基于ISO180006C協(xié)議的超高頻RFID讀寫器設(shè)計--AS3990

1、基于I S O 18000-6C 協(xié)議的超高頻R F I D 讀寫器設(shè)計張余明*1劉浩21桂林瀚特信息產(chǎn)業(yè)有限公司,廣西桂林5410042廣西工學(xué)院信息與計算科學(xué)系,廣西柳州(545006摘要論文提出了一種基于I S O 18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)的超高頻R F I D 讀寫器設(shè)計,分析了I S O 18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點和各項指標(biāo),分析了讀寫器射頻電路,給出了硬件電路及軟件的設(shè)計方案,并完成了系統(tǒng)測試。關(guān)鍵詞R F I D ;讀寫器;超高頻;I S O 18000-6C中圖分類號:T P 393文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1009-1033(201102-0134-03無線射頻識別(R

2、a d i o F r e q u e n c y I d e n t i f i c a t i o n ,R F I D 技術(shù)1,是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。R F I D 通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象,獲取相關(guān)的數(shù)據(jù),無需人工接觸、無需光學(xué)可視即可完成信息輸入和處理。操作簡單快捷,識別距離遠,傳輸速率快,同時具有難以偽造和智能性較高等優(yōu)點,因而得到社會各領(lǐng)域的廣泛使用。超高頻R F I D 技術(shù)具有識別距離更遠、識別速度更快、識別準(zhǔn)確率高、抗干擾能力強、使用壽命長、可穿透非金屬材料等特點,在高速公路車輛自動識別、自動收費系統(tǒng)、城市交通管理、鐵路車輛識別、物流倉庫管理等廣

3、闊的場合有著巨大的市場和應(yīng)用前景,因此也成為目前研究的熱點2。1基于I S O 18000-6C 協(xié)議的超高頻R F I D 讀寫器分析1.1物理層讀寫器向一個或多個標(biāo)簽發(fā)送信息時采用雙邊帶幅度鍵控(D S B -A S K ,單邊帶幅度鍵控(S S B-A S K 或采用脈沖間隔編碼(P I E 格式的反相幅度鍵控(P R-A S K 調(diào)制射頻載波來實現(xiàn)。標(biāo)簽從同一調(diào)制的載波中接收它們工作的能量3。讀寫器接收標(biāo)簽發(fā)送的信息時發(fā)送一個無調(diào)制的射頻載波并偵聽標(biāo)簽反向散射的應(yīng)答。標(biāo)簽傳送信息采用調(diào)制反向散射的射頻載波的幅度方式實現(xiàn)。編碼方式可以根據(jù)讀寫器的命令選擇,或者為F M 0編碼,或者為M

4、i l l e r 調(diào)制副載波。讀寫器與標(biāo)簽之間的通信鏈路是半雙工的。1.2標(biāo)簽識別層讀寫器管理標(biāo)簽群通過以下三種基本操作實現(xiàn)4:(1選擇(S e l e c t :選擇標(biāo)簽數(shù)量進行盤存和訪問的操作。S e l e c t 命令可以根據(jù)用戶指定的準(zhǔn)則連續(xù)地選擇一個特定數(shù)量的標(biāo)簽。(2盤存(I n v e n t o r y :識別標(biāo)簽的操作。讀寫器在4個s e s s i o n s 中的一個s e s s i o n 里通過發(fā)送Q u e r y 命令開始一個盤存周期(i n v e n t o r y r o u n d ,一個或多個標(biāo)簽可能響應(yīng)。讀寫器檢測到一個單一的標(biāo)簽應(yīng)答并請求該標(biāo)簽

5、的P C 、E P C 和C R C-16。盤存周期操作一次僅能在一個節(jié)中進行。(3訪問(A c c e s s :與標(biāo)簽的通信操作。單個標(biāo)簽在訪問前必須首先被唯一地識別。1.3通信信息傳輸通信信息的傳輸包括讀寫器到標(biāo)簽、標(biāo)簽到讀寫器兩個通信方向。(1脈沖間隔編碼。讀寫器與電子標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼是脈沖間隔編碼(P I E 。P I E 編碼通過定義脈沖下降沿之間的不同時間寬度來表示4種符號(O ,1,S O F ,E O F 。(2F MO 碼和M i l l e r 碼。標(biāo)簽向讀寫器返回的數(shù)據(jù)采用F MO 碼或者M i l l e r 碼編碼。1.4標(biāo)簽狀態(tài)及狀態(tài)間轉(zhuǎn)移路徑如圖1所示,根

6、據(jù)I S O 18000-6C 通信協(xié)議,讀寫器在對標(biāo)簽群進行操作的時候,標(biāo)簽主要在以下幾種狀態(tài)之間切換:(1就緒狀態(tài)。通電標(biāo)簽被滅活后或者正參與當(dāng)前某盤存周期的保持狀態(tài)。進入射頻場后,沒有被滅活的標(biāo)簽則進入就緒狀態(tài)。(2仲裁狀態(tài)。參與當(dāng)前盤存周期但槽計數(shù)器數(shù)值不4312011年第2期(總第62期桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報J O U R N A L O F G U I L I N C O L L E G E O F A E R O S P A C E T E C HN O L O G Y 信息與電子工程*作者簡介:張余明(1971-,男,廣西桂林人。工程師。研究方向:R F I D 、網(wǎng)絡(luò)通

7、信。 圖1讀寫器對標(biāo)簽的基本操作以及標(biāo)簽狀態(tài)圖等于零的標(biāo)簽的保持狀態(tài)。(3應(yīng)答狀態(tài)。槽計數(shù)器數(shù)值為零的標(biāo)簽進入應(yīng)答狀態(tài),反向散射R N l6。(4確認狀態(tài)。確認狀態(tài)的標(biāo)簽通過收到的具體命令可以轉(zhuǎn)換到任何狀態(tài)(滅活狀態(tài)除外。(5開放狀態(tài)。處于確認狀態(tài)并且訪問口令非零的標(biāo)簽在收到R e q_R N命令后即轉(zhuǎn)換到開放狀態(tài),同時反向散射新的R N l6作為句柄需要在隨后讀寫器對標(biāo)簽的一系列訪問操作中進行驗證。(6保護狀態(tài)。處于開放狀態(tài)并且訪問口令非零的標(biāo)簽在收到有效A c c e s s命令即轉(zhuǎn)換到保護狀態(tài),同時保持原來的句柄不變。(7滅活狀態(tài)。處于開放狀態(tài)或保護狀態(tài)的標(biāo)簽在收到K i l l命令后,

8、以有效非零滅活口令和有效旬柄進入滅活狀態(tài),同時標(biāo)簽不再對讀寫器的命令做出任何響應(yīng)。1.5標(biāo)簽盤存和訪問步驟讀寫器發(fā)出S e l e c t命令選擇特定的標(biāo)簽群后,讀寫器從中唯一確定一張標(biāo)簽并對該標(biāo)簽進行訪問操作。具體流程如圖2所示:讀寫器首先發(fā)一個含有Q值的Q u e r y命令;參與標(biāo)簽在收到Q u e r y命令后,在(0,2Q-1范圍內(nèi)挑選一個隨機數(shù)值載入槽計數(shù)器;隨機數(shù)等于零的標(biāo)簽換成應(yīng)答狀態(tài)并立即作出應(yīng)答;隨機數(shù)非零的標(biāo)簽不作出反應(yīng),繼續(xù)等待讀寫器發(fā)出的Q u e r y A d j u s t或Q u e r y R e p命令;當(dāng)標(biāo)簽進入應(yīng)答狀態(tài)后即反向散射R N l6,讀寫器以

9、含有相同R N l6的A C K命令確認該標(biāo)簽;之后,被確認的標(biāo)簽轉(zhuǎn)換到確認狀態(tài),反向散射其P C、E P C和C R C16;讀寫器發(fā)送含有與之前相同的R N l6的R e qR N命令,標(biāo)簽反向散射一個新R N l6作為應(yīng)答;最后,讀寫器以新的R N l6作為訪問句柄,對標(biāo)簽進行訪問操作。2讀寫器硬件設(shè)計本超高頻讀寫器采用高集成度芯片A S3990設(shè)計。2.1A S3990芯片特點A S3990芯片是奧地利微系統(tǒng)公司研制的用 于圖2標(biāo)簽盤存和訪問步驟圖860MH z960MH z的超高頻R F I D讀寫器的專用芯片,封裝形式為64腳Q F N封裝。芯片內(nèi)集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議轉(zhuǎn)換

10、單元、連接M C U(微控制器的8b i t并行接口或S P I串行接口等5,具有集成度高的特點。芯片具有兩種工作模式,支持I S O18000-6C和I S O18000-6A/B協(xié)議。芯片具有并行接口或串行接口兩種數(shù)據(jù)接口方式,方便與M C U進行數(shù)據(jù)通信。需要發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)信號經(jīng)編碼、調(diào)制、射頻放大后輸出到天線。2.2讀寫器總體設(shè)計如圖3所示,發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)A S3990編碼、載波調(diào)制后,由R F O P X與R F O N X兩端差動輸出至射頻功率放大器P A,經(jīng)放大后的信號通過隔離器由天線發(fā)送出去。經(jīng)天線接收的信號通過隔離器后輸送到A S3990的輸入端M I X S-I N,由A S

11、3990進行混頻、增益、濾波、數(shù)字化后得到數(shù)字信號,再送給M C U處理6。讀寫器天線設(shè)計則根據(jù)讀寫距離的需要采用基于P C B板的微帶天線方案或?qū)Ｓ猛饨犹炀€方案。讀寫器與外部的數(shù)據(jù)通信則設(shè)置了U S B接口和R S232接口。如果有需要,也可以通過選用不同型號的M C U方便地支持以太網(wǎng)接口或其他類型的總線接口7 。圖3讀寫器的設(shè)計框圖5313讀寫器軟件設(shè)計3.1讀標(biāo)簽流程標(biāo)簽讀操作可以分為單標(biāo)簽讀和多標(biāo)簽讀兩種情況8。對于多標(biāo)簽讀,就是同時出現(xiàn)多張電子標(biāo)簽,讀寫器要識別全部標(biāo)簽,而且不能出現(xiàn)重復(fù)讀和漏讀問題。通過設(shè)置不同的Q值可以讀取不同的標(biāo)簽數(shù)目。讀寫器一次可以識別2Q-1張電子標(biāo)簽。當(dāng)

12、要識別的標(biāo)簽數(shù)大于2Q-1時,一部分標(biāo)簽載入槽計數(shù)器的隨機數(shù)必然相同,在連續(xù)收到Q u e D,R e p命令以及A C K命令之后,這些標(biāo)簽的隨機數(shù)同時減為0并同時返回應(yīng)答信號,這時就會產(chǎn)生沖突。在實際的應(yīng)用當(dāng)中,事先不可能知道具體場合中標(biāo)簽的數(shù)量,所以無法準(zhǔn)確地設(shè)置Q值。通過在識別過程中根據(jù)讀標(biāo)簽過程的返回情況使用Q u e r y A d j u s t命令修改Q值大小可以解決以上的問題,即根據(jù)射頻場內(nèi)不同的標(biāo)簽數(shù)目,自動調(diào)整Q值大小。多標(biāo)簽讀流程是:首先選擇射頻場內(nèi)的標(biāo)簽群,之后通過含有Q值參數(shù)的命令對標(biāo)簽群啟動一個盤存周期,之后不斷發(fā)送Q u e r y R e p0命令和A C K

13、 O命令對標(biāo)簽槽計數(shù)器減值并進行識別,正確唯一識別的標(biāo)簽序列號被記錄在存儲器中。為了識別全部標(biāo)簽,Q u e r y R e p0命令和A C K O命令需要重復(fù)執(zhí)行N=2Q-1次,即把所有Q值產(chǎn)生的可能的時隙都要歷遍。單標(biāo)簽讀是指讀寫器每次只需對單獨一張標(biāo)簽進行識別,如果識別成功則馬上停止搜索過程。身份識別、刷卡扣費、個別貨物管理等應(yīng)用中需用到單標(biāo)簽讀的功能。對比多標(biāo)簽讀,單表簽讀時間更快、算法也簡單。由于單標(biāo)簽讀在成功搜索到一張標(biāo)簽后馬上退出搜索過程,所以,單標(biāo)簽讀可以設(shè)置Q值為0,這樣,載入槽計數(shù)器的隨機數(shù)必然等于0,即讀寫器只需搜索一次便可以把一張標(biāo)簽識別出來,從而極大提高單標(biāo)簽讀的速

14、度。3.2寫標(biāo)簽流程讀寫器首先搜索射頻范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽,唯一確定一張標(biāo)簽后,判斷該標(biāo)簽是否設(shè)置了密碼(即使用了L o c k0命令的標(biāo)簽,如果沒有,則可以直接對選定的標(biāo)簽進行寫操作;如果標(biāo)簽被鎖定,讀寫器通過發(fā)送兩條A c c e s s(和R e q_R N(16命令判定對該標(biāo)簽是否擁有寫操作權(quán)限。第一個A c c e s s(命令包含標(biāo)簽的以R N l6異或高16位密碼的訪問口令,第二個A c c e s s(命令包含以不同的R N16異或低16位密碼的訪問口令。在發(fā)出A c c e s s(命令之前,讀寫器首先發(fā)出一個R c qR N0命令獲得一個新的R N16。只有當(dāng)兩次驗證都通過,即

15、32位密碼正確時,讀寫器才有對該標(biāo)簽的寫操作權(quán)限。R c qR N命令產(chǎn)生的16位隨機數(shù)R N l6,與標(biāo)簽A c c e s s密碼進行異或得到命令參數(shù)。如果用戶想要獲得A c c e s s密碼,就必須擁有相同的用于加密的R N l6隨機數(shù),否則,無法取得密碼。這些措施有效保護了密碼的隱秘性和通信的安全性。4結(jié)束語本系統(tǒng)基于I S O18000-6C協(xié)議的超高頻讀寫器,設(shè)計方案采用高集成度芯片,外部器件少、調(diào)試方便,標(biāo)簽讀取速度快,誤讀、漏讀率低。系統(tǒng)可以在三種工作模式中切換,在不需要讀寫卡操作時,可進入休眠模式或者監(jiān)聽模式。因此本系統(tǒng)具有開發(fā)簡單、功耗低、體積小、成本低的特點,具有良好的

16、穩(wěn)定性和可靠性。適用于手持式或臺式R F I D讀寫器、銷售點分布系統(tǒng)以及訪問控制等應(yīng)用場合。參考文獻1K l a u sF i n k e n z e l l e r.射頻識別(R F I D技術(shù)M.陳人才,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2001.2游戰(zhàn)清,李蘇劍.無線射頻識別技術(shù)(R F I D理論與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2004.3單承贛,等.射頻識別(R F I D原理與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2008:84-99.4劉宏偉,李成.I S O-I E C l80006C簡析J.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2007(7:32-33.5A u s t r i am i c r o s y s t e r n s.A S3990S t a r t u py o u rd e s i g n