一種UHF讀寫器的設計與實現(xiàn)

李維鋒，王雪亮

（杭州電子科技大學新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式識別技術，通過電磁耦合的方式實現(xiàn)能量轉換與信息交換[1]。隨著物聯(lián)網時代的來臨，全球信息化產業(yè)被提升到一個新的高度，RFID由于超長的壽命、讀寫可靠、良好的耐環(huán)境性、工作過程節(jié)省人力等優(yōu)勢，被廣泛用于物流管理、目標監(jiān)測追蹤、電子支付、交通運輸、醫(yī)療行業(yè)等領域。目前的RFID讀寫器大多由集成元件組成，設計成本較高，體積大，不適合在更多領域推廣[2]。同高頻RFID系統(tǒng)相比，UHF（Ultra High Frequency）讀寫器識別距離更遠，抗干擾能力更強，防沖撞性能更好，適用范圍日益增大[3～7]。

本文采用分立元件搭建UHF讀寫器，設計實現(xiàn)了一種基于ISO/IEC 18000-6C協(xié)議標準的低成本、高性能UHF讀寫器系統(tǒng)。

1 讀寫器硬件的功能與設計

讀寫器硬件電路主要包括MCU控制電路和射頻前端電路。讀寫器對電子標簽的讀寫操作主要由射頻模塊完成，射頻模塊包括射頻發(fā)送模塊和射頻接收模塊。射頻發(fā)射電路對發(fā)射的信號進行調制，將信息傳輸?shù)诫娮訕撕灒簧漕l接收模塊接收并解調電子標簽反饋的射頻信號。MCU控制電路主要功能是執(zhí)行主機發(fā)送的命令，控制射頻模塊與標簽進行通信，加密和解密傳輸數(shù)據(jù)。讀寫器硬件電路結構如圖1所示。

圖1 讀寫器電路結構圖

1.1 射頻發(fā)送模塊

射頻發(fā)送模塊主要包括載波電路、調制電路、功率放大電路，MCU輸出的符號數(shù)據(jù)先后經過基帶編碼、調制濾波和信號放大。設計采用ASK信號調制，利用晶體振蕩器為系統(tǒng)提供915～920MHz頻率范圍內穩(wěn)定的載波信號，信號調制后，通過高增益的微波功率放大模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的功率放大。整個系統(tǒng)采用單天線進行信號的發(fā)射和接收，因此采用RCP890A05定向耦合器，避免發(fā)射機信號泄漏到隔離段，實現(xiàn)單天線的收發(fā)隔離。射頻發(fā)射模塊電路如圖2所示。

圖2 射頻發(fā)射模塊部分電路

1.2 射頻接收模塊

接收模塊電路采用I/Q正交零中頻結構消除接收過程中因距離的變化而出現(xiàn)的接收盲區(qū)，電路結構如圖3所示。天線接收到的信號被分為I、Q兩路信號，本振信號通過移相產生相差90°的兩路信號，分別經過混頻器變頻，輸出的信號經過濾波得到的低頻信號即標簽返回的信息。

圖3 I/Q正交零中頻結構

通道Q的信號與接收信號混頻后濾波：

通道I和本振信號相乘后為cos函數(shù)，是一個余弦信號，而Q是正弦信號，兩者相位差為90°，所以I/Q兩路的零點是交替的。一個通道輸出為零時，另一個通道的輸出最大，兩者輸出之和是常數(shù)，克服了傳統(tǒng)零中頻接收機的零點效應。

2 讀寫器軟件設計

系統(tǒng)使用分立元件搭建而成，因此采用軟件設計實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的編碼和通信協(xié)議的處理，這種方案降低了讀寫器的設計成本和復雜度。系統(tǒng)的軟件模塊主要包括主控程序設計和多標簽讀寫時的防沖撞程序設計。

2.1 主控程序設計

主控程序的任務是循環(huán)自檢，當收到主機發(fā)送的命令時會發(fā)送中斷標志并處理主機命令，包括對標簽的讀寫、鎖定、銷毀等命令。如果收到讀取命令，當標簽進入讀寫器讀寫范圍時，解碼模塊對標簽信號進行解碼，然后傳輸?shù)较到y(tǒng)處理模塊進行數(shù)據(jù)處理；若同時讀取到多標簽，則進入防碰撞處理過程；若讀取失敗，則返回主程序并等待下個指令。主機可對標簽進行鎖定，實現(xiàn)對標簽所有區(qū)的寫保護，防止標簽數(shù)據(jù)被篡改。收到銷毀命令時，會銷毀電子標簽中的信息，并且該過程不可逆轉，標簽的數(shù)據(jù)也無法追回。

2.2 防沖撞算法設計

軟件設計中，高效的多標簽識別是整個系統(tǒng)的關鍵點。目前流行的RFID防沖撞算法主要有基于ALOHA的不確定性算法和基于樹型的確定性算法兩類[8～10]。基于ALOHA防沖撞算法主要有幀時隙ALOHA算法、純ALOHA算法、時隙ALOHA算法、動態(tài)幀時隙ALOHA和它們的優(yōu)化版本[11～13]。樹型防沖撞算法主要包括QT（Query Tree）算法、TS（Tree splitting） 算法、BS （Binary Search） 算法和BTA（Bitwise Arbitration）算法[14～16]。在 QT 算法中，四叉樹算法的缺點是分叉時會產生額外的空閑時隙，這是影響該算法的主要原因。通過剪枝操作對該算法進行優(yōu)化，過濾掉不必要的空閑時隙，增大吞吐率，提高讀寫器識別速率。剪枝的原則:

（1）最高碰撞位之后還是碰撞位，不剪枝；

（2）最高碰撞位之后是0，減去分支01和11；

（3）最高碰撞位之后是1，減去分支00和10。

算法使用堆棧數(shù)據(jù)結構保存讀寫器查詢前綴，初始化時將空字符串放入堆棧中。讀寫器從堆棧中取出查詢前綴，如果標簽的ID號前綴與之匹配，標簽將ID號中剩余信息反饋給讀寫器。當多標簽前綴相同發(fā)生碰撞時，讀寫器根據(jù)規(guī)定的剪枝原則更新查詢前綴，并放入堆棧中。讀寫器不停地讀取堆棧中的查詢前綴，直至所有的標簽被識別。算法執(zhí)行步驟如下：

（1）初始化，堆棧中放入空字符串。

（2）判斷堆棧是否為空，如果是，算法結束。

（3）讀寫器讀取堆棧中保存的查詢前綴，發(fā)送給標簽，標簽將收到的信息與自己ID匹配。匹配成功，則發(fā)送剩余信息，反之，標簽不響應。

（4）如果讀寫器只接收到一個響應，跳到步驟6；如果沒有收到響應，跳到步驟7；如果接收到多個響應，根據(jù)碰撞原則更新查詢前綴。

（5）重復步驟 2～4。

（6）識別標簽。

（7）結束。

四叉樹的節(jié)點數(shù)包括中間節(jié)點（此時將根節(jié)點算作中間節(jié)點）和葉節(jié)點：

n4表示度為4的節(jié)點，n0表示節(jié)點度為0，節(jié)點的度表示該節(jié)點擁有的自節(jié)點個數(shù)，加上根節(jié)點，所以總時隙也可以表示為：

因此：n0=3n4+1n4=（n0-1）/3

假定標簽數(shù)量為n，不滿足剪枝條件時，并且碰撞時沒有產生時隙時，葉節(jié)點數(shù)n0=n。

由于n4=（n0-1）/3，此時算法總時隙是：

產生兩個空閑時隙時，空閑節(jié)點m=2n4，此時算法總時隙為：

滿足剪枝條件時，葉節(jié)點和標簽數(shù)相等，此時中間節(jié)點的子節(jié)點只有滿四叉樹時的一半，算法總時隙是：

綜上可知，改進后的算法總時隙的范圍為[（7n-1）/6，2n-3]。

3 讀寫器測試

3.1 讀取距離測試

讀寫器硬件電路正常工作之后，對讀寫器的標簽讀寫能力進行測試，在天線輻射范圍內，將標簽靠近天線，待讀寫模塊讀取到標簽后慢慢增大距離。讀寫器通過輪詢的方式發(fā)射射頻信號，通過設置輪詢周期為20，可評估讀寫器的正確率和穩(wěn)定性，測試結果如表1。在5dBi天線配合下，2m以內讀取率和正確率達到100%，極限讀取距離為2.5m，測試結果穩(wěn)定可靠，滿足實際應用需求。

表1 距離測試

3.2 吞吐率測試

吞吐率是衡量算法性能的重要指標，吞吐率越大，識別速率越快。算法的吞吐率為：

通過仿真測試之后得到如圖4所示的結果，吞吐率高達0.64，滿足讀寫器快速識別多標簽的要求。

圖4 吞吐率測試

4 結語

系統(tǒng)采用分立元件組建讀寫器系統(tǒng)，工作在915～920MHz頻率范圍內，讀寫距離2～2.5m。設計了新型的四叉樹防沖撞算法，仿真和測試分析表明通過剪去四叉樹中的空閑時隙，該算法顯著減少了了讀寫器識別時間，提高了RFID系統(tǒng)的識別效率。雖然該讀寫器在性能上有所改進，達到了設計目標，但還有不足之處。多標簽讀取時較高的識別率和較遠的讀取距離限制了讀取標簽的數(shù)量，今后可以提高接收靈敏度，增大可識別標簽的數(shù)量，還可增加讀寫器自組網功能。