基于DSP的RFID读写器设计

　　RFID射频识别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，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。RF技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向传输数据，已达到目标识别和数据交换的目的。我国的第2代身份证即采用了RFID技术，世界上的零售商沃尔玛也要求其的100个供应商从2005年1月1日起开始采用RFID技术。

　　1、RFID概述

　　一个基本的RFID系统如图1，有以下几部分组成：标签（Tag，即射频卡）：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。阅读器：读取（在读写卡中还可以写入）标签信息的设备。天线：在标签和读取器间传递射频信号。有的系统还通过阅读器的RS232或者RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换。

　　电子标签的工作频率有3种：低频、中频和高频。读写器首先从后台计算机接收命令，然后将命令数据按照ISO标准进行编码调制并通过天线发射出去，处于读写器工作区的电子标签接收命令数据通过改变能量强度发射响应信息，读写器通过天线接收电子标签的响应信号，进行解调解码后传送给上位机做进一步处理。

　　2、读写器的设计

　　2.1读写器的控件

　　在本读写器的设计中采用的控制器件是DSMS320F2812，它是TI公司2003年推出的32bit定点DSP芯片。主频可达150MHz，128kbit的Flash，18kbit的RAM，16通道的12bitADC，支持ANCIC/C++。由于TMS320F2812内部集成了16通道的12bitADC，故无须再外扩ADC，这样可以使硬件电路变得更简洁。

　　读写器即对应于射频标签读写设备，读写设备与射频标签之间必然通过空间信道实现读写器向射频标签发送命令，射频标签接收读写器的命令后做出必要的响应，由此实现射频识别。通过读写器实现的对射频标签数据的无接触收集或由读写器向射频标签中写入的标签信息均要回送的应用系统中或来自应用系统，这就形成了射频标签读写设备与应用系统程序之间的接口API（Application Program Interface）。一般情况下，要求读写器能够接收来自应用系统的命令，并且根据应用系统的命令或约定的协议作出相应的响应（回送收集到的标签数据等）。

　　2.2读写器的硬件设计

　　读写器的硬件组成，如图2所示，是一个基于TMS320LF2812的DSP系统，完成与电子标签和上位机的双向通信，其中DSP在与电子标签的数据交换中完成编码和解码的功能。

　　DSP产生脉冲位置编码，控制13.56MHz载频的输出，实现脉冲位置调制。调制电路输出信号的功率很弱，需将此信号进行功率放大，然后经过滤波和调谐后加到天线上，以提高对卡的操作距离。功率放大电路采用NPN型的射频功率晶体管MRF426，发射功率为4w，工作频率可达25MHz。天线线圈在13.56MHz的工作频率时表现为阻抗z，为了实现与50Ω系统的功率匹配，系统通过无源的匹配电路将此阻抗转换为50Ω，然后通过50Ω的同轴电缆将功率从读写器末级传送到天线匹配电路。

　　在设计过程共配有4个天线，可根据不同的距离需求调换。在ISO15693协议中，电子标签到读写器的数据采用负载调制的方式（同时使用副载波）进行发射，即首先将曼彻斯特编码的信号加载到副载波（有ASK单副载波423.75kHz和FSK双副载波423.75kHz、484.28kHz两种方式），然后再将信号加载到主载波13.56MHz上。里所得的曼彻斯特码波形没有经过抽样判决是模拟信号，经过DSP的片上AD采样、处理、判决后进行解码和校验，完成整个信号的接收处理过程。

　　2.3读写器的软件设计

　　在ISO15693标准中，从读写器到电子标签的数据编码采用脉冲位置调制方，电子标签支持两种编码模式，一种是1/256模式，一种是1/4模式。在1/256模式中，一个字节的值由脉冲的位置表示，脉冲的位置在连续的256个时间周期的某一处，一个脉冲的位置确定一个字节的两位（00，01，10或11），如图3所示，4个连续的循环确定一个字节，传输一个字节需要302.08μs。

　　两种编码模式的实现方法基本相同，首先根据要编码的数据x确定脉冲前后高电平的时间（对1/256模式，分别为X318.88μs和（FF—x）318.88μs），然后顺序调用脉冲前的高电平产生子程序、脉冲产生子程序和脉冲后的高电平产生子程序即可。本设计方安选用1/4模式编码，使用4取1脉冲位置调制模式，这种位置决定2个位。4个连续的位对构成1个字节，首先传送的位对。例如：图3示出了VCD（读写器）传送E1=（11100001）b=225。

　　2.4设计结果分析

　　读写器从电子标签接收的数据是按帧发送的，每一帧包括帧头（SOF）、数据和帧尾（EOF），帧尾前是2个字节（16位）的CRC校验值。本读写器接收数据的帧头波形如图4，接收数据的帧未波形与帧头波形相反。读写器接收数据的波形如图5所示，启始部分是接收命令，第二部分是帧头，第三部分是传输数据，是帧尾。读写器在向电子标签发出一个命令后即开始采样，如果在一定的时间内接收到SOF，说明有返回信号，则继续采样，直至接收到EOF;否则，立即返回。

　　在实际实验中读写器的读写距离、信号强弱、噪声干扰的大小对读写的准确度有较大影响。对信号的判别比较容易，解码方便，结果也比较准确。但当电子标签距离读写器的天线较远但又在读写器的工作范围之内时，信号的强度与噪声相当，判决门限很难选取，需要对采样信号进行滤波，然后自适应地选定判决门限，提高读写距离和读写。

　　2.5防冲突程序设计

　　防冲突程序设计是读写器程序设计中的一个重要组成部分。防冲突序列的目的，是在VCD工作域中产生由VICC的惟一ID（UID）决定的VICCs目录。VCD在与一个或多个VICCs通讯中处于主导地位。它通过发布目录请求初始化卡通讯。当读写器进入工作状态时，在其天线覆盖范围内的所有标签将被激活，处于等待状态，随时准备响应读写器指令操作，这就造成了标签读写冲突。为了解决这一问题，标签内部设计了自带防冲突机制，只需利用相关的指令集辅助设计一种防冲突程序即可。

　　防冲突程序流程图，如图6所示。当处于激活状态的标签接收到读写器SELECT命令时，便发送自身UID给读写器。此时如果有一个以上的标签同时发送UID，则读写器判定冲突发生，发送FAIL命令给标签，标签通过内部防冲突算法对自身相关参数值进行修改之后，符合条件的标签将再次发送UID给读写器，由读写器判定冲突，重复上述操作，直到只有一个标签符合条件，则跳出防冲突程序，进入标签后续处理程序。同时，剩余标签自动修改自身相关数值，为下读取做准备，如果此时没有符合条件的标签，则读写器发送SUCCESS命令，标签修改自身参数，等待读写器检测命令。

　　3、结束语

　　文中基于RFID的国际标准ISO15693，设计了工作于13.56MHz的RFID读写器，可以进行全方向读写标签的新型读写设备，配有输入输出IO、RS232、RS485及CAN总线等通信接口，配备有两个天线，读写距离可以达到1.5m-1.8m左右，多卡识别能力达到每秒45张，可以有效地满足各类RFID应用领域的需求。基于该读写器的门禁系统已经在实际中得到应用，实际效果良好，适应于各方面的应用。

  

参考文献:

[1]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[2]. RS485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[3]. TMS320F2812 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[4]. MRF426 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MRF426_577052.html.
[5]. 25MHz datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/25MHz_1136611.html.
[6]. ISO15693 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ISO15693_2354384.html.