供了一套相对独特的性能用来满足不同应用领域的需求。 SecurCore 系列就是专门为安全性能要 求较高的应用而设计的。 ARM 处理器有以下结构特点: ? 体系结构

精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer,RISC),不但对指令系统进行了精简, 还采用了超标量和超流水线的结构; 它们指令的数目只有几十条, 却大大增强了并行处理能力。 RISC 结构指令格式和指令长度固定, 其寻地方式的种类也相对少; 对使用的频率最高的那些简 单指令会优先选取,避免使用复杂的指令;以控制逻辑为主,尽量避免使用微码控制等。 RISC 体系结构具有如下特点:

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 指令格式长度固定,指令简单、归整、基本的寻址方式一般有 2~3 种;使用单周期的指令, 以便于流水线的操作执行;由于指令集简化后,流水线以及常用指令均可用硬件执行;大量的 使用寄存器,使大部分指令操作都是在寄存器之间进行,提高了处理速度;所有指令均可来根 据前面已有执行结果来决定是否会被执行,这样就提高了指令执行的效率;可以用加载/存储的 指令来批量传输数据,用来提高数据传输的效率;移位处理与逻辑处理可以在一条数据的处理 指令中来同时完成。 ? 寄存器结构

ARM 系列处理器总共有 37 个寄存器,均为 32 位,又被分为不同的组(BANK),这 37 个寄 存器包括:31 个通用的寄存器,包括程序计数器(PC 指针);6 个用来标识 CPU 工作状态以及 运行程序状态的状态寄存器,不过目前还没有全部被使用。 ? 指令结构

ARM 处理器目前在比较新推出的体系结构之中可以支持两种指令集: ARM 指令集与 Thumb 指令集。其中,ARM 的指令长度为 32 位,Thumb 的指令长度为 16 位。Thumb 指令集 属于 ARM 指令集的功能子集,但是与等价的 ARM 指令代码比较来说,能够节省 30%~40%以 上的存储空间,同时还具备了 32 位代码的全部优点。 (2) ARM 芯片 S3C2440 S3C2440 芯片采用了新的总线架构 ——片上总线结构 (Advanced Micro controller Bus Architecture, AMBA),核心处理器实现了 MMU,AMBA BUS 与 Harvard 高速缓冲的体系结构。 通过提供一些通用系统的外设, S3C2440 可有效减少系统的整体成本而又不必配置额外的组件。 S3C2440 内部结构如图 3. 1 所示。 系统总线(Advanced High-performance Bus, AHB)主要用于 CPU、DMA、总线控制器和内 存控制器等高性能模块之间的连接。它包括以下特性:支持突发传输;支持分段传输;单个时 钟边沿操作;支持多个主控制器;非三态的实现方式;能够配置 32 位~128 位总线宽度;支持 字节、半字节和字的传输。AHB 系统由主模块、从模块和基础结构三部分组成,在整个 AHB 总线上的传输全部由主模块负责发出,由从模块负责回应。基础结构则由仲裁器(arbitor)、译码 器(decoder)、主模块与从模块之间的多路器、虚拟主模块(dummy Master)、虚拟从模块(dummy Slave)所组成。 外围总线(Advanced Peripherals Bus, APB)主要用于周边的低带宽外围设备之间的连接,如 图 3.1(a)所示,其可用于 UART、I2C、GPIO、WatchDog Timer、SPI 等的连接。在 AHB 总线 结构下能够支持几个主模块,而在 APB 的总线结构里面只有一个主模块即 APB 桥。APB 桥不 仅是 APB 系统总线上的唯一主模块,还是 AHB 系统总线上的从模块,它的主要功能是用来锁 存从 AHB 系统总线来的数据、地址与控制信号,并且提供了二级译码,用于产生 APB 总线外

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南京航空航天大学硕士学位论文 围设备的选择信号,进而实现 AHB 总线协议到 APB 总线协议的转换。其主要特性包括:两个 时钟周期传输;无需回应信号和等待周期;控制逻辑比较简单,只需要四个控制信号。
ARM920T Instruction MMU C13 IVA[31:0] ARM9TDMI Processor Core (Internal Embedded ICE) DVA[31:0] C13 Data MMU DPA[31:0] ID[31:0] CP15 DD[31:0] DVA[31:0] Data CACHE (16KB) WriteBack WBPA[31:0] PA Tag RAM Write Buffer AMBA Bus I/F IPA[31:0] Instruction CACHE (16KB) External Coproc Interface

(a) S3C2440 内部结构图
LCD CONT LCD DMA A H B B U S BUS CONT Arbitor/Decode Interrupt CONT Power Management Camera Interface Memory CONT SRAM/NOR/SDRAM Bridge & DMA (4CH)

USB Host CONT

ExtMaster NAND Ctrl NAND Flash BootLoader Clock Generator (MPLL) UART 0,1,2

I2C I2S A P B B U S GPIO RTC

USB Device

SDI/MMC WatchDog Timer BUS CONT Arbitor/Decode SPI 0,1

ADC Timer/PWM 0~ 4(Internal) AC?97

(b) S3C2440 总线结构图 图 3. 1 S3C2440 功能结构框图

S3C2440 处理器支持大小端模式存储数据,其寻址空间可达 1GB,每个 Bank 为 128MB, 对于外部 I/O 设备的数据宽度,可以是 8/16/32 位,Bank0~Bank6 的空间大小与起始地址都是固
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 定不变的, Bank7 可通过编程设置其空间大小和起始地址, 支持从辅助存储器 NANDFlash 启动, 存储器在 Bank 的位置引脚 nGCS0~nGCS7 来设定,为了避免处理器访问各个设备相互干扰, 在搭建系统时,系统中的各设备都要分配不同的地址空间,这样就可有效地去访问系统设备, 系统中特殊功能寄存器的地址也会统一分配到地址空间中。

3.1.2

时钟电路设计

系统内所使用的时钟都是外部时钟源经过一定的处理得到的。由于外部时钟源的频率一般 不能满足系统所需要的高频件,所以往往需要 PLL 进行倍频处理,用来产生高频的电路。外部 时钟源可以选择晶振(XTAL),也可是使用外部时钟(EXTCLK)。本课题设计中使用晶振作为外 部时钟源。主时钟与实时时钟(RTC)连接外部晶体振荡器电路方式相同。 RTC 单元在 32.768KHz 的外部晶振下工作,RTC 可以使用 STRB/LDRB ARM 操作传输二 进制码十进制数的 8 位数据给 CPU,数据包括秒、分钟、小时、日期、天、月、年的时间信息。 RTC 逻辑可以由备用电池驱动,其通过 RTCVDD 引脚给 RTC 模块提供电源,即使系统电源关 闭。当系统关闭时,CPU 和 RTC 模块的接口是封闭的,备用电池仅驱动振荡电路和 BCD 计数 器以最小化电源消耗。RTC 单元可以在掉电模式或正常操作模式下的特定时间发出报警信号。 S3C2440 具有 2 个 PLL,一个是 MPLL, 用于产生 FCLK,HCLK,PCLK 三种频率,这三 种频率分别有不同的用途:FCLK 是 CPU 提供的时钟信号,如果提到 CPU 的主频是 400MHz, 就是指的这个时钟信号。HCLK 是为 AHB 总线提供的时钟信号,主要用于高速外设,比如内 存控制器,LCD 控制器,中断控制器等。PCLK 是为 APB 总线提供的时钟信号,主要用于低速 外设,比如 UART,I2C,GPIO,SDI/MMC, WATCHDOG,RTC,PWM,ADC and SPI 等。另 外一个是 UPLL,专门用于驱动 USB host/Device,并且驱动 USB host/Device 的频率必须为 48MHz。

3.1.3

复位电路设计

微控制器中的复位电路主要完成读写器系统的上电复位和读写器运行过程中用户按键复位 的功能,可以使用简单 RC 电路也可使用专用复位芯片来实现,本课题使用了 RC 电路作为复 位电路。按键产生的复位信号经过三个反相器的缓冲和延迟送到 S3C2440 的复位引脚,反相器 用于按钮的波形整形和去抖动。nRESET 输出端的状态与 RESET 相反,是用于高电平的复位器 件,复位电路见图 3. 2。 复位电路主要工作原理:系统上电以后,通过电阻 R9 向电容 C17 充电,当电容 C17 两端 电压没有超过高电平门限电压的时候,RESET 端输出高电平,则系统是复位的状态;而当电容 C17 两端的电压达到门限电压之后,RESET 端就输出低电平,系统就转入到正常工作的状态。
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南京航空航天大学硕士学位论文
VDD33V

R9

D2
1N4148

nRESET D3 D4 D5 RESET

C17

S2

74LV14

74LV14

74LV14

RESET

图 3. 2 复位电路 手动复位时,用户只要按下了按钮 S2,电容两端放电,RESET 端输出高电平,系统则回到复 位状态,然后再次重复以上充电过程,系统就又进入正常工作状态。

3.1.4
(1)

外部存储器电路设计
嵌入式系统存储器

嵌入式系统需要存储器来存放执行程序代码。嵌入式系统的存储器分三类:高速缓存 Cache、主存储器和辅助存储器。 Cache 存放使用最多的程序代码和数据,即主存储器中部分数据的副本。S3C2440 片内具 有独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache。 主存储器是微控制器可直接访问的存储器,用来存放系统和用户的程序和数据。主存储器 可位于处理器内和处理器外,片内存储器容量小、速度快,片外存储器容量大。主存储器可分 两大类: ? ? ROM 类,如 Nor Flash,EPROM,E2PROM,PROM 等; RAM 类,如 SRAM,DRAM,SDRAM 等。

辅助存储器是处理器不能直接访问的存储器,用来存放用户的各种信息,容量大、存取速 度相对主存储器要慢很多,用来长期保存用户的信息。在嵌入式系统中常用的辅助存储器有: NANDFlash,DOC(Disk On Chip),CF(Compact Flash),SD(Secure Digital)和 MMC(Multi Media Card)等。 (2) 主存储器 HY57V561620F 主存储器方面外部扩展选用 16 位的 SDRAM 类存储器 HY57V561620F, 由于市面上很少有 32 位宽度的单片 SDRAM, 一般选择 2 片 16 位 SDRAM 扩展得到 32 位 SDRAM, ARM 内置的 外部存储器控制器完成 SDRAM 控制和芯片选择逻辑。地址连线如图 3. 3 所示。

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用
VDD33V U7 1 VDD 14 VDD 27 VDD 3 VDDQ 9 VDDQ 49 VDDQ 43 VDDQ 54 VSS VSS 41 VSS 28 VSS 6 VSSQ 12 VSSQ 46 VSSQ 52 VSSQ A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A8 b2 A9 b3 A10 A11 A12 23 24 25 26 29 30 31 32 33 34 22 35 36 ADDR2 ADDR3 ADDR4 ADDR5 ADDR6 ADDR7 ADDR8 ADDR9 ADDR10 ADDR11 ADDR12 ADDR13 ADDR14
VDD33V VDD33V U6 1 VDD 14 VDD 27 VDD 3 VDDQ 9 VDDQ 49 VDDQ 43 VDDQ 54 VSS VSS 41 VSS 28 VSS 6 VSSQ 12 VSSQ 46 VSSQ 52 VSSQ A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A8 A9b2 b3 A10 A11 A12 23 24 25 26 29 30 31 32 33 34 22 35 36 ADDR2 ADDR3 ADDR4 ADDR5 ADDR6 ADDR7 ADDR8 ADDR9 ADDR10 ADDR11 ADDR12 ADDR13 ADDR14

C4 5
0.1μF

C4 6
0.1μF

C4 7
0.1μF

C4 8
0.1μF

C41
0.1μF

C42
0.1μF

C43
0.1μF

C44
0.1μF

GND

LDQM 15 UDQM 39 BA0 20

nWBE2 nWBE3 ADDR24

LDQM 15 UDQM 39 BA0 20

nWBE0

nWBE1 ADDR24

DATA16 DATA17 DATA18 DATA19 DATA20 DATA21 DATA22 DATA23 DATA24 DATA25 DATA26 DATA27 DATA28 DATA29 DATA30 DATA31

2 4 5 7 8 10 11 13 42 44 45 47 48 50 51 53

DQ0 DQ1 DQ2 DQ3 DQ4 DQ5 DQ6 DQ7 DQ8 DQ9 DQ10 DQ11 DQ12 DQ13 DQ14 DQ15

BA1 21 CKE 37 CLK 38 CS 19 CAS 17 WE 16 RAS 18

ADDR25 SCKE

SCLK1 nGCS6 nSCAS

nWE nSRAS

DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 DATA6 DATA7 DATA8 DATA9 DATA10 DATA11 DATA12 DATA13 DATA14 DATA15

2 4 5 7 8 10 11 13 42 44 45 47 48 50 51 53

DQ0 DQ1 DQ2 DQ3 DQ4 DQ5 DQ6 DQ7 DQ8 DQ9 DQ10 DQ11 DQ12 DQ13 DQ14 DQ15

BA1 21 CKE 37 CLK 38 CS 19 CAS 17 WE 16 RAS 18

ADDR25 SCKE SCLK0 nGCS6 nSCAS

nWE nSRAS

图 3. 3

HY57V561620F 地址线连接图

HY57V561620F 有 13 根行地址线 RA0~RA12,9 根列地址线 CA0~CA8,2 根 BANK 选择 线 BA0~BA1。SDRAM 的地址引脚是复用的,在读写 SDRAM 存储单元时,操作过程是将读 写的地址分两次输入到芯片中,每一次都由同一组地址线输入。两次送到芯片上去的地址分别 称为行地址和列地址。它们被锁存到芯片内部的行地址锁存器和列地址锁存器。 RAS 是行地 址锁存信号,该信号将行地址锁存在芯片内部的行地址锁存器中;CAS 是列地址锁存信号,该 信号将列地址锁存在芯片内部的列地址锁存器中。 (3) 辅助存储器 K9F1208 辅助存储器选择三星公司生产的 NANDFlash 存储器芯片 K9F1208,它以页为单位读写数 据,以块为单位擦除数据。采用非标准总线形式的地址和数据传输方式,对其进行寻址和数据 读写都需要专门的 NANDFlash 控制器来完成。K9F1208 和 S3C24440 的连接如图 3. 4 所示。
U2 VDD33V WP 19

LDATA0 LDATA1 LDATA2 LDATA3 GND VDD33V LDATA4 LDATA5 LDATA6 LDATA7

29 30 31 32 36 37 41 42 43 44

IO0 IO1 IO2 IO3 VSS VCC IO4 IO5 IO6 IO7

WE ALE CLE VSS VCC CE RE RDY/B

18 17 16 13 12 9 8 7

nFWE ALE CLE GND VDD33V

nFCE nFRE RnB

图 3. 4
28

K9F1208 地址线连接图

南京航空航天大学硕士学位论文 S3C2440 支持从 NANDFlash 启动,通过 NANDFlash 和 SDRAM 组合,可以获得很高的性 价比。S3C2440 具有三种启动方式,OM[0:1]引脚决定系统启动模式见表 3. 1。 表 3. 1 启动模式选择
OM1 (操作模式 1) 0 0 1 1 OM2 (操作模式 2) 0 1 0 1 启动 ROM 数据宽度 NANDFlash 模式 16 位 32 位 测试模式

NANDFlash 是接在 NANDFlash 控制器上而不是系统总线上, 所以没有在 8 个 Bank 中分配 地址。如果 S3C2440 被配置成从 NANDFlash 启动,S3C2440 的 NANDFlash 控制器有一个特殊 的功能,在 S3C2440 上电后,NANDFlash 控制器会自动的把 NANDFlash 上的前 4K 数据搬移 到 4K 内部 SRAM 中, 系统会从起始地址是 0x0000 0000 的内部 SRAM 启动。 编写一个小于 4K 的引导程序作用是将主程序拷贝到 SDRAM 中运行,这段核心的启动程序放在 NANDFlash 的 前 4K 中,S3C2440 即可实现从 NANDFlash 启动。

3.1.5

JTAG 接口电路设计

联合测试行动小组(Joint Test Action Group, JTAG)是一种国际标准测试协议,主要用于对芯 片内部测试及系统进行仿真、调试。JTAG 技术是一种嵌入式调试技术,它在芯片内部封装了 专门的测试电路测试访问口(Test Access Port), 通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试。 目前 ARM、DSP、FPGA 等大多数比较复杂的器件都支持 JTAG 协议。 标准 JTAG 接口是 4 线:TCK、TMS、TDI、TDO,分别为测试时钟、测试模式选择、测 试数据的输入和输出。JTAG 测试可以允许将多个元器件通过 JTAG 接口串联起来,形成一个 JTAG 链,可以实现对各个器件分别进行测试。JTAG 接口通常还用于实现系统编程(In System Programable,ISP)功能,如可以对 FLASH 等器件来进行编程。JTAG 仿真器价格便宜,连接方 便,通过系统的测试访问口与处理器进行通信,可以访问芯片内部的所有部件。调试既不使用 片上资源,也不需要目标存储器,而且不占用目标系统的任何端口,另外,由于 JTAG 调试的 目标程序是在目标板上执行的,仿真更接近于目标硬件,因而是开发调试嵌入式系统的一种非 常简洁高效的手段。 S3C2440 内置了标准 JTAG 接口的 Embedded ICE 调试模块,可以使用 Multi-ICE 等硬件仿 真器对其进行在线实时仿真调试, 也可以使用 sjf2440 等烧写工具通过 JTAG 接口对外扩的 Flash 存储器进行编程。接口连接原理图如图 3. 5 所示。

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用
VDD33V

R38 R37 R36 R35

JTAG
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

10K 10K 10K 10K

nTRST TDI TMS TCK TDO R27 1K nRESET

R28 1K

图 3. 5

JTAG 接口电路

在本课题中 JTAG 接口主要用来对启动程序进行调试,并将启动程序写入 NANDFlash。

3.1.6

电源管理电路设计

电源模块的设计很重要,一个良好的供电系统才能保证系统稳定工作。常用电源模块有两 种:开关电源和线性电源。开关电源是通过控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出 电压的一种电源。一般由脉冲宽度调制(PWM)控制 IC、MOSFET 功率晶体管、反馈电路以及变 压器构成。其输出电压的调节性比较好,输入电压的范围大,并且发热少、重量轻、尺寸小, 效率一般高于 50%,使用寿命也比较长。开关电源缺点是会有较大的纹波叠加在输出直流电压 的上面, 一般在输出电压 5V 情况下叠加的纹波可达 50mV, 不过可以通过在输出端并接一个稳 压二极管的方法来改善,另外由于在开关管工作时会产生比较大的尖峰脉冲干扰,因此需要在 电路设计中串连磁珠来加以改善。相对来说线性电源则没有以上的缺陷,纹波可以控制在很小 的范围,好的线性电源在输出电压 5V 时的纹波可以控制在 5mV 以下。 根据以上分析可见, 开关电源模块一般应用于输入输出的压降幅度较大、 功耗较大的场合。 而在压降较小、功率的要求不是很高的时候,适合使用线性电源。本课题设计的系统由车辆的 24V 蓄电池供电,读写器系统中需要 5V、3.3V 和 1.25V 的直流稳压电源,其中,MCU 内核供 电需要 1.25V,外部存储器需要 3.3V 电源,射频收发芯片需要 5V 电源。DC-DC 开关型电源变 换器可以将 24V 降压至 5V/3.3V 输出,3.3V 电源再经 DC-DC 线性电源变换器降到 1.25V。 电源转换电路如图 3. 6 所示。选用 LM2596 开关型电源和完成 24V 到 5V/3.3V,LM1117 系列直流线性电源转换芯片 3.3V 到 1.25V 的转换。LM2596 系列电压调节器是由美国国家半导 体公司生产的。它是降压型开关型电源管理集成芯片,能输出 3A 的驱动电流,它内含频率补 偿和固定频率发生器和基准稳压器,开关频率为 150KHz,并具有热关断和降频限流等完善的 保护电路。使用该芯片只需要极少的元器件便可构成非常高效的稳压电路。可以提供固定电压 版本为 3.3V、5V、12V 三种,可调电压版本则可产生 37V 以下的各种电压。LM1117 是一个
30

南京航空航天大学硕士学位论文 低压差电压调节器,提供电流限制和热保护,输出端需要一个至少 10uF 的钽电容来改善 瞬态响应和稳定性,其压差在 1.2V 时,负载电流最大为 800mA。
1k 24V 输入 1 LM2596 VIN On/Off 5 Feed back 4 VOUT 2 GND 3 470 5V 68? H IN5824 输出 220? F

680? F

(a) 24V 转 5V
24V 输入 1 LM2596 VIN On/Off 5 Feed back VOUT GND 3 4 2 33? H IN5824 3.3V 输出 220? F

680? F

(b) 24V 转 3.3V
3.3V 输入 1 VIN GND 2 VOUT NC 100nF 10? F/10V LM1117 3 4 10? F/10V 100nF 100nF 1.25V 输出

(c) 3.3V 转 1.25V 图 3. 6 电源管理电路

3.2

读写器射频模块设计
射频模块的主要任务是根据协议要求对外发射一定功率射频信号,激活识别区域内的电子

标签并为其提供正常工作的能量,将待发射的编码信号调制到射频,把数据信息和命令传送给 标签,接收标签返回的射频信号信息并进行下变频处理,控制频率综合器进行跳频处理。

31

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

3.2.1

射频收发芯片 AS3992

AS3992 是奥地利微电子公司 AS399X 系列芯片中最新一款支持超高频 RFID 读写器集成射 频收发芯片,其封装形式为 64 脚 QFN 封装。AS3992 具有集成度高的特点,芯片内集成了接收 电路、发送电路、协议转换单元、连接 MCU 的 8 位并行接口或 SPI 串行接口,接收信号自动 增益控制和用于测量发射功率的 A/D 转换器等。它还包括完整的模拟前端电路,同时还集成了 内部高性能 VCO、密集读写器模式(Dense Reader Mode,DRM)滤波器、发射链路预失真功能。 芯片内部 VCO 频率调谐范围为 840~960MHz,完全符合超高频 RFID 标准,其内部高度可配置 的模拟前端,能工作于 DSB-ASK、SSB-ASK 以及 PR-ASK 调制模式。芯片支持 AM 和 PM 调 制,可以确保在 I/Q 路自动选择时不会存在通信盲点。 AS3992 的接收灵敏度最高可以达到 -86dBm,为适应标签反向散射信号的不同强度,可以通过调整 AS3992 内部的接收调整寄存器 (地址为 0x0A)中的 ir<1,0>位来获得 23dB 的动态范围。 AS3992 有以下主要特性: ? 完全支持 ISO/IEC 18000-6C 协议, 同时在直接模式即只使用芯片的射频收发功能时可

以支持 ISO/IEC 18000-6B 协议; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 片内可编程密集读写器滤波器,适应多个国家 RFID 频率; 片内数字的预失真功能,可以提升外部功放的效率; 可对数字基带进行配置,能实现编解码与 CRC 校验等功能; 4.1~5.5V 的电压范围,可使用 USB 直接进行供电; 数字通信的接口支持 1.8~5.5V 宽的电压范围; 片内 20mA 的线性稳压输出可用于给外部 MCU 供电; 片内 20dBm 的功率放大器可以直接用在短距离的 RFD 读写器上; 支持 ASK 与 PR-ASK 调制,ASK 调制的深度可调; 片内 ADC 可用来接收外部的功率检波器输出信号; 片内 DAC 可用来控制外部的功放功率; 支持快速跳频。

AS3992 芯片内部组成框图,如图 3. 7 所示。 AS3992 支持的工作模式有五种:正常工作模式、待机工作模式、掉电工作模式、临时正常 工作模式以及带有 MCU 支持的掉电工作模式。 ? 正常工作模式: :当 EN 高电平时就触发正常工作模式, 在此模式下所有的射频振荡器、

供电稳压器、晶体振荡器、锁相环、以及参考电压系统都处在工作状态。在晶体振荡器稳定之 后,CLKSYS 时钟被激活,芯片就处在就绪状态。 ?
32

待机工作模式: 在正常工作模式下将标志位 stby 设置为高电平即进入了待机工作模式,

南京航空航天大学硕士学位论文 待机工作模式下稳压器、晶体振荡电路、参考电压系统都处在低功耗的状态,PLL 和射频前端 电路则处在关闭状态,在待机工作模式中全部寄存器的值仍会保存。

IQ 混频

放大 滤波

数字化 数字化

RSSI 射频 输出 EPC Gen-2协议处理 GEN-2 振荡器 时序系统 帧生成 CRC 24 Byte FIFO

MCU 接口

图 3. 7 ? ?

AS3992 芯片内部结构图

掉电工作模式:掉电工作模式由 EN 的引脚低电平来触发,同时 OAD2 的引脚悬空。 临时正常工作模式(监听模式):在掉电工作模式中,将 OAD2 的引脚通过 10K 或更小

电阻短暂拉低后,在晶振稳定、CLKSYS 可以正常输出以后,AS3992 将等待约 200?s,就进入 掉电工作模式。此模式适用于微控制器和 AS3992 都处于掉电模式,当 MCU 需要与 AS3992 通 信时,将 EN 拉高,则 AS3992 进入正常模式。 ? 带有 MCU 支持的掉电模式:此模式中 AS3992 其他部分处于掉电状态,但当 EN 为低

电平时 VDD_D 仍然输出电压,CLKSYS 输出 60KHz 时钟,在 OAD2 引脚连接 10K 电阻即可 使能此模式。 在读写器系统中芯片 AS3992 工作过程如下: 发射信号时,发送到标签的数据由 MCU 转载到 AS3992 的 FIFO 中,AS3992 根据协议对 信号进行编码处理,为数据加帧头和 CRC 的校验码,形成数据帧与 PLL 产生的载频信号相混 频,调制到射频输出,最后由外部 PA 通过天线发射出去。 AS3392 有低功率高线性输出和大功率输出两种放大输出方式。 低功率高线性输出: 输出功 率约为 0dBm,可用于驱动外部的放大器,输出管脚选用 RFOPX 和 RFONX,输出阻抗为 50 欧姆,可以使用差分输出或单端输出;大功率输出:输出功率约为 20dBm,可用于天线作用场 比较近的情况,外部需接 50 欧姆的阻抗匹配电路,也可以使用差分信号输出,差分输出管脚是 RFOUTP_1、RFOUTP_2 和 RFOUTN_1、RFOUTN_2。 接收信号时,接收信号分两路进入芯片里的混频器来进行 I/Q 解调,解调后信号再经过内 部放大滤波器的滤波与自动增益控制之后进行数字化,将信号帧头去除,通过 CRC 校验,校验 后的正确信号再进行解码,最后完成解码的信号才通过 FIFO 被送到 MCU 中。AS3992 芯片内
33

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 接收电路为零中频结构,内部结构如图 3. 8 所示。
混频器 低通滤 波器 A/D转换

I通道 接收信号A cos 混频器

Q通道 sin

低通滤 波器

A/D转换

图 3. 8 零中频正交分解 通过芯片内寄存器设置本振载波频率在 860~960MHz 之间。接收信号正交分解成 I/Q 两路 信号,如式(3.1)和式(3.2)。 I 通道信号: VI (t ) ? A ? cos(?0 t ? ? 0 ) Q 通道信号: VQ (t ) ? A ? sin(?0 t ? ? 0 ) (3.1) (3.2)

I/Q 两路信号幅度相等,相位之差为 90 度,所以 I/Q 信号的零点交替出现,信号之和为一 个常数。两路信号都将被解调,将这两路信号相乘,得到的信号为单极性信号;而后经过滤波 器滤除本振载波和高次谐波, 再经过基准电压与电压比较器比较的方法, 进行信号的 A/D 转换。 AS3992 片内可以配置成差分的输出混频或者单端的输入混频,由引脚 MIX_INP 及 MIX_INN 输入差分信号,且两路信号必须是交流耦合的。通过设置寄存器 Rx Special Setting Register (0A)中的 s_mix 选择位来选择差分还是单端输入。 为优化接收电路部分的噪声水平以及 动态的输入范围,混频器可以调整输入范围,根据接收电路部分输入信号的不同强度,调节内 部的衰减器或增益控制器来获得合适的信号电平。

3.2.2

AS3992 环路滤波器设计

AS3992 芯片的锁相环电路由压控振荡器、除法器、预分频器、鉴相鉴频器、电荷泵以及环 路滤波器组成,只有环路滤波器没有集成于片内。压控振荡器的主要作用是产生射频信号,控 制电压影响它的输出频率,通常其输出频率与控制电压成正比。分频器的主要作用是对压控振 荡器的输出射频信号进行分频,使其频率降低到和参考频率一个级别以进行比较。鉴相器的主 要作用是比较参考频率 fre 和分频后的频率 fout,从而根据频率和相位差产生相应的输出电压。 低通滤波器(环路滤波器)主要作用是对电荷泵输出电流进行低通滤波,从而为压控振荡器提供 准确的控制电压。 (1)
34

锁相环

南京航空航天大学硕士学位论文 锁相环是一种反馈控制电路, 利用外部输入信号为参考控制环路内振荡信号的频率与相位。 锁相环构成原理如图 3. 9 所示。
fre
外部频率源 鉴相器 PD 环路滤波器 LPF 压控振荡器 VCO

fout

分频器

图 3. 9 锁相环组成框图 压控振荡器输出的信号分为两部分,一部分直接输出,另一部分经过分频器之后与锁相环 本振信号的相位进行比较,如果相位差有变化,则锁相环的电压输出发生变化,压控振荡器随 之改变输出频率,直到相位差稳定。锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成。 外部频率源参考电压为: ui (t ) ? U m sin[?i t ? ? i (t )] 压控振荡器输出信号电压: uO (t ) ? U Om cos[?o t ? ? o (t )] 其中 ?O 为固有振荡频率。 环路滤波器滤除高频分量: uC (t ) ? U dm sin?(?i ? ?E )t ?[? i (t ) ? ? o (t )]? 其中 U dm ? (3.5) (3.3) (3.4)

1 KU mU Om 2
(3.6)

瞬时相位差为: ? d ? (?i ? ?o )t ? ? i (t ) ? ? o (t ) 对(3.5)式两边同时微分得:

d? d d (?i ? ?o )t d [? i (t ) ? ? o (t )] ? ? dt dt dt

(3.7)

(3.7)式等于 0 时,锁相环即进入相位锁定状态,输入和输出信号频率相等, u C (t ) 为一恒 定值;不等于 0 时表示锁相环相位未锁定,输入和输出信号频率不相等, u C (t ) 随时间变化。 (2) 环路滤波器 AS3992 集成有 VCO,但是其相位噪声的性能还有待改善。VCO 的相位噪声对于读卡器的 性能影响较大。一方面在发射过程中,VCO 的相位噪声会引起邻信道干扰,增加误码率;另一 方面在接收过程中 VCO 的相位噪声会导致解调错误,致使灵敏度下降,动态范围恶化。采用 合适的外接环路滤波器,其工作频段可以变宽。因此,外接环路滤波器性能的好坏将影响到读 写器能否达到设计指标。
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 外接环路滤波器连接在电荷泵与 VCO 之间,常用电荷泵锁相环的环路滤波器主要有三种: 一阶 RC 积分滤波器,二阶无源环路低通滤波器和三阶无源环路低通滤波器。一阶 RC 积分滤 波器使用元器件较少,实现起来也比较简单,但因其高频性能较差,实际设计中很少用到。二 阶无源低通滤波器多应用于带宽比较宽的场合,但其抑制杂散边带的性能较差。结合读写器系 统对频谱的要求,选择使用三阶无源环路低通滤波器作为 AS3992 的外接环路滤波器。 环路滤波器电路如图 3. 10 所示。
Icp R1 Vcont

R2

C1

C2

C3

GND

图 3. 10 环路滤波器 外部环路滤波器电路各部件需要根据滤波器的参考频率和电荷泵电流来确定,本课题设计 中外部环路滤波器的工作参数为: 中心频率: 9l5MHz; 电荷泵电流: 1.2mA; 参考频率: 50KHz。 三阶无源环路滤波器传递函数见式(3.8)。

F ( s) ?

1 ? st2 s(C1 ? C2 ? C3 )(1 ? st1 )(1 ? st3 )

(3.8)

其中 t1 ?

R2C2C1 , t 2 ? R2C2 , t3 ? R1C3 。 C1 ? C2 ? C3

3.2.3

功率放大器电路设计

本课题设计读写器的功率在 20dBm,AS3992 发射出来的射频信号最大只有 0dBm,信号很 微弱再加上传输衰减,则读写器有效识别距离将非常近,无法达到设计要求。因此需要外接功 率放大器将信号进行放大,将 AS3992 发出的射频信号,放大到协议规定的功率大小。功率放 大器的性能在一定程度上决定着读写器的性能。射频功率放大器的主要指标有:增益、最大输 出功率以及线性度。 1) 增益:增益表示功放能够将输入的小信号放大的倍数,是功放最重要的一个指标,增

益可以使用多种方法来表示,如

36

南京航空航天大学硕士学位论文 电压增益: Gv ?

Vout Vin

(3.9) (3.10 )

功率增益: G ?

Pout ? Gv2 Pin

采用 dB 为增益单位,其换算公式为:

G ? Gv2 ? 10 lg

Pout V ? 20 lg out Pin Vin

(3.11 )

需要外接功放的增益达到 30dB 以上,读写器输出功率才能达到预期设计指标。 2) 最大输出功率:功放的最大输出功率可使用 Psat 来表示,当输入功率达到 Psat 时,输

出功率的增益为 0dB。 实际应用中还有一个重要的参数为 P1dB, 将增益下降到比线性增益低 ldB 时的输出功率定义为输出功率的 ldB 压缩点,此时信号已经产生失真,因此功放在使用时需要 功率回退,或对功放的输入信号进行预失真处理。 3) 线性度:系统的输出与输入能否像理想系统那样保持正常值比例关系(线性关系)的

一种度量。理想功放的输入输出关系可以表示为:

Vout ? GvVin

(3.12 )

为了提高读写器的稳定性,增加识别标签的距离,本课题设计使用 RFMD 公司的射频功率 放大器 SPA2118 来放大发射信号的功率。电路设计如图 3. 11 所示。

C42 R13 5V 1 RFOUT1 VPC2 5 RFIN 6 R12

2

RFOUT2

RFIN

C46

C22

C21

3

RFOUT3 VBIAS

7

RFOUT C47

4

RFOUT4 GND 9

VC1

8

L12

SPA2118 L13 C43 C44 C45

5V

图 3. 11 功率放大电路
37

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 SPA2118 工作频率为 810~960MHz,覆盖了整个超高频 RFID 频率范围,其线性度高,且 增益可达到约 33dB,1dB 压缩点位 29dBm,则输入功率只需要-4dBm 时就可达到最大输出功 率,AS3992 的输出可以直接驱动。 SPA2118 芯片内部共有两级放大,VC1 是其第一级放大的电压输入引脚,VBIAS 和 VPC2 分别为其内部有源偏置网络的输入控制引脚与第二级输入的控制引脚。 放大器输出功率可达 1W, 考虑到电源部分供给的电流是否能够满足芯片正常工作需求的同时, 还要考虑到芯片发热问题, 可以让芯片的背面尽量多的接地,也可以通过增加过孔的方法提高导热的效果。射频收发芯片 已调制信号通过引脚 RFIN 输入功放,经过放大器放大后由 RFOUT 输出至读写器天线。

3.2.4

收发隔离设计

在 RFID 读写器的设计中,收发的隔离也是一个很重要的问题,收发隔离电路位于功率放 大器和天线之间,主要作用是将读写器的发射信号和从标签反射回来的接收信号隔离开,此外 还可以起到阻抗匹配的作用。射频收发链路隔离效果不好,会导致载波泄漏严重而影响阅读器 的接收性能,进而引起相对较高的误码率。 本课题设计的读写器采用单天线结构,该结构常用的隔离方法有反射功率抵消器法和器件 隔离法。 ? 反射功率抵消器法的主要工作原理是从发射信号中耦合出一路信号,被称为载波抵消

信号,这路信号经过矢量调制器的处理后,会抵消接收信号中来自发射端的干扰信号。抵消的 效果主要取决于矢量调制器对载波抵消信号的幅度和相位的控制精度。此种方法的硬件电路设 计比较复杂。 ? 器件隔离法一般会采用双工器或环形器来将发射出去的强射频信号与接收到的电子标

签的微弱信号区分开来。但由于双工器造价比较昂贵,所以实际设计应用中常使用环形器来实 现收发隔离,从而可以公用一个天线端口。 环形器结构如图 3. 12 所示。 一般环形器是由铁氧体衬底的微带环形器组成, 铁氧体是一种 电阻率近似绝缘的混合型磁介质材料,在加上恒定磁场之后,会产生旋磁特性,使得在铁氧体
3端口 到接收机

1端口 到发射机

2端口 到天线

图 3. 12 环形器
38

南京航空航天大学硕士学位论文 中传播的电磁波极化会发生的旋转,从而在正反两方向上表现出不同的磁导率,利用这种单向 特性制成单向传输射频信号的环行器。环形器的隔离度为其输出功率与输入功率之比,环形器 的隔离度通常在 20dB~25dB, 其插入损耗在 0.4dB 左右。 从端口 1 输入的发射信号将全部传输 至端口 2 送至天线,而从端口 2 接收的标签信号将全部传输至端口 3 送至接收电路,端口间反 向传输的损耗为无穷。本课题中收发隔离采用深圳华扬通信技术有限公司生产的 HYH504A。 HYH504A 具体参数如表 3. 2 所示: 表 3. 2 HYH504A 参数表
频率范围 (MHz) 插入损耗 (dB,max) 隔离度 (dB,min) VSWR(max) 带宽 (MHz) 平均功率 (W) 连接方式

902~928

0.25

25

1.2

30

60

TAB

该系列环行器采用上下磁方案,低损耗、高功率、低互调,具有优良的温度特性,抗振动 能力强,性价比高,广泛用在 3G 通信,无线通讯,雷达等领域。

3.3 本章小结
本章主要对读写器系统的硬件进行了构建。主控电路部分采用 S3C2440 作为主控芯片,对 其时钟电路、复位电路、外部存储器连接和电源电路都进行了设计。射频前端芯片 AS3992 集 成度高,但为了性能稳定和更远的识别距离,使用了外部的放大器,收发隔离采用了环形器来 实现。

39

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

第四章

超高频 RFID 读写器软件设计

本章主要就读写器系统的软件部分进行了设计,主要功能是实现与上位机进行数据通信、 读写器系统初始化、ARM9 处理器与射频收发芯片 AS3992 的通信控制,读卡器系统读写标签 功能以及多标签防碰撞算法。

4.1

读写器软件方案设计
读写器软件模块划分以及模块间结构关系如图 4. 1。各软件模块功能如下: 1) 系统主程序模块

读写器系统主程序主要功能是接收计算机管理系统的命令并进行解析,分离其中的参数, 发送给系统参数配置模块和协议处理模块进行处理,控制系统的初始化和不同协议的调用。在 命令执行完毕后,读写器系统主程序向计算机管理系统返回命令执行结果和标签数据。计算机 管理系统还通过本模块对读写器进行参数配置。

计算机管理系统

命令数据 参数 系统参数配置 执行结果 参数 系统主程序

返回数据 命令数据 输出控制 执行结果 执行结果 标签数据 协议处理 标签数据 存储管理

图 4. 1 读写器软件模块 2) 系统参数配置模块

不同的应用环境有不同的使用需求, 需要针对不同的应用环境对读写器进行配置(如协议和 功率选择等)。系统参数配置模块从系统主程序模块获得需要的参数,配置结束后会返回配置的 结果。配置使用的参数保存在主控制器的外部存储器中。 3) 协议处理模块

软件系统的核心模块,主要功能是根据计算机管理系统指令控制射频收发芯片 AS3992 选
40

南京航空航天大学硕士学位论文 择不同的协议处理程序,AS3992 只能部分支持 ISO/IEC 18000-6B 协议。在 ISO/IEC 18000-6C 协议模式时 AS3992 可以完成数据的解码校验,主控制器只需接收数据即可;而在 ISO/IEC 18000-6B 协议模式下时,AS3992 只能输出串行的数据流信息,解码校验则由主控制器完成。 读写器使用不同的协议来操作不同标准的标签。 4) 输出控制模块

主要功能是输出上位机指令到外部控制系统。读写器在读取到标签数据后,需将数据传输 至上位机管理系统,上位机根据标签信息发出控制命令来以控制外部设备。输出端口可以是 RS-232 或 USB。 5) 存储管理模块

主要用于临时的存储读取到的标签数据信息。由于对标签的识别读取速度要大于标签数据 的传送速度,所以在读写器已读取了多个标签后,无法对数据实时的输出,此时就要将数据先 保存起来,在空闲的时候再输出。存储管理的功能主要包括标签数信息的获取、录入及转发等, 只要配合存储器中相应的接口函数,用以实现对数据的实时存取,即完成了存储功能。

4.2

读写器系统主程序设计
读写器主程序软件主要负责协调系统硬件和软件各模块的工作,实现系统功能。系统主程

序软件流程图,如图 4. 2 所示。
开始

上电复位

系统初始化

18000-6B协议命令

接收上位机命令

18000-6C协议命令

调用6B程序

调用6C程序

操作成功 是 协议处理





操作成功 是 协议处理

数据回传

数据回传

图 4. 2 读写器主程序流程图 系统主程序工作过程如下:
41

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 1) 2) 3) 上电复位后,进行读写器系统的初始化; 接收上位机指令,并根据指令判断结果调用相应程序; 如果上位机指令选择 ISO/IEC 18000-6B 协议,则调用 6B 协议处理程序;如果选择

ISO/IEC 18000-6C 协议,则调用 6C 协议处理程序; 4) 如果调用协议处理程序成功,则进行协议处理,将处理好的数据回传。如果操作失败,

则返回重新调用协议处理程序。

4.3

ISO/IEC 18000-6B 协议程序设计
ISO/IEC 18000-6B 协议的通讯机制基于“读写器先发言” ,协议下标签主要有四种状态:关

闭、 就绪、 标识和数据交换。 读写器到电子标签的通信过程中射频载波调制选用 ASK 调制方式, 调制指数为 11%或者 99%,编码方式采用 Manchester 编码;电子标签到读写器通信过程中采用 的是反向散射调制技术,编码方式为 FM0 编码。协议中的指令可分为两种:读写器到电子标签 端指令(发射指令),电子标签到读写器端指令(应答指令)。

4.3.1

协议程序

ISO/IEC 18000-6B 协议主程序完成通讯端口选择和初始化、功率控制、协议规定的对标签 操作命令的编解码、校验及防碰撞功能。协议处理主程序流程,如图 4. 3 所示。
开始

上电复位

系统初始化

接收上位机命令

发送接收命令 判断命令

功率控制命令

编码读 标签命令

编码写 标签命令

校验 解码

功率控制

是否成功 是 返回正确信息

否 返回错误信息

调用防碰撞 算法 否 是否成功 是 返回错误信息

否 返回错误信息 是否碰撞



返回正确信息

图 4. 3

ISO/IEC 18000-6B 协议主程序流程图

42

南京航空航天大学硕士学位论文

4.3.2

Manchester 编码程序

ISO/IEC 18000-6B 协议规定发送指令编码方式为 Manchester 编码,是一种同步时钟编码技 术。它提供一种简单的方式给编码简单的二进制序列而没有长的周期和转换级别,因而能防止 时钟同步的丢失或来自低频率位移在模拟链接位的错误。协议中规定读写器到电子标签的传输 速率为 40Kbps 或 10Kbps,设计采用 40Kps 时,每一位码元的周期为 T=1/40K=25? s,由于 Manchester 码是在一个码元内跳变的,那么高低电平持续时间为 T/2=12.5? s。程序采用定时器 中断计数延时的方式,通过改变寄存器内的值来实现 Manchester 编码,用一个位窗内的电平变 化来表示逻辑“1”和逻辑“0” ,逻辑“0”等效为 Manchester 编码的“01” ,逻辑“1”等效为 Manchester 编码的“10” ,由程序按字节来进行发送,每循环一次就发送一位编码,由位计数器 判断一个字节是否发送完毕。具体的程序流程如图 4. 4 所示。
开始

寄存器循环右移

是 进位是否为“1”



输出0

输出1

延时12.5? s

延时12.5? s

输出1

输出0

延时12.5? s

延时12.5? s

位计数器减“1”

编码完毕 是 结束



图 4. 4

Manchester 编码流程图

4.3.3

FM0 解码程序

ISO/IEC 18000-6B 协议规定接收指令编码的方式使用 FM0 编码,也称之为双相间隔编码。 它用一个位窗内电平变化来表示逻辑,如果电平在位窗起始处就开始翻转,就表示是逻辑“1” ; 如果电平不但在位窗起始处有翻转,在位窗中间也有翻转,就表示是逻辑“0” 。程序按字节接 收 FM0 码,每循环一次就接收一位码元,由位计数器判断一字节是否接收完毕。FM0 码解码
43

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 程序流程图,如图 4. 5 所示。 FM0 解码具有以下规律:当检测到有两个连续码元长度为高电平或低电平时,输出解码数 据为“1” ;两个连续低电平后面将会是高电平,如果仅有一个高电平,输出解码的数据为“0” , 相反的,两个连续高电平后面紧跟的将会是低电平,如果只有一个低电平,输出解码的数据也 为“0” ;当检测到有连续三个电平均为高电平或低电平时,则认定为 FMO 解码过程结束。
开始

延时1/4周期

接收解调后数据

延时1/2周期



电平是否反转



读取“0”

读取“1”

延时12.5? s

置位

延时12.5? s

否 是否成功 是 结束

图 4. 5

FM0 解码程序流程图

4.3.4

CRC 校验

循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check, CRC)是数据通信领域中最常用的一种差错校验 码,其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。基本原理是在 K 位信息码后继续拼 接 R 位作为校验码,整个编码的长度即为 N 位,因此,又把这种编码叫做 (N, K) 码。对 于给定的一个 (N, K) 码,可以证明会存在一个最高次幂是 N-K=R 的多项式 G(X) 。根据 G(X) 又可以生成共 K 位信息的校验码,因而 G(X) 称作此 CRC 码的生成多项式。 校验码生成的具体过程:假定发送信息使用多项式 C(X) 来表示,把 C(X) 左移 R 位,
44

南京航空航天大学硕士学位论文 就可以表示为 C(X)*2 的 R 次方, 这样在 C(X) 的右边会空出来 R 位, 即为校验码的位置。 再通过 C(X)*2 的 R 次方来除以 CRC 码生成多项式 G(X) , 得出的余数即为校验码。 ISO/IEC 18000-6B 协议规定使用 CRC16-CCITT ,它的生成多项式为:

G( X ) ? X 16 ? X 12 ? X 5 ? 1

(4.1)

目前 CRC 校验的常见的两种实现方法为按位计算法和查表法。 按位计算法方法简单、 容易 实现,适用于任意 CRC 宽度,但是这种算法只能一次处理一位数据,效率非常低。按字节快速 查表法中,计算本字节后的 CRC 码等于一个 8 位数据加到 16 位的累加器中去,只有累加器的 低 8 位或高 8 位与其相互作用, 把 8 位二进制序列数的 CRC 全部计算出来, 列成一个表格来查 询就可以大大提高计算速度。 采用查表的方法来实现 CRC 校验与其他实现方法比较起来, 具有 速度快、易懂和可读性强等特点。其算法函数如下: unsigned int cal_crc (unsigned char*ptr, unsigned char len) { unsigned int crc=0xffff; unsigned char da; while(len--!=0) { da=(unsigned char)(crc/256); crc<<=8; crc^=crc_ta[da^ptr]; 来的 CRC */ ptr++; } return(crc); } ISO/IEC 18000-6B 协议中 CRC 计算方法为首先初始化 CRC 累加器值为 0xFFFF(HEX), 然 后根据协议规定的生成多项式计算 CRC 值,将 CRC 的结果按位取反后的 CRC-16 的值高位在 前附在包的后面发送出去。 其校验算法为计算到来的数据包的 CRC 的值, 将其按位取反送入到 CRC 累加寄存器,而后验证累加器的值是否为零。 /* CRC 高 8 位暂存为 8 位二进制数 */ /* 左移 8 位 */ /* 高 8 位和当前字节相加后查表后求出 CRC,再加上原

4.3.5

跳跃式动态树型算法

ISO/IEC 18000-6B 协议采用基于二进制树搜索算法的防碰撞机制。二进制树搜索算法基本 思想是每次读取中识别标签信息的一位, 按照递归的思想工作, 遇到碰撞即分成左右两个分支,
45

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 而随着分层数越来越多分支也越来越小,直到分支下面只剩一个标签或者为空,如果某个时隙 中发生了冲撞,所有的信息包都不会占用信道,直到碰撞问题解决。传统的二进制树型算法使 用轮询机制,按照二进制树模型采用一定顺序遍历所有可能,但是在整个模型中有的节点存在 碰撞而有的则没有,因此速度较慢,效率不高。 本设计采用一种快速高效的 RFID 防碰撞算法—跳跃式动态树型算法。该算法可以根据碰 撞时的特点,针对节点情况前后跳跃搜寻。说明算法原理如下,使用简化的 8 位二进制数表示 标签信息。 假如某时刻有四个标签同时进入读写器的识别范围内, 它们的 EPC 码分别为: EPC1 =10100011、EPC2=10011011、EPC3=00010001、EPC4=11101100。假设读写器发送 call()指 令读取 EPC 码,跳跃式动态树型算法识别过程如图 4. 6 所示:
开始 (1) call(00000000) xxxxxxxx (3) call(1xxxxxxx)

节点1 (2) call(0xxxxxxx)

EPC3 (00010001) (4) call(10xxxxxx)

节点2

1xxxxxxx (7) call(11xxxxxx)

节点3

10xxx011

EPC4 (11101100)

(5) call(100xx011)

(6) call(101xx011)

EPC2 (10011011)

EPC1 (10100011)

图 4. 6 跳跃式动态树型算法示意图 算法步骤为: 1) 读写器发送请求命令 call(00000000),所有标签均响应此命令,此时读写器检测到冲突 信息,识别为 xxxxxxxx,并将其记为节点 1,将 EPC 的最高碰撞位置 0,低位置 1,序列号为 0xxxxxxx。 2) 发送请求命令 call(0xxxxxxx),此时只有 EPC3 满足 call()命令的应答条件,作出应答。 读写器只收到 EPC3 发出的信息, 没有碰撞, 读写器得到 EPC3 的 EPC 码, 然后发送命令使 EPC3 进入睡眠状态。 3) 发送请求命令 call(1xxxxxxx),此时剩余三个标签满足条件均作出应答,读写器识别为 1xxxxxxx,记录为节点 2,然后重复类似步骤(1)的操作,下次 call()命令的 EPC=10xxxxxx。 4) 发送请求命令 call(10xxxxxx),只有 EPC1,EPC2 满足条件做出了应答,读写器识别为
46

南京航空航天大学硕士学位论文 10xxx011,算法读出保存为节点 3 信息。将最高碰撞位置 0,则下次 call()命令参数 EPC= 100xx011。 5) 发送 call(100xx011)命令,只有 EPC2 满足条件做出应答,读写器识别为 10011011,没 有碰撞,读写器得到 EPC2 的 EPC 码后同样发送命令使 EPC2 进入睡眠状态。 6) 发送请求命令 call(101xx011),只有 EPC1 满足条件做出应答,读写器识别为 10100011, 没有碰撞,同样地 EPC1 标签信息被识别后进入睡眠状态。 7) 发送请求命令 call(11xxxxxx),只有 EPC4 满足条件做出应答,读写器识别为 11101100, 没有碰撞,读写器最后得到 EPC4 的 EPC 码。此时已得到所有 EPC 码,算法执行完毕,遍历二 进制数的所有节点。 由以上过程可见,在执行算法过程中跳过了空闲节点,提高了执行的效率。软件流程图如 图 4. 7 所示。
开始

是否条件读 否 Call设定起始 UID 记录返回时隙



接收上位机 条件参数

配置参数 至Call命令

结束Call命令



时槽数为0 否 访问数小于 有卡时槽数 否 是

是 时槽数为0 否

重发Call命令

访问时槽次数加1



碰撞次数小于 已判碰撞卡数 是 否 Call次数小于40 是 Call次数加1 取已存 碰撞节点 发送 Call命令 是 记录正确UID

取原UID与当前 时槽号为新参数

是 正确UID数 是否为0 否 正确UID数据 传至上位机

发送Call命令

Call次数 清零

接收返回信号

返回无标签数 据至上位机

CRC校验 是否碰撞 否 记录正确 UID

返回主循环

接收返回信号

碰撞次数加1

记录返回UID时槽 返回无标签数据 包至上位机

图 4. 7 跳跃式动态树型算法流程图
47

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

4.4

ISO/IEC 18000-6C 协议程序设计
ISO/IEC 18000-6C 是 ISO 组织 2006 年 4 月公布的射频识别通信协议,工作频率为超高频。

该标准来源于 EPC Global class 1 Generation 2 协议,从制定之初即考虑了物流的需求,具有低 成本、高速识别的特点;受到工业界的支持,该标准得到了美国、欧盟等国际组织和国际企业 的广泛支持,应用范围最广,并且参与标准制定的绝大部分公司同意无条件共享知识产权。 ISO/IEC18000-6C 在识别速度、数据容量、防碰撞性能、信息安全性及系统抗干扰能力等方面 都比 ISO/IEC18000-6A/B 有了较大幅度的提高。 在当前以及未来的一段时间内, 将是 UHF RFID 的主要技术标准。ISO/IEC 18000-6C 协议具有以下优点: ? 频率覆盖范围广: 860MHz~960MHz 几乎覆盖了全球各国无线电频段规定的超高频范

围。因此符合本协议的不同生产商生产的设备之间可以具有很好的兼容性; ? 稳定性好、可靠性高:符合本协议的电子标签一般都具有较高的识别成功率和较远的

识别距离; ? 标签存储容量大: 符合本协议的电子标签在标签内部具有 96 字节的存储容量, 由于采

用了特定口令及存储安全机制,保证了访问的安全性。 ? 标签读写速度快: 在北美的超高频频段内(902MHz~928MHz), 在读写器的识别范围内,

每秒钟读取标签可达 1500 个。在欧洲超高频频段内(866MHz~869MH),在识别范围内,每秒钟 读取标签也有近 600 个。读取速率为普通高频 RFID 标签读取速度的 10 倍以上,因此可用于高 速 RFID 应用。 ? 安全性和保密性高:允许使用两个 32 比特的密码,一个用来禁用和销毁标签,一个用

来读写标签,并且在读写器和标签之间的单向通信也可以进行加密。 ISO/IEC 18000-6C 协议定义了 RFID 系统的空中接口、物理特性以及对读写器的要求,整 体可分为物理层和识别层。 物理层定义了读写器与标签通信的物理介质、编码方式、通信速率和调制方式等。为适应 不同的工作环境,使用不同的通信速率,保证了通信的正确率。读写器发起通信,发出的信号 采用 ASK 调制方式,脉冲间隔编码(pulse-interval encoding, PIE)方式,标签返回信号使用 FM0 或 Miller 编码。 识别层定义了读写器与标签通信过程中使用的命令,可以分为 3 大类: ? 选择(Select)命令,用于选定单个标签或标签群,只有那些被选中的标签或标签群才可

以接收其它的命令; ? ? 盘存(Inventory)命令,用于识别单个标签,通过盘存命令可以获得标签的唯一序列号; 存取(Access)命令,包括读、写、锁定、销毁等命令,只能作用于己识别的标签,访问

命令可以对标签的存储单元进行操作。
48

南京航空航天大学硕士学位论文

4.4.1

协议程序

AS3992 完全支持 ISO/IEC 18000-6C 协议,集成了调制、解调、编解码、校验和组成数据 帧的功能在协议中。 读写器通过选择、 盘存和存取三类基本指令对工作区间内的标签进行操作。 标签则有就绪(Ready)、仲裁(Arbitrate)、应答(Reply)、确认(Acknowledged)、开放(Open)、保护 (Secured)和灭活(Killed)7 个状态。 协议程序完成系统初始化、功率控制、AS3992 控制、通信方式与接口选择及防碰撞功能。 程序软件流程图,如图 4. 8 所示。
开始

上电复位 系统初始化

接收上位机命令 AS3992控制命令 功率控制命令

判断命令

读标签 命令

写标签 命令

接收 解码信息

功率控制

是否成功 是 返回正确信息

否 返回错误信息

是否成功 是 返回正确信息 是 否 返回错误信息

图 4. 8

ISO/IEC 18000-6C 协议主程序流程图

MCU 在读写器系统上电之后首先进行参数初始化以及通讯端口的选择, 接下来会处在循环 等待状态,等待着上位机发来控制命令亦或 AS3992 回传的信息。上位机能通过上位机里的程 序来向控制器传送读写标签或功率控制的命令。 如果是对 AS3992 的控制命令就转发至 AS3992, AS3992 就会完成相应的编解码、调制、解调、解析与数据帧形成等操作,操作完成之后会把处 理结果再回传。如果是功率控制的命令就转发至功率控制模块来对发送的功率进行控制,操作 完成后同样会对结果进行回传。

4.4.2

AS3992 控制

射频收发芯片 AS3992 的软件操作流程图如图 4. 9 所示, 上电以后 MCU 把 AS3992 配置参
49

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 数发送到射频收发芯片 AS3992 来进行系统初始化。初始化完毕,检测天线连接正确后,等待 主控制器发送来自上位机的控制命令。接收到控制命令后,AS3992 判断命令种类,并产生相应 的命令帧格式编码, 使用 ASK 调制方式调制到载波上经由天线发送出去。 然后等待是否有标签 进入天线识别范围内,超过一定时间没有标签进入就是等待超时,返回天线识别范围内无标签 的信息;如果有一个标签发回数据,根据检验结果获取相应标签信息;如果探测到天线识别范 围内有多个标签,程序将调用防撞算法来读取多个标签的信息。识别过程中返回的标签信息都 是由主控制器转发给上位机的,上位机管理软件根据标签信息发出相应的控制命令。
开始

上电复位

天线检测 否

是否成功 是 等待MCU发 送命令

错误处理

是否正确 是 发送命令编码



接收返回信息 向MCU发送 正确信息 是

调用防碰撞算法 是

校验和解码

是否碰撞



是否成功 否

向MCU发送 错误信息

图 4. 9

AS3992 控制操作流程图

4.4.3

改进的随机槽时隙算法

ISO/IEC 18000-6C 协议的标签防碰撞采用的是随机槽时隙防碰撞算法。其基本原理是:读 写器首先发送一定大小的信息帧,在识别标签的过程中,当出现过多的碰撞时隙(slot),读写器 就会立即重新发送一个更大的信息帧,在出现过多的空时隙时,读写器就会立即重新发送一个 小的信息帧。ISO/IEC 18000-6C 协议调整时隙参数 Q 的方法流程图见图 4. 10。

50

南京航空航天大学硕士学位论文 首先将浮点数 Qfp 初始化为 4,读写器会发送 Query 命令,命令中包含有时隙参数 Q。标签 就从 0~2Q-1 的范围内随机选取一个数做槽计数器的值,在槽计数器的值等于 0 的时候,标签进 入应答状态,标签被成功的识别后,就自动退出了识别系统。这时读写器会通过发送开始下一
Qfp=4

Q=(Qfp)四舍五入

阅读器发询问命令

Qfp=MAX(0,Qfp-C)

0 标签应答

>1 Qfp=MIN(15,Qfp+C)

1 Qfp=Qfp+1

图 4. 10 时隙参数 Q 的算法 个时隙的命令 QueryRep,使得标签槽计数器的值减 1,若此时槽计数器的值为 0(上一个时隙发 生碰撞的标签),就将其置为最大值 7FFFh。而当读写器认为有必要对时隙数进行更改,就会发 送命令 QueryAdjust 来对时隙参数进行更改,可使原有的 Q 值减 1 或加 1,这时读写器就会重 新产生一个槽计数器的值。调整 Qfp 的值需要通过检查应答标签的个数来实现,没有标签应答 时, 则减小 Qfp, 令 Qfp=MAX(0, Qfp-C);如果有多个标签应答, 或者说检测到碰撞时, 增大 Qfp, 令 Qfp=MIN(15, Qfp+C);如果只有 1 个标签应答,则 Qfp 不变。其中 C 是为 Qfp 的变化步长,是 在(0.1,0.5)范围内的一个浮点数,与 Q 值成反比,取值见表 4.1。 表 4. 1
Q 取值 1 2 3 4 5 6 7 8 帧大小 2 4 8 16 32 64 128 256 C 取值 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.4 0.3

C 取值表
Q 取值 9 10 11 12 13 14 15 帧大小 512 1024 2048 4096 8192 16384 32768 C 取值 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

此算法减少了系统的总体识别时间,提高了系统吞吐率,阅读器中初始帧长值(即 Q 值)的

51

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 设置不受限制。 但是如果 C 值过大, 帧长会频繁变化, 过小又不能迅速实现最佳帧的快速选择, 从而系统由于过于频繁的调整帧长而增加了功耗。 改进后的防碰撞算法流程如图 4. 11 所示。
开始

Query 否 是 T>T1+T2 是否应答 否 是 读取标签数加1 否 是 碰撞计数器加1 估算Q值 是否碰撞

空时隙计数器加1 否 是 T>T1+T2

QueryRep



是 N=M2



是否应答 是 否

是 碰撞时隙 计数器≥M1

读取标签 计数器加1

是否碰撞 否 是 碰撞计数器加1 否 空时隙计数器≥M1 是



是否重复N次 是



N≤M2 是

是否有标签 否 是 结束

QueryAdjust

图 4. 11 改进防碰撞算法软件流程图 多标签防碰撞过程如下: ? 在发送 Query 命令之前,要先进行计数器的初始化和归零,select 命令选择标签;若读

取 UHF RFID 读写器范围内的所有标签,设置 Length 参数为 0,若要选择特定标签,就设置命 令中的 Mask 参数。 ?
52

执行 Query(QueryRep)命令后,当延时大于 T 时,则表示没有标签应答,此时则认为

南京航空航天大学硕士学位论文 这个时隙为空时隙。于是读写器重新发送 Query(QueryRep 命令),开启一个新的盘存周期。 ? 标签槽计数器为 0,向读写器发送 RN16 之后,标签处于应答状态,若读取成功,则

标签计数器加 1。 ? 标签被识别之后,当在接收到 QueryRep 命令之后,会翻转标志(A→B),从而实现了

识别标签和未识别标签的分组,所以在调节 Q 值或者估算 Q 值之前,额外的加一个 QueryRep 命令,确认刚刚被识别的标签实现标志的翻转。 ? ? 若碰撞时隙和读卡成功时隙数都为 0,此时则认为读写器范围内无标签。 在实际工作过程中,也可以通过设置空时隙或者碰撞时隙超过某个值后,读写器立刻

发送 QueryAdjust 命令调整 Q 值的方式,来配合估算 Q 值的程序,以实现最佳帧的选择。

4.5

本章小结
本章主要是读写器系统的软件设计, 首先介绍了软件的总体设计, 其后是系统主程序设计,

ISO/IEC 18000-6B 协议模式下的程序设计包括编解码、CRC 校验和防碰撞算法,而 ISO/IEC 18000-6C 协议模式下的程序主要是对 AS3992 的控制与防碰撞算法。

53

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

第五章

样机测试与系统应用

基于以上各章的分析研究,开发研制了基于 AS3992 的超高频 RFID 读写器。按第三章的 硬件设计搭建了硬件平台,本章主要对读写器系统的样机进行了测试,分析了测试结果,同时 对读写器的应用系统进行了介绍。

5.1

样机测试平台
搭建测试平台需要的主要硬件: ? ? 射频模块:核心芯片是 AS3992、功率放大器 SPA2118 和环形器; ARM 开发板:S3C2440、SDRAM、NANDFlash、USB 和串口的通信电路以及 ARM

核心板的接口; ? ? 天线:频率 915MHz,匹配阻抗 50Ω,增益为 6dBi 的半波平板反射形天线,见图 5. 1; USB 电缆、RS232 电缆;

图 5. 1 天线实物图 样机测试平台实物如图 5. 2 示。其中图中数字标示部分为:①射频收发芯片 AS3992,②功 率放大器电路,③收发隔离电路,④连接至天线,⑤主控制器 S3C2440 ,⑥ SDRAM ,⑦ NANDFlash,⑧JTAG 接口电路,⑨外部时钟,⑩通信接口。
54

南京航空航天大学硕士学位论文

⑩ ⑨ ⑤⑧ ⑦ ① ⑥ ⑧ ④ ④
图 5. 2 样机测试实物图



② ② ③ ③



5.2

读写标签测试
将读写器与上位机通过串口连接起来,打开上位机中的控制软件,将读写器天线连接好之

后给读写器上电,点击控制软件上的扫描按钮,开始识别标签,当读写器读取到标签的信息, 就会把读取的标签信息上传到上位机,并在软件的控制界面上显示。 上位机控制软件采用 C#语言开发,控制界面如图 5. 3 所示。控制软件主要功能包括基本的 标签信息读写,标签数据长度设置、标签数据信息加密、标签访问权限和标签数据格式等的设 置,功率和跳频设置,标签读取数量与时间的显示,通过上位机软件还可以选择不同的天线和 协议来读取不同类型的标签。 程序烧写进 MCU 以后,给系统上电,然后首先测试软件控制程序是否以按照程序设定的 流程去控制射频收发芯片 AS3992 的状态,要了解它的当前工作状态,可以通过读取其内部的 相关寄存器值来实现。 在控制软件运行良好, AS3992 工作状态正常以后就可以开始进行标签测 试。

55

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

图 5. 3 控制软件界面图 在标签读取的测试中,在标签处于应答状态的时候接收 Query 命令然后返回数据,读写器 接收到正确的返回值后,则发送 ACK 命令读取该标签,标签在进入确认状态的过程中,会将 EPC 的全部数据信息传给读写器。在读写器解码后的缓存器中,即可取出已读取标签的数据。 若使用 Read 的命令,那么就要求标签处于开放或者保护状态,这样会增加读写器与标签之间 的通信,降低标签的读成功率。测试中,每个标注距离测试在 50 次,由近到远依次测试,结果 如表 5. 1 所示: 表 5. 1 读取标签测试结果
距离(米) 成功读取 5.0 50 6.0 50 7.0 50 7.5 50 8.0 44 8.5 31

在标签写入的测试中,写标签采用的是 Write 命令。该命令在测试中,仅仅向用户存储器 写数据,且在测试中,Write 写入一个字。强调指出:Write 命令最少写入一个字,最多写入 10 个字。读写器首先发送 Req_RN 命令,标签收到会返回一个新 RN16,读写器把要写入的数据 和标签返回的 RN16 异或进行加密,随后再将数据发送出去。每个标注的距离测试在 50 次,测
56

南京航空航天大学硕士学位论文 试结果如下表 5. 2 所示: 表 5. 2 写入标签测试结果
距离(米) 成功写入 2.5 50 3.0 50 3.5 50 4.0 50 4.5 42 5.0 29

分析测试结果,稳定读标签的最远距离是 7.5 米,稳定写标签的最远距离是 4 米。当超 过该距离,标签读写的成功率即开始快速下降。主要是因为读写器发射的能量有限。 在读写器多标签防碰撞测试中,选定在读写器稳定有效的识别范围内进行防碰撞测试,一 次放置了 50 个标签,在标签不重叠的情况下,经测试读写器可在 1 秒钟时间内全部识别,反复 测试 50 次,仅有两次漏读标签的情况发生,且漏读标签数没有超过 3 个。

5.3

样机测试分析
AS3992 芯片频率工作范围在超高频, 支持密集读写器模式, 输出功率与工作频率均可设置

调整,能够满足课题设计要求,经过对读写器样机读写标签的测试,得到如下系统性能指标: 工作频率:902~930MHz,典型频率 915MHz; 输出功率:20~25dB; 稳定读距离:7.5 米; 稳定写距离:4.0 米; 防碰撞性能:>30 个/秒。 结果分析:通过以上测试,读写器在控制软件的正常设置下能够完成对标签的读写操作, 多标签的防碰撞操作,且性能达到了预期的设计目标。

5.4

基于 RFID 的环卫车辆作业监控系统设计
随着城市建设的发展,城市的交通、环卫情况发生了巨大的变化,城市的市容建设,环境

卫生成为城市管理的重要工作之一。环境卫生专用车辆是环卫基础硬件的重要组成部分,如何 有效的使用,管理这些环卫车辆,成为城市管理者重要的工作任务。常见自动化管理有 GPS 车 辆定位管理等,基于 GPS 的车辆管理,能够实现动态车辆跟踪,但是 GPS 数据在城市道路上, 由于高层建筑物的干扰,存在在漂移或者盲区。同时,在桥梁、高架公路以及隧道等特殊路段, 存在无 GPS 信号的情况,属于监控盲区,无法获取准确的车辆信息,给车辆作业监控带来了漏 洞及安全隐患。 本文设计了一种基于 RFID 的环卫车辆作业监控系统,在环卫作业车上安装本课题设计的 超高频 RFID 读写器, ,在环卫车辆作业路径两侧的路灯杆上安装超高频 RFID 标签,通过读取 标签信息来确定车辆行驶路线,完成环卫车辆作业监控。
57

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

5.4.1

环卫车作业监控特点

环卫车辆功能较多,作业范围也很广泛,其主要具有以下三个方面的特点: ? 环卫车作业路线长,作业环境复杂。环卫车辆通常覆盖范围区域广,作业线路长,同

时作业线路上的环境较为复杂,可能存在隧道、桥梁、大厦等环境。 ? 环卫车作业路径基本固定。虽然环卫车辆覆盖范围广,作业距离长,但是环卫车作业

路径基本固定。固定的路径,给系统利用 RFID 实现监控,提供了可能。 ? 车辆功能复杂,需要监控参数多。通常,环卫车队由多种不同型号的特种作业车辆组

成,包括清扫车、洒水车、垃圾车等等。不同的车辆,有不同的参数和数据,这就要求监控系 统,有充分的扩容能力,能够监控到不同的作业数据。

5.4.2

车用超高频 RFID 工作模式及其选择

超高频 RFID 在车辆监控及定位中,主要工作在两种模式:标签移动-阅读器固定式,阅读 器移动-标签固定式。标签移动-阅读器固定式如图 5. 4,即标签固定在车上,随着车体移动而移 动,阅读器静止安装在地面或者其他物品上。阅读器移动-标签固定式如图 5. 5,阅读器固定在 车上,随着车体移动而移动,标签固定在安装面上不移动。 假设在车辆监控系统中,有 n 辆车需要监控,处于监控路程上,有 N 个监控点,超高频 RFID 阅读器单价 m1,超高频 RFID 标签单价 m2。 若系统工作于模式 1,即标签移动,阅读器固定,此时系统中需要 n 个标签,同时需要 N 的阅读器,系统总价大致为:N×m1+n×m2;若系统工作于模式 2,即阅读器移动,标签固定, 因为有 n 个车体,所以系统中需要 n 个阅读器,N 个标签,系统总价大致为:n×m1+N×m2。
UHF RFID阅读器

RFID电子标签

图 5. 4 模式 1 工作示意图 由于超高频 RFID 阅读器及抗金属超高频 RFID 标签制造成本均较高,且 m1>100×m2,所 以在不同的环境下选择工作模式时,需要权衡考虑。一般情况下,如果系统中需要监控的车辆 数远远大于需要监控的点数,则考虑使用模式 1。如普通车辆门禁系统,门禁处即可等效为一 个监控点,此时监控主体远远大于监控点数,考虑使用模式 1。如果系统中,监控点数远远大

58

南京航空航天大学硕士学位论文 于监控主体数,则优先选择模式 2。如特种车辆行车路径监控系统,此时监控点数远远大于监 控主体数,选择模式 2。

RFID电子标签

UHF RFID阅读器

图 5. 5 模式 2 工作示意图 在本系统中,监控点数远远大于监控主体数,所以选择模式 2。在系统的实施过程中,将 超高频 RFID 阅读器,安装在相关车辆上;同时,将超高频 RFID 标签安装于车辆行驶的沿线, 如路灯杆,路牌指示杆等。

5.4.3

环卫车辆作业监控系统设计

系统简化示意图如图 5. 6 所示,设总路径长度为 L,每隔距离 l1,设置一个标签,由于存 在往返行程,则在系统中,一共需要设置标签数 n 为 2L/l1 个。假设路面宽为 D,安装位置(如 路灯)距离路边的水平距离为 d1,标签安装高度为 h1,车载 RFID 阅读器安装高度为 h2,则车辆
Tag

R h1

Reader h2

D

d1

图 5. 6 系统工作简化示意图 沿着某一侧运行时,阅读器至标签之间的最远距离为:
2 ?D ? R ? ? ? d1 ? ? ? h1 ? h2 ? ?2 ? 2

(5.1)

在系统中,需要确保阅读器在最远端(路中央)时也能稳定读写标签。 (1) 系统链路预算设计
59

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 1)前向标签激活链路预算 若用 Pr_tag 表示耦合进入标签芯片的射频功率,则

Pr_tag ?

Pt_reader Gt_reader Gr_tag ? 2 X τ (4? R1 )2 Lp?

(5.2)

式中:Pt_reader、Gt_reader、Gr_tag 分别表示阅读器发送功率、阅读器发送天线增益、标签接收 天线增益,X 表示极化匹配,τ 表示功率传输系数,R 表示阅读器与标签距离。θ 表示由于贴附 不同材料的物品,致使标签天线增益的损耗系统,Lp 表示小尺度多径导致的路径损耗系数。其 中,τ/θ 与标签贴附的物体材料有关,Lp 与标签阅读器间电磁波传播路径有关。 当标签被阅读器发送的电磁波激活,并接收到有效指令后,标签芯片将根据内部控制逻辑 及存储的数据,更改负载,使天线在匹配和失配的状态转换,将阅读器发送的连续波信号散射 回阅读器接收天线。 在前向链路预算下,要保证阅读器能够稳定的读取到标签,则需保证 R1>R,
τ ? ? ? Pt_reader Gt_readerGr_tag X R1 ? ? ? Pth Lp? ? 4? ?

(5.3)

其中: Pth 为超高频 RFID 标签芯片灵敏度。推导得:
2 τ 2 ? ? ? Pt_reader Gt_reader Gr_tag X ?D ? ? ? ? d1 ? ? ? h1 ? h2 ? ? ? Pth Lp? ? 4? ? ?2 ?

(5.4)

一般情况下,标签增益,标签阈值功率,天线灵敏度均固定不变,仅仅是在天线上有可以 改变的地方,所以可以推得:

Gt_reader

2 ?? D (4? )2 2? ? ? P L ? ? d ? h ? h ? ? ? ? th p 1 1 2 ? ? ?? 2 ? Pt_reader Gr_tag X τ ? 2 ? ? ?

(5.5)

2)反向链路预算 本课题设计的读写器天线使用单天线收发隔离结构,由环形器隔离发送的连续载波和接收 到的微弱标签散射信号。 典型的读写器对标签返回信号的灵敏度在-80dBm 左右。 前向标签激活 链路损耗对标签最大可读写距离起决定性作用, 随着更加新颖的标签 RFIC 设计及 RFIC 工艺的 提高,读写器灵敏度和读写器收发天线布置形式将逐渐成为左右最大可读写距离的主要因素。 单一天线模式下,阅读器接收功率表示为:

Pr_reader ?

2 2 Pt_reader Gtr_reader Gr_tag ? 2 X 2M

(4? R2 ) 2 L2 p? 2

(5.6)

式中:M 表示标签调制因数,Gtr_reader 表示读写器单一天线的增益。

60

南京航空航天大学硕士学位论文

R2 ?

Gtr_reader Gr_tag ? X 4? Lp?

Pt_reader M Pts

(5.7)

在反向链路预算下,要保证阅读器能够稳定的读取到标签,则要求 R2>R,推算得:

Gt r_reader ?

4? Lp? Gt_tag ? X

Pts Prs M

2 ?? D 2? ? ? d ? ? h1 ? h2 ? ? ? 1 ? ? ?? 2 ? ? ? ?

(5.8)

其中,Prs 读写器接受灵敏度。 在本系统中,系统参数如表 5. 3 所示: 表 5. 3 系统参数表
参数 fc Gr_tag Gt_reader Pth Prs τ K η 定义 发射频率 标签天线增益 读写器输出功率 标签芯片灵敏度 读写器接收灵敏度 功率传递系数 阻抗匹配因子 功率转换效率 值 915 MHz 3 dBi 20 dBi -13 dBm -80 dBm 1 1 0.25

根据前向链路预算和反向链路预算综合系统参数计算得:天线增益 G 选择为 12dBi。 (2) 读写器车载环境下改进 在环卫车辆特定的工作环境下,要求 RFID 读写器能够随着车体进行移动,无法通过样机 传统的数据接口进行操作阅读器, 因此在本设计中, 增加采用了 GSM/GPRS 模块作为远程数据 传送的方式,系统组成框图如图 5. 7 所示。

远端服务器

GSM/GPRS 模块

超高频RFID 读写器

高增益天线

标签

系统供电系统

图 5. 7 系统组成框图 在本系统中, GPRS 模块采用 SIMCom 推出的四频段 GPRS 模块 SIM900, 其采购功能强大 的 ARM926EJ-S 核心,性能稳定,功耗低。车载超高频 RFID 读写器,通过 GPRS 模块连接无 线网络,并连接远程服务器端。通过 TCP/IP 协议,传输当前卡号等信息。远程服务端检测本机 IP 的固定端口号,实现实时的数据读取,卡号更新。
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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 (3) 应用系统软件设计 应用系统软件设计,主要包括系统数据帧设计、系统时间同步设计和系统总体软件设计。 1)系统总体软件设计 系统总体软件设计如图 5. 8 所示。系统在开机后先进行服务器连接。如若连接失败,则重 启系统,尝试重新连接。在远程服务器连接成功后,查看本地时间与服务器时间是否同步,不 同步则进行本地时间同步。系统同步完成后,进行阅读器相关操作,可以进行读卡以及远程数 据发送工作等。
启动

是否成功 连接服务器 是



是否更新本地时间 否



更新时间

是 是否有读卡 是 发送队列是否为零 否 发送队列数据



读取卡号

读取当前时间

发送完成

数据存入队列

图 5. 8 系统软件流程图 2)应用系统数据帧设计 系统与上位机的数据帧格式如表 5. 4 所示,由帧编号,阅读器编号超高频 RFID 标签数据 区、车辆传感器数据区以及发送时间戳。 其中帧编号是数据帧的发送序号; 阅读器编号为当前阅读器的标识号, 其对应着当前车辆。 超高频 RFID 标签数据区为当前读取到的标签卡号,根据标签值的不同,系统可以处理到当前 车辆的信息;车辆传感器数据区,发送当前车辆的传感数据,包括车辆运行状态,车载设备工 作状态等开关量信号。发送时间戳,为当前数据帧发送时间,用以辅助数据帧的发送顺序以及
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南京航空航天大学硕士学位论文 在通信链路拥堵时,数据缓存之后,上传时能到标识数据采集的时间,形成数据的一一对应。 表 5. 4 数据帧格式
0~15 帧编号 16~31 阅读器编号 超高频 RFID 标签数据区 车辆传感器数据区 发送时间戳

3)应用系统时间校准设计 上位机系统需要根据时间以及其对应的地点(标签号)描绘出车辆的形式轨迹。在网络中断 或者信号微弱的时候,会存在无法发送的情况,为了保证数据完整性,在系统中采取延时重发 的机制,在本地上存储读取数据。同时,数据采集时间,是数据的重要度量指标,为了保证本 地时间的准确性,系统采用本地时间保持和网络校时两种模式,来保证时间的准确性。 车辆行驶至安装有电子标签的路段,读取到 RFID 标签信息,通过 GPRS 模块与监控系统 远程服务器通信,传送该标签信息给系统,即可准确的获取到当前车辆位置信息,即使环卫车 辆在隧道或桥梁下,也能够实现环卫车行驶路径的监控。基于超高频 RFID 的车辆监控系统在 特种监控领域有着很好的实用价值。系统实际安装效果如图 5. 9 所示。

图 5. 9 应用系统设备安装示意图 基于超高频 RFID 的车辆监控系统,能够很好的实现对环卫车辆等领域的特种车辆进行监 控,克服了基于 GPS 系统的漂移及盲区等缺陷,可在隧道或者桥梁等无 GPS 信号的地方使用; 基于超高频 RFID 的车辆监控系统是一种离散的监控系统, 无法实现 GPS 系统实时连续的监控, 其更适合类似于环卫车辆这种有固定路线且对车辆实时路径要求不高的领域;车载 RFID 读写 器对于读写角度和速度有一定限制,因此车速不能过快,而环卫车辆日常作业情况下车速都较 慢,在实际使用过程中本课题设计的读写器完全满足监控系统的需求;基于超高频 RFID 的车

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 辆监控系统,要求在车辆途径的区域布置 RFID 标签,监控的精度跟区域内 RFID 标签的密度 成正比关系,一次性投入较多,但环卫车辆监控系统对于监控的精度没有很高的要求,因此成 本不会很高。

5.5 本章小结
本章在以上各章的研究基础上,搭建了样机测试平台,对读写器功能进行了测试。测试数 据表明样机基本达到设计要求。样机经过拷机测试,可长时间安全、稳定运行。还对读写器应 用系统——环卫车辆作业监控系统进行了介绍。

64

南京航空航天大学硕士学位论文

第六章

总结与展望

本课题在国内外学者研究成果的基础上, 对 UHF 频段的读写器进行了深入系统的研究, 对 其理论、研究现状、关键技术等都作了较全面的了解,主要针对读写器基带模块、射频模块和 软件系统进行了设计,完成了样机并进行了测试,结果表明性能指标达到了设计要求。本章对 全文的主要工作进行总结并对后期的研究进行展望。

6.1

工作总结
本课题主要围绕着 RFID 读写器基带与射频模块的设计与实现展开研究。课题从开题到撰

写本文共经历了前期方案论证、现有技术分析、方案可行性论证、主要芯片选型、硬件电路设 计、软件系统设计、功能指标测试、论文写作等几个阶段。本文完成的工作主要包括: (1) 针对读写器系统设计的性能指标,对读写器进行了总体方案的设计。首先根据现今读 写器主要设计方案对接收机结构进行对比,选择了零中频结构;其次,对读写器主控制器进行 选型;研究了主流射频收发模块的性能特点,基于读写器对射频收发模块的要求,经比较、分 析选择了 AS3992 芯片;最后对读写器天线结构进行分析,确定了单天线结构。 (2) 对超高频读写器的硬件进行了详细的设计。读写器基带模块的硬件电路主要包括主控 制器、时钟电路、复位电路、外部存储器电路、JTAG 接口电路和电源管理电路等。读写器射 频模块包括射频收发芯片、功率放大器电路和收发隔离电路等。 (3) 重点研究了读写器系统的软件方面。对系统软件进行了模块化划分,设计了主程序, 并根据射频收发芯片 AS3992 对 ISO/IEC18000-6B 协议和 ISO/IEC18000-6C 协议的不同支持程 度,分别进行了协议处理的程序。 (4) 对读写器系统样机进行了测试,并对实验结果与数据进行了分析,测试数据和结果表 明设计实现的读写器系统达到了性能指标中的各项要求,论证了读写器在环卫车辆作业监控系 统中的应用。

6.2 后期展望
超高频 RFID 是当今 RFID 技术的研究热点, 虽然本课题对超高频 RFID 读写器的设计取得 了一定的成果,达到课题设计的各项指标。但是由于时间和精力有限,目前的研究还不够完善, 可以改进和发展的地方还有很多。在本文的基础上展望后续工作,渴望在后期工作中能在以下 几个方面取得进展: (1) 在实际应用中读写器识别距离与天线辐射角度还不够理想,因此要针对这两方面进行
65

基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用 研究,提高读写器性能。 (2) RFID 技术的广泛应用离不开与网络的融合,因此要进一步扩展无线通信功能。 (3) 优化样机的工艺结构。因为本课题应用于环卫车辆上,系统的稳定性和抗干扰能力还 有待提高。

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南京航空航天大学硕士学位论文

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南京航空航天大学硕士学位论文

致 谢

时光如梭,转眼间研究生生涯就要结束了,在这两年多的学习生活中,我收获了很多。在 研究生论文工作即将完成之际,我在此衷心的感谢给予我指导和帮助的老师、朋友和同学。 首先要衷心感谢导师王成华教授,王老师渊博的专业知识、严谨的治学态度、勤恳的工作 作风、对学生无微不至的关怀让我耳濡目染,受益匪浅,这些都为我今后的工作、生活树立了 榜样。感谢导师对我苦口婆心言传身教,不仅传授我专业知识和科研技能,还教会了我很多做 人做事的道理。在此谨向尊敬的王老师表示最真挚的感谢! 感谢硕士期间的学长陈学强、陈春柳、欧阳静、杨伟、王长仟、刘智,感谢一直和我一起 工作学习的同学卜权、陈超、王心一、崔益军、陈庆霆以及实验室其他的师弟师妹们,在共同 的工作和学习生活中,大家互相帮助,互相勉励,好像一个快乐的大家庭,使我度过了一个愉 快而又丰富多彩的研究生生活。感谢舍友赵滨、陈捷、单寅,我们一起学习生活,交流心得, 分享彼此的快乐,那些日子弥足珍贵。 在此还要特别感谢我的父母和家人。感谢父母赐予我宝贵的生命,多年来对我悉心教导和 培养。家人无私的爱、包容的心和对我学业的鼎力支持,使我可以全身心投入到学业中来。我 的每一点成绩都饱含他们的关爱,在以后的人生道路上我会时刻铭记和珍惜。 感谢为审阅此文付出辛勤劳动的各位专家、老师。 谨以此文献给所有关心、支持和帮助我的家人、老师、同学和朋友们!

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基于 AS3992 的 UHF RFID 阅读器设计及其应用

在学期间的研究成果及发表的学术论文
攻读硕士学位期间发表或录用论文情况
[1] 李占川, 王成华, 崔益军. 基于AS3992的超高频RFID读写器设计[C]. 第三届电子与信息 工程国际会议. 2011. (ISTP检索)

攻读硕士学位期间参加科研项目情况
[1] 基于手机的RFID设计, 南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金,主要负责 人。 [2] 基于超高频RFID的军车智能门禁系统,空军后勤某部委托项目,主要负责射频部分的电路 设计。

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基于AS3992的超高频RFID读写器设计与应用
作者: 学位授予单位: 李占川 南京航空航天大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D281027.aspx


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