基于μC/OS-Ⅱ的超高頻雙協(xié)議RFID讀寫器設(shè)計(jì)

商昌彬 ，馬慶彪 ，張玉璘

（1.濟(jì)南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250022；2.山東公路技師學(xué)院，山東 濟(jì)南250022）

與IC卡識(shí)別和條形碼識(shí)別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有無接觸、信息存儲(chǔ)量大、讀取速度快、不易受到污染、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合對(duì)數(shù)量大、分布區(qū)域廣的信息進(jìn)行智能化管理和高效快捷地運(yùn)作[1]。目前RFID技術(shù)按頻率可分為低頻系統(tǒng)(125 kHz和134 kHz)、高頻系統(tǒng)(13.56 MHz和27.125 MHz)、超高頻系統(tǒng)(860 MHz～960 MHz）和微波系統(tǒng)(2.45 GHz和 5.8 GHz)。然而，現(xiàn)階段我國(guó)70%的RFID市場(chǎng)應(yīng)用還主要集中在高頻領(lǐng)域，如身份證、電子門票、公交卡等，超高頻的市場(chǎng)應(yīng)用比重還不足10%。超高頻RFID系統(tǒng)與高頻RFID相比具有通信距離遠(yuǎn)、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前RFID產(chǎn)業(yè)研究的熱點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 AS3992簡(jiǎn)介

AS3992芯片是奧地利微系統(tǒng)公司研制的一款支持ISO18000-6C/6B協(xié)議的900 MHz RFID讀寫器專用集成芯片。內(nèi)部集成了發(fā)送電路、接收電路和EPC Gen2協(xié)議處理模塊[2]，發(fā)射模塊包括增益放大器(VGA)、功率放大器(PA)、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器、調(diào)制器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)等模塊。接收模塊包括低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、中頻放大器、解調(diào)器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等模塊。內(nèi)部功放的輸出功率可以高達(dá)20 dBm，片上VCO和 PLL可產(chǎn)生 840 MHz～960 MHz的振蕩頻率，其接收靈敏度可達(dá)-86 dBm，從而使芯片外圍電路大大簡(jiǎn)化。收發(fā)模塊還可以自動(dòng)生成報(bào)頭幀和CRC校驗(yàn)，生成幀的數(shù)據(jù)塊通過片上的24 B FIFO寄存器傳輸?shù)組CU[3]。AS3992通過軟件設(shè)置可以在待機(jī)模式、休眠模式和收發(fā)模式三種工作模式間切換，大大降低了功耗。當(dāng)系統(tǒng)工作于收發(fā)模式時(shí)，讀寫器功耗僅為1.2～1.5 W，遠(yuǎn)低于目前主流2.5 W的UHF射頻芯片Intel R1000。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

AS3992與MCU通信方式有兩種：(1)并行方式，包括8 bit數(shù)據(jù)、時(shí)鐘 CLK以及中斷信號(hào) IRQ；(2)串行方式，包括標(biāo)準(zhǔn)SPI接口以及中斷信號(hào)IRQ。本設(shè)計(jì)采用并行操作，可支持EPC數(shù)據(jù)鏈路640 Kb/s的最快速率[4]。

MCU選用ARM Cortex-M3處理器LM3S8962，其內(nèi)核基于哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)可以從存儲(chǔ)器中同時(shí)讀取，對(duì)多個(gè)操作可以并行執(zhí)行，程序運(yùn)行速度很高，具有更低延遲的中斷，表現(xiàn)了出色快速的中斷響應(yīng)，而且還同時(shí)具有兩種睡眠模式，更加節(jié)省了功耗；利用Max3232和ADM3485芯片分別實(shí)現(xiàn)RS232和RS485串口通信；同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)有RJ45以太網(wǎng)接口，可以直接將讀寫器與網(wǎng)絡(luò)相連；復(fù)位信號(hào)由Max809芯片提供，用于監(jiān)控微控制器和其他邏輯系統(tǒng)的電源電壓；通過11個(gè)I/O口連接 AS3992芯片的 IO0～I(xiàn)O7、EN、CLK和 IRQ管腳，實(shí)現(xiàn)芯片間并行通信；利用I/O口設(shè)有讀卡LED燈指示和蜂鳴器讀卡聲音指示。

射頻前端模塊首先對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行編碼、載波調(diào)制后，由RFOPX和RFONX兩引腳差分輸出，經(jīng) Balun變換輸入射頻功率放大器PA，然后通過定向耦合器和環(huán)形器經(jīng)RF1450開關(guān)由天線發(fā)送給電子標(biāo)簽；接收來自電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)，提取有用信號(hào)通過Balun變換后輸送到AS3992的輸入端 MIX-INP和 MIX-INN，由AS3992進(jìn)行混頻、增益、濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)，再送給MCU處理。

1.3 射頻前端電路設(shè)計(jì)

AS3992雖然集成了內(nèi)部功率放大器，輸出功率可以達(dá)到20 dBm，但一般情況下在空曠靜止的環(huán)境中識(shí)別距離也就在2 m左右。因此，為了支持更遠(yuǎn)的讀寫距離，設(shè)計(jì)中將AS3992芯片設(shè)置為最大0 dBm功率的高線性輸出，利用外部功率放大器，外加匹配電路、濾波、隔離等實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的發(fā)射。

設(shè)計(jì)中采用了差分輸入、輸出方式，信號(hào)在返回路徑中對(duì)抗串?dāng)_和突變的魯棒性好，抗干擾能力強(qiáng)，能有效抑制外界電磁干擾。AS3992的RFONX和RFOPX引腳差分輸出為0 dBm。通過LC匹配網(wǎng)絡(luò)，不僅可以起到濾波的作用，還可以引入新的反射，抵消由于負(fù)載不匹配產(chǎn)生的反射，從而達(dá)到改善駐波比和寬頻帶響應(yīng)、獲得最小噪聲系數(shù)和最大功率傳輸?shù)哪康腫5]。由于在輸出端，兩端對(duì)地都有電壓且大小相等、方向相反，阻抗為100 Ω，而終端為 50 Ω的同軸電纜，為非平衡的，因此，需要利用Balun射頻變壓器來實(shí)現(xiàn)平衡和非平衡的變換。

功率放大部分采用RF5110芯片，該芯片可工作于800 MHz～950 MHz之間，能夠滿足超高頻領(lǐng)域的所有頻段，且輸出功率具有可控性。APC1和APC2端為功率控制輸入端，連接至AS3992芯片的DAC端，DAC輸出電壓在0 V～3.2 V之間，可以通過設(shè)置DAC控制寄存器調(diào)節(jié)電壓大小。RF5110外圍電路設(shè)計(jì)可以參考RF5110數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖2給出了RF5110在915 MHz頻率工作時(shí)，輸入端的輸入功率不同時(shí)對(duì)應(yīng)的最終輸出功率的大小。

圖2 輸入功率與輸出功率關(guān)系圖

由圖2可知，AS3992輸出0 dBm時(shí)，在不考慮插入損耗的情況下，RF5110放大后輸出功率大約為30.6 dBm；去掉后邊低通濾波器、定向耦合器等的插入損耗，最終天線的發(fā)射功率還不足1 W(對(duì)應(yīng)30 dBm)。為了達(dá)到RF5110最佳的放大輸出，設(shè)計(jì)中引入前置增益放大器HMC580ST89， 在 0.5 MHz～1.0 GHz范圍內(nèi)可獲得 17 dB增益，輸出三階截點(diǎn)IP3高達(dá)33 dBm，具有良好的線性度和更少的失真。通過HMC580ST89放大后獲得Pin端功率為 7 dBm，在 Vapc=2.7 V、Vcc=3.3 V條件下，RF5110輸出功率可達(dá)到34.5 dBm，轉(zhuǎn)換效率為54.8%。

功率檢測(cè)電路如圖3所示，采用ADL5501芯片來防止因天線不匹配或定向耦合器（或環(huán)形器）的信號(hào)泄漏造成發(fā)射信號(hào)被反射進(jìn)入AS3992芯片中的混頻器，導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)噪聲被調(diào)制，增加接收波噪聲和誤碼率，甚至?xí)斐苫祛l器輸入端的過載飽和。ADL5501的輸入引腳接定向耦合器的耦合端，通過輸入端的兩個(gè)電阻配置衰減參數(shù)，防止功率過大燒毀芯片。AS3992根據(jù)反射功率的大小可以通過DAC控制發(fā)射功率。

圖3 功率檢測(cè)電路

通過四天線端口設(shè)計(jì)，并將多個(gè)天線在空間上排成適當(dāng)陣列形式，可以保證讀寫器的4個(gè)天線對(duì)指定讀寫區(qū)域進(jìn)行全方位的覆蓋。設(shè)計(jì)中采用插入損耗僅為0.4 dBm的單刀四擲射頻開關(guān)RF1450，通過MCU的2個(gè)GPIO控制天線選擇。

整個(gè)系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了發(fā)射端功率譜分析，如圖4所示。在915 MHz頻率時(shí)，系統(tǒng)輸出功率為31.76 dBm，根據(jù)公式，計(jì)算得到輸出功率為1.5 W，符合國(guó)家規(guī)定的800/900 MHz射頻識(shí)別最大發(fā)送功率2 W的限制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

讀寫器在識(shí)別和讀寫電子標(biāo)簽時(shí)，要求有比較高的識(shí)別速度和讀寫速度，尤其是讀寫器在識(shí)別電子標(biāo)簽時(shí)，首先要在6B和6C兩個(gè)工作協(xié)議間進(jìn)行自適應(yīng)識(shí)別與切換，這對(duì)處理器軟件的運(yùn)行效率和處理速度提出了較高的要求。MCU對(duì)AS3992的操作主要是修改內(nèi)部的寄存器，32個(gè)寄存器訪問也給軟件設(shè)計(jì)帶來了一定的復(fù)雜性。而且軟件還擔(dān)負(fù)了編碼和解碼等通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崟r(shí)地讓用戶通過應(yīng)用軟件對(duì)系統(tǒng)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。經(jīng)綜合考慮，有必要在ARM控制器中引入μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)來擔(dān)負(fù)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度和系統(tǒng)資源的管理，這樣不僅可以使軟件的開發(fā)更加方便高效，還可以提高系統(tǒng)的可靠性，充分發(fā)揮控制器的處理能力。

μC/OS-Ⅱ是一種簡(jiǎn)單高效、源代碼公開、支持多任務(wù)和搶占式內(nèi)核、具有良好的可裁剪性的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。由于周立功單片機(jī)公司已經(jīng)提供了基于群星Cortex-M3的μCOS-II移植模板，只需要更改代碼中相應(yīng)的硬件底層驅(qū)動(dòng)即可，工作較為簡(jiǎn)單，本文不再對(duì)該移植內(nèi)容進(jìn)行分析。

2.1 主程序

主程序的控制流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化（主要進(jìn)行定時(shí)器、串口初始化）、使能中斷、設(shè)置并行通信方式、設(shè)置工作頻率、通信協(xié)議初始化等。UART串口初始化后等待系統(tǒng)命令，若主機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)包有效就會(huì)喚醒CPU工作并發(fā)送設(shè)備ID號(hào)給PC機(jī)。通過輪詢發(fā)送6B和6C協(xié)議判定命令，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)自動(dòng)識(shí)別并切換到相應(yīng)協(xié)議處理模式下工作。

2.2 6C協(xié)議處理

通過設(shè)置AS3992內(nèi)部的協(xié)議控制寄存器（01）可以實(shí)現(xiàn) Gen2協(xié)議和 6B 協(xié)議。 設(shè)置 Port＜1：0＞為“00”實(shí)現(xiàn)Gen 2協(xié)議，“10”實(shí)現(xiàn) 6B協(xié)議。進(jìn)入 6C協(xié)議模式下，首先要初始化AS3992，以設(shè)置各寄存器的值，例如狀態(tài)控制寄存器設(shè)置為0x02，協(xié)議控制寄存器設(shè)為0x06，發(fā)射控制寄存器設(shè)為0xF0，接收控制寄存器設(shè)為0x60等。防碰撞算法采用Epc標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)隙ALOHA算法，初始化后發(fā)送select命令選擇一批標(biāo)簽后，盤存Querystandard(q)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)q，然后發(fā)送query命令，等待標(biāo)簽響應(yīng)，執(zhí)行 ReadRN（）函數(shù)讀取標(biāo)簽響應(yīng)，通過 ACK（）和QueryRep（）命令槽計(jì)數(shù)器減值并進(jìn)行識(shí)別，正確識(shí)別唯一標(biāo)簽后將標(biāo)簽序列號(hào)計(jì)入到存儲(chǔ)器中。識(shí)別過程中根據(jù)讀標(biāo)簽的返回情況由QueryAdjust()命令調(diào)整q值。識(shí)別成功后發(fā)送 Access（）和 ReqRN（）命令進(jìn)行密碼高低位的驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后才可以對(duì)標(biāo)簽操作。具體流程圖如圖6所示。

圖6 6C協(xié)議處理程序流程圖

2.3 6B協(xié)議處理

在狀態(tài)控制寄存器中，經(jīng)“Direct”位置為“1”即可計(jì)入直接模式。直接模式下只會(huì)用到4個(gè)IO口（IO2、IO3、IO5、IO6）。其中 IO3用于數(shù)字調(diào)制輸入，IO2用于 RX使能輸入，IO5和IO6輸出副載波[6]。

直接模式分為兩種：當(dāng)協(xié)議控制寄存器(01)中的dir_mode為“1”時(shí)，輸出未經(jīng)解碼的副載波數(shù)據(jù)流；當(dāng)dir_mode為“0”時(shí)，輸出由 ISO18000-6C協(xié)議處理器中功能相同的FM0解碼器進(jìn)行解碼之后的數(shù)據(jù)流[3]。直接模式下采用基于曼徹斯特編碼的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法，以及CRC-16校驗(yàn)方式，設(shè)置鏈路頻率為40 kHz。發(fā)送指令后要退出直接模式，在普通模式下接收數(shù)據(jù)，才能使用內(nèi)置解碼器來輸出數(shù)據(jù)流。CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，檢測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤的最高沖突位X，并將其置為0，然后重新傳送(N-X)位后即中斷傳輸，標(biāo)簽比對(duì)N-X位并返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。CRC校驗(yàn)若無錯(cuò)，計(jì)數(shù)器cnt減 1、found加1；若有錯(cuò)誤，則再將最高沖突位置0后重新發(fā)送命令，直至最后搜索范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)cnt=0結(jié)束。具體流程圖如圖7所示。

圖7 6B協(xié)議處理程序流程圖

本文設(shè)計(jì)了一款基于AS3992和LM3S8962單片機(jī)的ISO18000-6B和6C雙協(xié)議自適應(yīng)超高頻讀寫器，并給出了軟、硬件的設(shè)計(jì)方案。讀寫器可以實(shí)現(xiàn)四通道天線連接，增加了標(biāo)簽的讀取范圍，發(fā)射功率可達(dá)到32 dBm，讀取距離可達(dá)7 m。本系統(tǒng)開發(fā)周期短、功耗低、識(shí)別距離遠(yuǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[6]Austria micro systems.AS3992 datasheet[EB/OL].[2012-04-28].http：//www.austriamicmsystems.com.