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超高频射频识别系统和设计
【摘 要】 为了满足市场需求,对超高频读写器的内部结构进行了研究,在本研究中,以UHF 频段RFID 读写器系统的设计研究为目的,简述了RFID 系统的基本构成、工作原理原理,并对系统的硬件和软件进行了设计,实际应用结果表明,满足系统性能要求.
【关键词】 射频识别技术（RFID ） 超高频射频识别技术(UHF) ARM7 防碰撞算法
射频识别（RFID）是一种非接触的自动识别新技术, 依其寿命长、读取效率高、工作过程节省人力等优势,已广泛应用交通,物品流通的供应链管理等领域,且具有很大的发展潜力.但目前,超高频射频识别技术还没有完全推广开来,除了技术方面之外,还有较高的读写器成本等因素.文中介绍了一种基于协议标准的低成本、高性能读写器系统的设计与实现.
一、系统结构与工作原理
1.1 系统结构
系统主控核心采用一款基于ARM920T 内核的16/32 位RISC 微处理器,该处理器具有丰富的资源,有利于系统开发.ARM920T 内核由三个模块组成,分别是 A R M 9 20 T D M 1 、存储管理单元(MMU) 和高速缓存模块等.存储单元管理模块可以管理虚拟的内存,高速缓存单元模块则由独立的16KB 指令Cache 和16KB 数据Cache 组成.MPLL 产生主时钟,处理器的工作频率最高可达到203MHz.
RFID系统的信息通信机制是由读写器模块先发言机制,即系统的通信过程由读写器模块发起.读标签指令发送流程：读写器主控制器模块接收到上位机指令后,对指令进行识别判断；之后对该指令进行相应的基带编码.并将该编码输出并送至射频电路模块中的ASK 调制模块进行相应的调制.装置的载波信号合成模块同时输出稳定的载波信号,并通过电路网络匹配后,送至射频模块中ASK 调制模块中；在接收到两个信号后,将其加载到一起并将该叠加信号调制成所需要的信号,调制后的信号被送至功率放大模块进行信号放大处理；信号隔离器( 环向器) 将放大电路的输送来的已被放大和调幅信号送至天线,最终由系统天线模块完成对已调的信号进行发射.解调器将接收到的信号解调出后送入运放进行信号放大、滤波、整形后,再将基带信号进行有效判断.有效信号送入微处理器.主控制器将接收的基带信号进行奇偶校验与CRC 校验,通过解码后形成标签的识别码等信息,完成基带解码.数据存入读写器系统存储器或由串行通信模块对上位机进行数据回传.
本系统使用分立元件搭建的一款超高频读写器方案设计灵活,相较于一些采用用集成芯片的读写器,可大大缩减设计成本,且其性能也毫不逊色于市面上大多数读写器.因此该系统电路的前端信号发射模块为保证信号发射的高稳定性,采用晶体振荡器或频率合成器的锁相环技术来产生频率稳定的载波信号,以便为系统提供 9 0 2 ～ 928MHz 频率范围内的稳定的载波信号.采用一款高增益的微波功率放大模块,来实现系统信号的功率放大,通过稳定的电源供电设计减少功率放大器负荷动态变化时对其他射频电路的影响.系统硬件电路结构框图如图1 所示.
1.2 RFID 系统工作原理
根据无源RFID 系统的工作原理分为近场和远场两种情况.其中低频段的近场区采用电感耦合方式,超高频段的远场区采用反向散射方式[5].在此只介绍远场系统,远场的RFID 系统必须采用射频波束供电技术,此技术用来直接为无源标签供电.
为使标签有足够的能量与读写器通信,及实现通信上的同步,每次在读写器发送数据之前先发送一串连续波,接着发送通信数据.标签可以看作一个有限状态机,基本状态包括：准备、识别ID、数据交换和未上电（离开能量场）.根据接收到的指令的不同,是现几个状态之间切换.
读写器通过天线发送出一定频率的射频信号；当标签进入读写器工作场内时,其天线产生感应电流,从而标签获得能量被激活并向读写器发送出自身编码等信息；读写器对接收到标签的载波信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理；计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性,针对不同的设出相应的处理和控制,发出指令信号；标签解调模块从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑,控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作.
二、系统软件设计
2.1 控制系统软件设计
系统控制软件包括初始化、配置控制器、启动PLL、设定发射功率和接收比较电平、发送寻卡命令、防冲突算法实现、读卡命令、数据处理、控制发射功率的大小、与计算机进行通讯等等.读写器模块是通过系统控制程序来实现其与上位机的数据信息的发送、接收等串行通信过程.读写器模块是通过系统控制程序来实现其与上位机的数据信息的发送、接收等串行通信过程.
微处理器在系统上电以后进行各种相关参数的初始化,并读取上次操作中保存的初始化参数,然后循环等待后端数据库（应用层系统程序）从串口发来的控制命令,并判断命令功能,判断结果若为标签操作管理指令,则需进一步判断该指令时单标签识别指令还是多标签识别指令,若为单标签操作指令则系统直接进入到标签的信息读取指令、信息的写入指令或中止指令等操作过程.
2.2 读标签软件系统设计
当读写器读取工作的场所出现多个标签时,即会产生标签碰撞问题,为了提高标签的识别率,需要引入防碰撞算法.目前现有的基于树形分组算法为基础的算法模型可分为二进制树搜索算法(BS) 和查询树算法(QT) 两种.
防碰撞算法,在二进制搜索算法中,要能够检测出多个标签的存在,标签返回数据必须具有唯一性,且标签在传输其UID 时必须准确、同步.这样终端才能在位级上检测出多标签的存在,这是防碰撞检测的关键.具体工作流程如下：标签进入读写器的工作范围,读写器通过REQUEST 发出指令,处于激活状态的标签接收到读写器的REQUEST 指令时,便开始传输它们的序列号到读写器的接收模块.读写器通过对比标签响应的序列号的相同位数上的数,根据所出现的不一致现象（即序列号该位为0 或1 不同）判断出是否有碰撞发生.根据产生不同的随机数,发出分组指令,将标签群分组,分成若干组后,在对每个组中的标签进行碰撞识别,依次将所有组内的标签识别完全.
三、结语
综上所述,超高频读写器对系统的要求比较高,它要求数据传输和处理速度快 ,本系统以较少的扩展电路组成UHF RFID 系统, 简化了电路设计.系统可以在840 ～ 960MHz 频率范围内跳频工作, 读写距离为6 ～ 7m,可以防碰撞识别300 个标签左右, 最终实现了产品化.
参 考 文 献
[1] 宋建华,郭亚军,韩兰胜,王志皓．自调整混合树RFID 多标签防碰撞算法[J]．电子学报,2014,42（4）：685-695.
[2]H WU,Y ZENG,J FENG,Y GU.Binary tree slotted ALOHA for passive RFID tag anti-collision[J]. IEEE Transactions onParallel and Distributed System,2013,24(1):19-31
识别论文范文结:
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