基于AS3990芯片的UHF手持讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：AS3990 UHF

1.引言

無(wú)線射頻技術(shù) RFID(radio frequency identification)是20 世紀(jì)90 年代興起的一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用其射頻信號(hào)空間傳播的特性——通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。識(shí)別過(guò)程不需要物理接觸，不需要人工管理即可完成標(biāo)簽信息的寫(xiě)入和讀取。采用RFID 技術(shù)，可以一次性實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別。此外，電子標(biāo)簽是可讀寫(xiě)的，能儲(chǔ)存大量信息，安全性保密性強(qiáng)，并且不怕外部灰塵、污漬等，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。正是由于具有這些其它識(shí)別方式不具備的優(yōu)勢(shì)，RFID 技術(shù)在物流、運(yùn)輸、交通、生產(chǎn)、防偽等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和巨大的發(fā)展前景。

本文以 AS3990 芯片為核心設(shè)計(jì)一種以MSP430f149 芯片為控制器的超高頻RFID 手持式讀寫(xiě)器。對(duì)于符合EPCGen2 標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽，它能完成的所有讀寫(xiě)及控制操作。其移動(dòng)智能管理功能主要應(yīng)用在物流、供應(yīng)鏈、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)合。

2.系統(tǒng)概述及設(shè)計(jì)原理

在無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)中，RFID讀寫(xiě)器是用來(lái)識(shí)別標(biāo)簽并將采集到的數(shù)據(jù)信息送入后臺(tái)進(jìn)行處理的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)保證RFID 系統(tǒng)的正確性和可靠性工作中具有關(guān)鍵作用。同時(shí)RFID讀寫(xiě)器也可以對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行寫(xiě)操作，將信息存儲(chǔ)在標(biāo)簽中。讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)是完全以ISO/IEC18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為基礎(chǔ)的。

2.1 ISO/IEC18000 -6C 協(xié)議簡(jiǎn)介

ISO/IEC18000-6C 協(xié)議規(guī)定在數(shù)據(jù)傳輸時(shí), 先傳輸高字節(jié), 并且其前向鏈路的調(diào)制方式都是采用ASK, 并用PIE 編碼, 防沖突算法是基于概率和分槽算法;其后向鏈路則是通過(guò)反向散射調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸, 可以選擇密勒編碼或者FM0 編碼。6C 標(biāo)準(zhǔn)采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的加密算法以防止在讀寫(xiě)器獲取標(biāo)簽信息的過(guò)程中, 把敏感數(shù)據(jù)擴(kuò)散出去。此算法僅在讀寫(xiě)器給標(biāo)簽傳送數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)信息進(jìn)行加密, 而標(biāo)簽傳送到讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)信息是不加密的, 其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是讀寫(xiě)器將從標(biāo)簽獲得一個(gè)16bit 寬隨機(jī)數(shù)與將要傳送的16bit 寬數(shù)據(jù)進(jìn)行模2 和計(jì)算得到密文, 然后由標(biāo)簽解密獲得讀寫(xiě)器發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。

2.2 防沖突機(jī)制

在標(biāo)簽內(nèi)具有一個(gè)16 位的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，以解決防沖突算法問(wèn)題。查詢(xún)命令含有槽計(jì)數(shù)器參數(shù)Q。標(biāo)簽在收到查詢(xún)命令后, 參與標(biāo)簽應(yīng)在 (0,2 Q -1 )范圍內(nèi)挑選一個(gè)隨機(jī)數(shù)值, 并將該挑選的數(shù)值載入其計(jì)數(shù)器, 挑選數(shù)值為零的標(biāo)簽會(huì)轉(zhuǎn)換成應(yīng)答狀態(tài), 并立即進(jìn)行應(yīng)答挑選數(shù)值非零的標(biāo)簽則應(yīng)轉(zhuǎn)換成仲裁狀態(tài),并等待發(fā)出查詢(xún)調(diào)整或查詢(xún)命令。

詢(xún)問(wèn)機(jī)采用的是三個(gè)基本操作來(lái)管理標(biāo)簽群，即選擇、盤(pán)存、訪問(wèn)。每個(gè)操作均由一個(gè)或一個(gè)以上的命令組成。三個(gè)基本操作的定義如下：

(1) 選擇: 讀寫(xiě)器選擇標(biāo)簽群以便于盤(pán)存和訪問(wèn)的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)機(jī)可以用一個(gè)或多個(gè)的選擇命令在盤(pán)存之前選擇特定的標(biāo)簽群。

(2) 盤(pán)存: 詢(xún)問(wèn)機(jī)識(shí)別標(biāo)簽的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)機(jī)在四個(gè)通話的其中一個(gè)通話中傳輸查詢(xún)命令,開(kāi)始一個(gè)盤(pán)存周期, 一個(gè)或多個(gè)的標(biāo)簽可以應(yīng)答, 詢(xún)問(wèn)機(jī)檢查某個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答, 請(qǐng)求該標(biāo)簽發(fā)出PC、EPC 和CRC-16。

(3) 訪問(wèn): 詢(xún)問(wèn)機(jī)與各標(biāo)簽交易的過(guò)程，即讀取或?qū)懭霕?biāo)簽。訪問(wèn)前必須要對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別, 訪問(wèn)由多個(gè)命令組成。若多個(gè)標(biāo)簽應(yīng)答，讀卡器通過(guò)檢測(cè)和解決波形的沖突, 可以解決其中一個(gè)標(biāo)簽發(fā)來(lái)的16bit 密鑰, 其他未解決的標(biāo)簽會(huì)收到錯(cuò)誤的16bit 密鑰, 并返回仲裁狀態(tài)。發(fā)出查詢(xún)命令后將啟動(dòng)一個(gè)盤(pán)存周期, 詢(xún)問(wèn)機(jī)發(fā)出一個(gè)或多個(gè)的查詢(xún)調(diào)整或重復(fù)查詢(xún)命令。查詢(xún)調(diào)整命令只是重復(fù)以前的查詢(xún)命令, 可以令Q 增值或減值, 但不會(huì)將新的標(biāo)簽引入該盤(pán)存周期。重復(fù)查詢(xún)命令則重復(fù)以前的查詢(xún)命令, 但參數(shù)不變, 也不會(huì)將新的標(biāo)簽引入該盤(pán)存周期。處于仲裁或應(yīng)答狀態(tài)的的標(biāo)簽收到查詢(xún)調(diào)整命令后，首先調(diào)整 Q, 然后在(0,2 Q-1 )范圍內(nèi)挑選一個(gè)隨機(jī)數(shù)值, 將該數(shù)值載到槽計(jì)數(shù)器內(nèi)。挑選數(shù)值為零的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)換到應(yīng)答狀態(tài)并立即應(yīng)答; 挑選數(shù)值非零的標(biāo)簽應(yīng)轉(zhuǎn)換到仲裁狀態(tài), 并等待下次命令。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主要芯片介紹

MSP430 采用了目前流行的精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令，使MSP430 在8MHz 晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS。其有多達(dá) 64KB 尋址空間包含ROM、RAM、閃存RAM 和外圍模塊。MSP430 系列單片機(jī)結(jié)合TI 地高性能模擬技術(shù)，各成都集成較豐富的片內(nèi)外設(shè)。視型號(hào)不同可能組合有以下功能模塊：看門(mén)狗，模擬比較器A，定時(shí)器A，定時(shí)器B，串口0、1，硬件乘法器，液晶驅(qū)動(dòng)器，10 位及更高精度ADC、DAC 等。同其它微控制器相比，MSP430 系列單片機(jī)可以大大延長(zhǎng)電池的使用壽命，并且具有ESD 保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)。

AS3990HUF 讀寫(xiě)器芯片是一個(gè)具有集成模擬前端和交換協(xié)議系統(tǒng)的900M讀寫(xiě)器系統(tǒng)。并且它符合ISO18000-6C(EPCGen2 專(zhuān)門(mén)用于物流管理)的標(biāo)準(zhǔn)。它具有低壓傳輸碼、低壓解碼器、CRC 碼效驗(yàn)、可選擇的時(shí)鐘輸出，具有20mA 內(nèi)的電壓輸出供外部設(shè)備使用，為RF 輸出階段提供電壓、具備 ASK(鍵控)和PR-ASK 調(diào)制(其中ASK 為可調(diào)式調(diào)制)、支持跳頻、斷電，待機(jī)和工作三種模式，還可以可以用USB 供電。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 射頻模塊設(shè)計(jì)：射頻模塊部分以AS3990HUF 為核心芯片，外接功放使其功率滿足遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)傳輸所需的必要條件。射頻部分是讀寫(xiě)器最前端部分，當(dāng)控制電路發(fā)送來(lái)收發(fā)指令時(shí)，射頻電路就會(huì)完成發(fā)送指令的載波調(diào)制并向射頻標(biāo)簽發(fā)送載波，以及對(duì)返回的接收信號(hào)的解調(diào)處理并且將處理后的基帶信號(hào)傳送給控制電路。

3.2.2 數(shù)字模塊設(shè)計(jì)：數(shù)字部分設(shè)計(jì)是以MSP430 系列單片機(jī)為核心芯片，數(shù)字部分的主要功能包括實(shí)現(xiàn)發(fā)送到標(biāo)簽命令的波形編碼、返回信號(hào)的解碼、讀寫(xiě)命令流程控制、差錯(cuò)控制、發(fā)送控制命令和接受數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)應(yīng)用程序之間的接口協(xié)議，輸入和輸出信號(hào)的采集和處理、實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器功能的相關(guān)算法、控制射頻電路的工作模式等(包括對(duì)輸出功率，讀標(biāo)簽方式，載波頻率等的控制)

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