電子標(biāo)簽識讀終端的研究與設(shè)計

       電子標(biāo)簽和識讀終端是構(gòu)成射頻識別系統(tǒng)的基本條件。本文對低頻電子標(biāo)簽與識讀終端之間的作用基理進(jìn)行了研究分析，據(jù)此提出了以基站芯片EM4095為射頻接口的識讀終端硬件設(shè)計，并對解碼程序設(shè)計中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了具體論述。

       1 引言 

       射頻識別(RFID)是利用無線方式對電子數(shù)據(jù)載體(電子標(biāo)簽)進(jìn)行識別的一種新興技術(shù)。與接觸式Ic卡和條形碼識別等系統(tǒng)比較，它有著巨大的優(yōu)勢。利用射頻識別技術(shù)，能有效實現(xiàn)對數(shù)量大、分布區(qū)域廣的信息進(jìn)行智能化管理，達(dá)到高效快捷運(yùn)作的目的，特別是在物流、交通航運(yùn)、自動收費(fèi)、服務(wù)領(lǐng)域等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 

       針對工作頻率為100kHz一150kHz的電子標(biāo)簽EM4100．本文提出了其識讀終端的設(shè)計。 

       2 無源射頻芯片EM4100工作基理 

       EM4100系列為微型低功耗電子標(biāo)簽芯片，工作頻率范圍為100kHz～ 150kHz，主時鐘及工作電源取自識讀器發(fā)射的信號。作為接收天線的線圈和微芯片已連好并封裝在一起。內(nèi)部電路分模擬模塊和數(shù)字模塊2大部分。模擬模塊包括：全波整流電路，時鐘提電路，調(diào)制電路；數(shù)字模塊包括：序列發(fā)生器，只讀存貯器．?dāng)?shù)據(jù)編碼器。 

        無源電子標(biāo)簽與識讀器之間的作用距離滿足關(guān)系r<<λ(工作波長)，根據(jù)天線理論，屬于天線近區(qū)場(即感應(yīng)場)。因此，電子標(biāo)簽天線與識讀終端天線之間的作用是基于電磁感應(yīng)原理，等效電路見圖1。其中，Ll為識讀器發(fā)射天線電感，L2為電子標(biāo)簽線圈電感，R2為電子標(biāo)簽線圈的內(nèi)阻，R L為電子標(biāo)簽諧振回路的等效負(fù)載。 

        互感M在 L2上產(chǎn)生的電壓 作為 L2回路的信號源，由等效電路可推得回路的輸出電壓表達(dá)式： 

       在其他因素不變時，若識讀終端發(fā)射的信號頻率與該諧振電路的諧振頻率()   相等，則輸出電壓最大；偏離諧振頻率時，電壓將快速減小。諧振信號經(jīng)整流濾波后作為片工作電源，當(dāng)該電壓值達(dá)到EM4100的要求時，芯片啟動工作。該諧振電路的輸出電壓值取決于Q值、交變磁場強(qiáng)度及頻率。顯然，電子標(biāo)簽與識讀終端之間的距離直接影響該電壓值。 

        在時鐘提取電路從線圈感應(yīng)信號提取的主時鐘作用下，序列發(fā)生器發(fā)出存儲器尋址、數(shù)據(jù)串行輸出控制、數(shù)據(jù)編碼控制等信號。芯片內(nèi)存貯有唯一的64bit代碼：9bit起始位、40bit信息位、14bit校驗位、lbit停止位。代碼經(jīng)編碼后控制調(diào)制器中的電流開關(guān)．實現(xiàn)對f0=125kHz載波進(jìn)行調(diào)幅。每bit數(shù)據(jù)的時間寬度與載波周期的比率有3種選擇：64、32、16。數(shù)據(jù)信號控制應(yīng)答器天線負(fù)載的接通和斷開．識讀器天線上電壓將跟隨變化，實際是應(yīng)答器(電子標(biāo)簽)數(shù)據(jù)對識讀器天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制，實現(xiàn)了應(yīng)答器數(shù)據(jù)向識讀器的傳輸。這就是所謂的負(fù)載調(diào)制。在識讀終端有效作用范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽循環(huán)發(fā)送64bit代碼數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向識讀終端的傳送。 

       3 識讀終端硬件系統(tǒng)設(shè)計 

      3．1功能分析 

        根據(jù)上述識讀終端與無源電子標(biāo)簽作用過程．識讀終端應(yīng)實現(xiàn)以下功能：1．發(fā)射射頻信號。信號頻率應(yīng)等于電子標(biāo)簽接收回路的諧振頻率，信號有足夠的強(qiáng)度．以啟動電子標(biāo)簽工作并滿足對作用距離的要求。2．接收電子標(biāo)簽發(fā)射的射頻信號，并解調(diào)出其中的數(shù)據(jù)。3．?dāng)?shù)據(jù)解碼及后續(xù)處理。終端硬件系統(tǒng)實現(xiàn)前2項功能，第3項功能由識讀終端軟件系統(tǒng)實現(xiàn)。 

       3．2射頻接口電路設(shè)計與實現(xiàn) 

       射頻接口電路實現(xiàn)啟動電子標(biāo)簽和信號解調(diào)。系統(tǒng)采用RFID專用無線基站芯片EM4095設(shè)計了電子標(biāo)簽與識讀終端主控模塊之間的射頻接口電路。EM4095功能原理見圖2。 

       EM4095兼容多種傳輸協(xié)議(如EM4OOX、EM4150等)，利用內(nèi)部鎖相環(huán)PLL就可得到與天線適合的諧振頻率，而不需外接晶振，工作頻率100kHz一150kHz，具有睡眠模式，與微控制器的接口簡單，采用調(diào)幅同步解調(diào)技術(shù)，工作電壓5V。芯片T作受輸入信號SHD和MOD控制。MOD=0時。芯片工作于只讀模式。 

        SHD=I時，為睡眠模式。芯片供電之后，SHD應(yīng)先為高電平，以對芯片進(jìn)行初始化，然后再接低電平，芯片即發(fā)射射頻信號；同時。解調(diào)模塊將天線上AM信號中攜帶的數(shù)字信號取出，并由DEMOD— 0UT端輸出。RDY／CLK端向微控制器提供芯片內(nèi)部的狀態(tài)以及與發(fā)射信號同步的參考時鐘。SHD=I時，RDY／CLK端輸出低電平；SHD由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，?jīng)過約35ms，RDY／CLK端輸出同步時鐘信號，該參考時鐘信號的出現(xiàn)表示發(fā)射模塊和接收模塊已經(jīng)啟動。通過查詢RDY／CLK端信號狀態(tài)，微控制器即可確定從DEMOD—OUT端接收數(shù)據(jù)的時刻。 

        鎖相環(huán)PLL、天線驅(qū)動器、調(diào)制器組成射頻信號發(fā)送模塊。其中PLL由環(huán)路濾波器、相位比較器、壓控制振蕩器組成。天線線圈接收的信號通過耦合電容輸入DEMOD IN端，該信號與天線驅(qū)動器的輸入信號由相位比較器進(jìn)行相位比較，形成與相位差對應(yīng)的電壓，作為壓控振蕩器的控制信號，最終實現(xiàn)對天線發(fā)射信號頻率的鎖定。 

       接收模塊由采樣保持器、濾波器、比較器組成。DE—MOD IN端輸入的AM信號在VCO輸出信號的同步控制下被采樣，采樣輸出信號由端腳CDEC外接的電容隔離直和帶通濾波采樣(消除輸出中的載頻成分、高頻和低頻噪聲)后，經(jīng)異步比較得到對應(yīng)的數(shù)字信號。 

      3,3 主控模塊 

       微控制器負(fù)責(zé)啟動EM4095并接收由EM4095解調(diào)的編碼數(shù)據(jù)。采用AT89C52作為微控制器，其內(nèi)部集成了8KB的Flash程序存貯器，256B的RAM， 具有低功耗工作模式。EM4095的DEMOD OUT端接P1．0，EM4095的SHD接P1．1EM4095輸出的參考時鐘信號RDY／CLK端接TO，用作解碼的同步時鐘。AT89C52從電子標(biāo)簽讀取來的編碼數(shù)據(jù)存貯在EEPROM芯片 AT24C64中?？伤就ㄟ^ MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與上位機(jī)的通信。識讀終端硬件原理見圖3。 

       AT89C52通過P1．1發(fā)出控制信號啟動EM4095工作，若有效作用范圍內(nèi)有電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽接收EM4095發(fā)射的射頻信號能量后發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的編碼信號，AT89C52通過監(jiān)測P1．0的狀態(tài)，判斷是否收到射頻接口解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)，由軟件完成數(shù)據(jù)的接收及后續(xù)的處理任務(wù)。 

       4 軟件設(shè)計分析 

       終端軟件要解決的關(guān)鍵問題是如何正確接收數(shù)據(jù)，并解碼。本系統(tǒng)選用的電子標(biāo)簽為Manchester碼型，電子標(biāo)簽編碼器輸出信號、EM4095解調(diào)輸出信號的波形見圖4。 

       4．1解調(diào)輸出波特點(diǎn) 

       電子標(biāo)簽中的64bit數(shù)據(jù)以NRZ形式的波形串行送人編碼器，經(jīng)編碼后輸出Manchester碼波形。其編碼規(guī)則為：在一個編碼時鐘周期的中間以一個上跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”：在一個編碼時鐘周期的中間以一個下跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”。 

        編碼輸出信號作負(fù)載調(diào)制的控制信號，編碼輸出波形中的低電平使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于高電流，編碼輸出波形中的高電平則使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于低電流。因此，標(biāo)簽發(fā)給EM4095的已調(diào)信號，經(jīng)解調(diào)輸出的波形與標(biāo)簽編碼輸出的波形為反相關(guān)系，即：時鐘周期中間的下跳變表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”，時鐘周期中間的上跳變波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”。根據(jù)圖4的波形，連續(xù)“0”和連續(xù)“1”對應(yīng)的波形是相似的，只是它們之間為反相關(guān)系。因此，如果簡單地把上升沿或下降沿作為數(shù)據(jù)采樣時刻，會出現(xiàn)“0”譯為“1”或“1”譯為“0”的錯誤。 

      4．2解碼軟件設(shè)計思路 

       解碼程序要解決的主要問題是如何防止“0”與“1”之間的倒譯。根據(jù)DEMOD OUT端輸出波形。若DEMOD OUT端連續(xù)輸出一個下跳變和一個上跳變，則肯定是解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)。 

       只在以下2種情況會出現(xiàn)上跳變：數(shù)據(jù)“0”編碼周期的中間：相鄰數(shù)據(jù)都是“1”時，它們波形中間也出現(xiàn)上跳變。但這2種情況存在如下差別：上跳沿與前一個下跳沿之間的低電平持續(xù)時間不同。若該低電平維持時間大于32個載波周期，則是數(shù)據(jù)“o”編碼周期中間時刻的上跳沿。因此，用指令查詢P1．o的電平，先找一個下跳變，找到后立刻啟動T0對RDY／CLK參考時鐘計時，接著找到緊隨其后的上跳變，若此時 的計時時間大于32個載波周期，該上跳變位于數(shù)據(jù)“0”編碼周期中間時刻，該上跳變是接收數(shù)據(jù)的時間起點(diǎn)。由于每位數(shù)據(jù)對應(yīng)波形中的高、低電平均為32個射頻載波周期，以上跳時刻為起點(diǎn)延40個載頻周期后接收第1個數(shù)據(jù)。然后重新啟動計數(shù)器TO，RDY／CLK端輸出的參考時鐘周期等于射頻載波周期，數(shù)據(jù)編碼時鐘周期又固定為該參考時鐘周期的64倍，將Tn設(shè)置為每隔64個載波周期中斷1次，在Tn中斷服務(wù)程序中讀P1．0上的數(shù)據(jù)。 

       根據(jù)電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，按上述接收方式首先找作為起始位的9個存在如下差別：上跳沿與前一個下跳沿之間的低電平持續(xù)時間不同。若該低電平維持時間大于32個載波周期，則是數(shù)據(jù)“o”編碼周期中間時刻的上跳沿。因此，用指令查詢P1．o的電平，先找一個下跳變，找到后立刻啟動T0對RDY／CLK參考時鐘計時，接著找到緊隨其后的上跳變，若此時 的計時時間大于32個載波周期，該上跳變位于數(shù)據(jù)“0”編碼周期中間時刻，該上跳變是接收數(shù)據(jù)的時間起點(diǎn)。由于每位數(shù)據(jù)對應(yīng)波形中的高、低電平均為32個射頻載波周期，以上跳時刻為起點(diǎn)延40個載頻周期后接收第1個數(shù)據(jù)。然后重新啟動計數(shù)器TO，RDY／CLK端輸出的參考時鐘周期等于射頻載波周期，數(shù)據(jù)編碼時鐘周期又固定為該參考時鐘周期的64倍，將Tn設(shè)置為每隔64個載波周期中斷1次，在Tn中斷服務(wù)程序中讀P1．0上的數(shù)據(jù)。 

       根據(jù)電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，按上述接收方式首先找作為起始位的9個“1”，找到后，按順序接收其余55bit數(shù)據(jù)，并按標(biāo)簽中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新組織數(shù)據(jù)。然后通過奇校驗程序計算各段數(shù)據(jù)的奇校驗，再與接收到的奇校驗位進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)是否正確性。 

       5 結(jié)束語 

       無線射頻識別具有信息量大、高效便捷、安全的特點(diǎn)，是自動識別的主流技術(shù)。低成本、高可靠的便攜式電子標(biāo)簽識讀終端的研究開發(fā)．有很大的實際意義。本文在研究分析系統(tǒng)作用原理及解調(diào)輸出波特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計了硬件實現(xiàn)方案，并以射頻參考時鐘為參照，提出了一種解決Manchester碼倒譯問題的軟件解碼方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本合理，可靠性已得到試驗驗證．有較好的應(yīng)用價值。 

       本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：充分利用工業(yè)通用單片機(jī)的豐富資源設(shè)計主控模塊，解決了系統(tǒng)便攜化和低成本難題；以射頻參考時鐘為參照的Manchester碼軟件解碼方法，提高了解碼的準(zhǔn)確性．也使系統(tǒng)具有良好的功能擴(kuò)充和升級能力。 

       參考文獻(xiàn) 

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       作者簡介：徐精華(1966一)，男(漢族)，江西南昌市人，南昌航空大學(xué)講師，碩士，1989年浙江大學(xué)研究生院畢業(yè)，主要從事測試技術(shù)、無線通訊技術(shù)研究。