ARM9的超高頻讀寫器基帶編解碼設(shè)計(jì)

王丹，張紅雨

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都611731）

引 言

普通的UHF讀寫器主控芯片使用FPGA較多，其優(yōu)點(diǎn)是FPGA對時(shí)序邏輯處理速度快，使用HDL語言很容易實(shí)現(xiàn)協(xié)議的編碼與解碼，但FPGA芯片本身很少具備串口、網(wǎng)口等通信接口模塊，功能擴(kuò)展較麻煩。由于ARM9芯片集成了很多擴(kuò)展接口，同時(shí)進(jìn)行操作系統(tǒng)移植等更高層次的設(shè)計(jì)也變得很容易，但對時(shí)序邏輯處理較難。因而本文提出了基于ARM9的UHF RFID讀寫器基帶編解碼方法，并加以實(shí)現(xiàn)。

1 基本原理

UHF RFID國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定讀寫器到電子標(biāo)簽的通信應(yīng)采用 DSB－ASK、SSB－ASK 或者 PR－ASK 調(diào)制方式。本文使用ARM9芯片S3C2440的PWM（脈寬調(diào)制）控制模塊進(jìn)行PIE編碼，通過編碼信號(hào)控制射頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制。電子標(biāo)簽接收到命令后反向散射副載波應(yīng)答，經(jīng)過射頻模塊的天線接收后被解調(diào)電路還原成MILLER2數(shù)據(jù)。構(gòu)造 MILLER2解碼狀態(tài)機(jī)，使用S3C2440的外部中斷對MILLER2時(shí)序序列進(jìn)行上升沿捕捉，捕捉到的兩次中斷的時(shí)間間隔作為狀態(tài)機(jī)輸入，進(jìn)而解調(diào)出標(biāo)簽反射回來的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

讀寫器射頻模塊的工作流程為：發(fā)送命令時(shí)，PIE編碼電平控制射頻芯片開關(guān)，當(dāng)開關(guān)開啟時(shí)輸出射頻載波，關(guān)閉則不輸出，以達(dá)到OOK調(diào)制載波的目的。接收機(jī)采用零中頻接收機(jī)方案，直接對天線接收到的標(biāo)簽反向散射信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)完畢得到相位相差90°的I、Q兩路信號(hào)，通過差分放大器放大處理后，輸出到比較器，經(jīng)過比較后電路輸出MIILER2編碼時(shí)序信號(hào)。

2 PIE編碼

2.1 PIE碼簡介

EPC GNE2協(xié)議規(guī)定UHF讀卡器向標(biāo)簽發(fā)送命令時(shí)，數(shù)據(jù)應(yīng)采用PIE編碼。PIE碼通過高低電平的時(shí)間長度不同來規(guī)定數(shù)據(jù)是“1”還是“0”。協(xié)議使用Tari代表數(shù)據(jù)“0”，時(shí)間長度在6.25～25μs范圍內(nèi)，容差為±1%，數(shù)據(jù)“1”的寬度在為1.5Tari～2.5Tari，如圖2所示。本次編碼中，Tari值為6.4μs，數(shù)據(jù)“1”的長度為11.4μs，PW 的長度為3.2μs。

圖2 PIE數(shù)據(jù)“1”和“0”的編碼方式

協(xié)議規(guī)定，完整的PIE碼需在有效數(shù)據(jù)前加上前同步碼或幀同步碼。前同步碼由定界符、Tari、RTcal以及TRcal這4段組成，用在Query命令上。幀同步碼省去了TRcal而直接由前三項(xiàng)組成，用在其他命令上。前同步碼示意如圖3所示。

圖3 PIE前同步碼

2.2 PWM實(shí)現(xiàn)PIE編碼

S3C2440有5個(gè)16位的定時(shí)器，其中定時(shí)器1～4具有PWM（脈寬調(diào)制）功能，定時(shí)器使用經(jīng)過分頻后的系統(tǒng)時(shí)鐘PCLK作為時(shí)鐘輸入。本設(shè)計(jì)中100MHz的PCLK經(jīng)過2分頻得到50MHz頻率的定時(shí)器輸入時(shí)鐘，定時(shí)器每計(jì)數(shù)一次耗時(shí)0.02μs。定時(shí)器使用兩個(gè)16位的緩沖寄存器TCNTB和TCMPB來實(shí)現(xiàn)PWM功能，TCNTB為一次PWM輸出計(jì)數(shù)次數(shù)，采用遞減的方式計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)減為TCMPB的時(shí)候，PWM輸出電平反轉(zhuǎn)。以數(shù)據(jù)“0”為例，其脈沖總寬度為6.4μs，低電平持續(xù)時(shí)間3.2μs，則可計(jì)算出 TCNTB＝6.4／0.02＝320次，TCMTB＝3.2／0.02＝160次。

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的PWM輸出，需要讓定時(shí)器工作在自動(dòng)重載模式，即當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器減為0的時(shí)候，在定時(shí)器中斷處理函數(shù)里更新TCNTB及TCNMPB，讓定時(shí)器重新開始一次脈寬輸出。定時(shí)器1初始化時(shí)經(jīng)過以下步驟：

①TCNMB以及TCMPB寄存器賦非零初值；

②TCON中人工裝載位配置為1，TCNTB和TCMPB更新到內(nèi)部計(jì)數(shù)器；

③TCON中自動(dòng)重載位配置為1，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的PWM功能；

④TCON中輸出翻轉(zhuǎn)位配置為1，脈沖以高電平開始；

⑤TCON置為啟動(dòng)位；

⑥TCON設(shè)置關(guān)閉人工裝載，定時(shí)器開始啟動(dòng)。

經(jīng)過以上配置后，將定時(shí)器I／O引腳配置為PWM輸出模式就可以進(jìn)行PWM輸出。以一個(gè)Query命令的編碼為例，Query命令是由前同步碼和22位數(shù)據(jù)構(gòu)成，先將這22位數(shù)據(jù)計(jì)算好并保存在全局?jǐn)?shù)組data［］中，發(fā)送Query命令時(shí)開啟定時(shí)器1并允許定時(shí)器1中斷，在中斷處理函數(shù)里面更新TCNTB以及TCMPB的值來決定下一個(gè)脈沖的PWM輸出。編碼程序流程如圖4所示。

圖4 Query命令編碼程序流程

正確的Query命令會(huì)讓標(biāo)簽返回16位偽隨機(jī)數(shù)RN16。為了測試Query命令是否發(fā)送正確，使用示波器觀察比較器輸出，如果有MILLER2編碼的16位數(shù)據(jù)輸出，則表明Query命令正確。使用示波器觀察的結(jié)果如圖5所示，可以看出是MILLER2編碼的序列，詳細(xì)分析其位數(shù)后確認(rèn)是16位，驗(yàn)證了PIE編碼的正確性。

圖5 示波器上觀察比較器RN16輸出

3 MILLER2解碼

3.1 MIILER2碼介紹

EPC GEN2協(xié)議中規(guī)定標(biāo)簽反向散射的數(shù)據(jù)應(yīng)該采用FM0或者M(jìn)ILLER的編碼方式。MILLER定義在兩個(gè)數(shù)據(jù)“0”之間變換相位，在數(shù)據(jù)“1”中間放置一個(gè)相轉(zhuǎn)化，MILLER2碼則表示每一位數(shù)據(jù)重復(fù)兩個(gè)副載波周期。完整的MILLER2編碼，需要在有效數(shù)據(jù)前加上前同步碼。前同步碼可編程選擇格式，在Query命令中將M和Trext這兩位設(shè)置為1，選擇前同步碼由16個(gè)數(shù)據(jù)“0”加上數(shù)據(jù)序列“101112”構(gòu)成。MILLER2數(shù)據(jù)定義和前同步碼如圖6所示。MILLER2碼每一位數(shù)據(jù)的時(shí)間長度由Tari值決定，本設(shè)計(jì)中為2個(gè)Tari（即12.8μs）。

圖6 MILLER2數(shù)據(jù)定義以及編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.2 解碼狀態(tài)機(jī)

本文使用S3C2440的外部中斷捕捉比較器的輸出，使用單邊觸發(fā)上升沿檢測。對正確的MILLER2編碼序列進(jìn)行上升沿捕捉時(shí)，兩次中斷的時(shí)間間隔有a和b兩種情況，其中a表示兩次中斷的時(shí)間間隔為Tari，即6.4μs，b表示間 隔 為 1.5Tari，即 9.6μs，據(jù) 此 繪 制 了MILLER2編碼的狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。狀態(tài)共有22個(gè)，其中用于前導(dǎo)碼檢測的狀態(tài)有13個(gè)，用于數(shù)據(jù)檢測的有9個(gè)狀態(tài)。部分前導(dǎo)碼狀態(tài)以及全部數(shù)據(jù)狀態(tài)如圖7所示。

下面描述各個(gè)狀態(tài)的意義。

圖7 部分前導(dǎo)碼狀態(tài)以及數(shù)據(jù)狀態(tài)

s0：解碼開始，表示收到1個(gè)a間隔；

s1：前導(dǎo)碼狀態(tài)的一種，表示收到2個(gè)a間隔；

s2：表示收到3個(gè)a間隔；

s3：收到4個(gè)a間隔，s3狀態(tài)若連續(xù)收到a間隔，則仍舊歸于s3狀態(tài)；

s4：表示s3收到b間隔，此時(shí)前導(dǎo)碼中的16個(gè)數(shù)據(jù)“0”解碼結(jié)束，進(jìn)入數(shù)據(jù)序列“101112”解碼狀態(tài)；

s5～sa：前導(dǎo)碼中的數(shù)據(jù)序列“101112”檢測狀態(tài)，依次類推，圖7中省略；

sb：前導(dǎo)碼結(jié)束狀態(tài)；

d1：收到數(shù)據(jù)“0”的2／4位；

d2：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“1”的1／4位；

d3：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“0”的1／4位；

d4：收到數(shù)據(jù)“1”的3／4位；

d5：收到數(shù)據(jù)“0”的3／4位；

d6：收到完整數(shù)據(jù)“1”以及數(shù)據(jù)“0”或者“1”的1／4位；

d7：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“1”的1／4位；

d8：收到完整數(shù)據(jù)“1”；

d9：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“0”的2／4位。

以上狀態(tài)中，當(dāng)狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)為d2、d3、d6、d7、d8、d9的一種時(shí)，表示收到1位有效數(shù)據(jù)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖8所示，狀態(tài)d2、d7只畫出了有效輸入時(shí)的轉(zhuǎn)換圖，在無效輸入時(shí)結(jié)束狀態(tài)機(jī)程序返回。

圖8 MILLER2解碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.3 MILLER2解碼程序設(shè)計(jì)

進(jìn)行MILLER2解碼主要是把接收到的中斷時(shí)間間隔作為狀態(tài)機(jī)的輸入，在狀態(tài)機(jī)里進(jìn)行判斷和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，解碼出有效數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中，使用上面描述的編碼方式碼發(fā)送Query命令，UHF電子標(biāo)簽收到有效命令之后反向散射采用MILLER2編碼的16位偽隨機(jī)數(shù)RN16。程序在發(fā)送完畢Query命令之后立即使能外部中斷，在外部中斷處理函數(shù)中，把中斷時(shí)間間隔保存在數(shù)組中，等接收的中斷間隔超過b或者中斷次數(shù)超過接收RN16所需要的次數(shù)后，關(guān)閉中斷。在外部程序中通過狀態(tài)機(jī)進(jìn)行解碼，解調(diào)的同時(shí)對有效位進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器達(dá)到16位后，返回解調(diào)出來的數(shù)據(jù)，否則返回0。解調(diào)程序流程如圖9所示。

圖9 解碼程序流程圖

在主函數(shù)里面循環(huán)發(fā)送Query命令并進(jìn)行MILLER2解碼，如果解碼成功則使用串口工具在上位機(jī)上打印出解調(diào)出來的RN16的值，解碼失敗則不打印。在PC上使用串口工具SecureCRT觀察到以十六進(jìn)制輸出的RN16，如圖10所示，表明MILLER2解碼成功。

圖10 解碼結(jié)果

結(jié) 語

本文提出使用ARM9進(jìn)行UHF RFID讀卡器基帶編解碼，并加以實(shí)現(xiàn)。ARM9芯片豐富的外設(shè)使該方案擁有較好的擴(kuò)展性、實(shí)用性，為進(jìn)行系統(tǒng)級別的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

［1］EPC global Inc.EPC Radio－Frequency Identity Protocols Class－l Gen－2UHF RFID Protocol for Communications at 860MHz－960MHz，2004.

［2］于志宏.UHF RFID讀寫器編解碼模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（10）：12－15.

［3］肖菊蘭.超高頻RFID讀寫器設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010（11）：158－161.

［4］王振興.RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽芯片數(shù)字部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［5］陽璞瓊.超高頻RFID系統(tǒng)編解碼與校驗(yàn)問題的研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2009.