論基于物流倉儲管理的RFID讀寫器設(shè)計

1、基于物流倉儲治理的RFID讀寫器設(shè)計日期：2008-8-19來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：武慧芝 朱云龍 羅海波字體： HYPERLINK /main/adfclick?db=afp21ic&bid=168,371,399&cid=0,0,0&sid=728&advid=30&camid=178&show=ignore&url=/microsites/ftf2008 t _blank RFID(Radio Frequency ldentification、射頻識不)技術(shù)是一種利用無線射頻通信實現(xiàn)遠(yuǎn)距離識不的非接觸自動識不技術(shù)。與現(xiàn)代物流領(lǐng)域普遍使用的條碼技術(shù)相比，它在讀寫距離、保密性、智能化、環(huán)境

2、適應(yīng)能力以及使用壽命方面都有顯著的優(yōu)勢。目前，世界范圍內(nèi)針對RFID的物流應(yīng)用存在兩種編碼體系，一種是日本UID(Ubiquitous ID)中心提出的UID編碼體系，另一種是美國EPC(Electmnic Production Code電子產(chǎn)品代碼)環(huán)球協(xié)會提出的EPC電子產(chǎn)品編碼標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)在所使用的無線頻段、信息位數(shù)和 應(yīng)用領(lǐng)域等方面都有所不同。而我國還沒有自己正式的標(biāo)準(zhǔn)，然而有關(guān)RFID在900MHz頻段應(yīng)用的電磁檢測工作差不多差不多完成，我國最為關(guān)懷的是IS018000 6標(biāo)準(zhǔn)。本質(zhì)上EPC標(biāo)準(zhǔn)和IS018000并不矛盾，關(guān)于物流應(yīng)用，EPC標(biāo)準(zhǔn)則更為完善。另外，關(guān)于物流應(yīng)用來講

3、，成本是企業(yè)最關(guān)懷的問題。在滿足需要的前提下，選擇最低成本是首當(dāng)其沖的。UHF(915MHz)射頻工作距離大概在10m左右，差不多能夠滿足物流應(yīng)用的需求，而且成本要比微波段低得多。特不是UHF射頻同意采納相對較小的方向性天線，這將使讀寫器的輻射波束定向到一個特定的區(qū)域，這種特點使讀寫器能夠抵御來自于其他讀寫器或發(fā)射機(jī)的潛在干擾。鑒于上述情況，為了促進(jìn)RFID系統(tǒng)在我國物流倉儲治理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，本文提出了一種基于物流倉儲治理應(yīng)用的讀寫器設(shè)計方泫。該讀寫器的設(shè)計參照EPC標(biāo)準(zhǔn)，采納915MHz工作頻率以某公司的RFID標(biāo)簽芯片的讀寫為目標(biāo)，電路設(shè)計簡單，應(yīng)用靈活生產(chǎn)成本低廉。1標(biāo)簽功能簡介 本

4、設(shè)計所采納的標(biāo)簽為工作在860MHz960MHz的長距離無源標(biāo)簽，符合ISO18000- 6標(biāo)準(zhǔn)，工作距離可達(dá)84m(具體視天線情況而定)，尤其適用于美國物流供應(yīng)鏈治理和后勤保障系統(tǒng)。該標(biāo)簽要緊有如下特點：(1)通過RF前端的模擬電路將天線接收能量部分轉(zhuǎn)化為電量為內(nèi)部電路供電。(2)內(nèi)部包含有16位CRC(循環(huán)冗余校驗)編碼，具有專門高的數(shù)據(jù)完整性。(3)擁有快速防沖突機(jī)制，運用自身防沖突算法實現(xiàn)了真正的內(nèi)部沖突推斷以及防沖突。(4)采納64位EPC編碼，且內(nèi)部包含2,16字節(jié)用戶自定義存儲空間。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入RF區(qū)域后，標(biāo)簽被激活。假如RF區(qū)域信號強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)簽工作能量的需要，則標(biāo)簽進(jìn)入預(yù)備工作狀

5、態(tài)，等待接收讀寫器發(fā)送的指令。標(biāo)簽接收以及發(fā)送的數(shù)據(jù)都將通過CRC進(jìn)行差錯校驗。同時還通過曼徹斯特編碼以及FM0編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的愛護(hù)， 以此來保證數(shù)據(jù)的安全性。讀寫器通過外部命令結(jié)合標(biāo)簽內(nèi)部防沖突算法來實現(xiàn)多個標(biāo)簽數(shù)據(jù)的同時讀取與寫入。2 RFID讀寫器設(shè)計21硬件設(shè)計RFID讀寫器應(yīng)用在倉儲治理中除完成簡單的射頻信號收發(fā)處理之外，還需要連接上層倉庫治理系統(tǒng)(Warehouse Management SystemWMS)，將接收到的標(biāo)簽信息傳送到WMS中，以便于系統(tǒng)完成倉庫的入庫、盤點、出庫治理等操作。同時，將物品的貨位等信息通過WMS寫入物品標(biāo)簽。因此讀寫器總體結(jié)構(gòu)包括四個模塊：接收發(fā)

6、送模塊、操縱模塊、對外接口模塊和供電治理模塊。射頻電路的發(fā)送和接收模塊均由射頻信號形成和信號處理兩個單元組成，射頻功率放大器對已形成的射頻信號進(jìn)行功率放大線性放大器對所接收到的射頻信號進(jìn)行線性放大。所選芯片如表1所示。在射頻電路設(shè)計中，防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，是特不重要的環(huán)節(jié)。要選擇介電常數(shù)公差小的基材，并對電路的射頻部分和數(shù)字部分進(jìn)行分塊處理。射頻部分應(yīng)盡量使用SMT(表帖式)元件，減少過孔，并在表面加接地金屬屏蔽層。各模塊具體設(shè)計如下所述。211接收發(fā)送模塊接收發(fā)送模塊功能框圖如圖1所示。收發(fā)及調(diào)制解調(diào)芯片選用TI公司的TRF6901，功率放大芯片選用Freescale半導(dǎo)體器

7、件公司的MW4IC915GMBR芯片，線性信號放大芯片選用RF微器件公司的RF2132。TRF6901芯片內(nèi)部集成了完整的射頻接收和發(fā)送電路，能夠組成一個半雙工射頻收發(fā)電路。其工作頻率能夠通過編程進(jìn)行微調(diào)， 頻率范圍為860MHz930MHz。MW4IC915是為GSM應(yīng)用而設(shè)計的一款寬頻帶功率放大芯片，它采納了Freescale公司最新的大電壓LDMOS IC技術(shù)，能夠工作在750MHz1000MHz頻段內(nèi)，線性性能幾乎覆蓋整個應(yīng)用頻段。RF2132是砷化鎵異質(zhì)結(jié)器件(HBT)，能夠?qū)ｉT好地滿足射頻電路對放大功率、效率以及供電電壓的要求。本設(shè)計中各芯片工作頻率為915MHz。TRF6901調(diào)

8、制方式為OOK，這可通過將內(nèi)部B寄存器第4位置零來實現(xiàn)。TRF6901將所需發(fā)送信號通過PA引腳送至MW4IC915的RFIN引腳，對信號進(jìn)行功率放大之后，由天線發(fā)射出去；天線接收來的信號通過RF2132對其進(jìn)行線性信號放大，之后送TRF6901的LNA引腳，由TRF6901對接收信號進(jìn)行處理，完成讀寫器前端的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。212對外接口模塊圖2所示的對外接口模塊為電平轉(zhuǎn)換電路，要緊器件為ICL232。ICL232芯片完成讀寫器內(nèi)部TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換，通過連接標(biāo)準(zhǔn)9針串口與外部計算機(jī)連接。它是一款符合EIA RS-232標(biāo)準(zhǔn)和V28規(guī)范的雙向RS-232發(fā)送接收接口芯片，負(fù)責(zé)完

9、成電路的 TTLCMOS電平到標(biāo)準(zhǔn)串口電平的轉(zhuǎn)換，并能通過滯后改善數(shù)據(jù)接收的噪聲抑制。引腳1與3之間接1F電容，引腳2通過1F電容接5V電源，三個引腳構(gòu)成+5V電平到+10V電平的轉(zhuǎn)換電路；引腳4與5之間接1F電容，引腳6通過1F電容接地，三個引腳構(gòu)成+10V電平到10V電平的轉(zhuǎn)換電路。213操縱模塊操縱模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。讀寫器內(nèi)部操縱任務(wù)要緊由W77E58芯片完成，它是一款兼容8051的8位CMOS快速MCU。同8051相比，它減少了機(jī)器指令執(zhí)行時刻以及存儲周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持無外部存儲元件的片上1KB SRAM，節(jié)約了更多的IO引腳。它擁有四個8

10、位IO端口和一個附加的4位IO口以及等待狀態(tài)操縱信號，三個16位定時計數(shù)器，12個兩中斷優(yōu)先級的中斷源，兩個加強(qiáng)型全雙工串行通信端口以及可編程看門狗定時器；只需外加復(fù)位、晶體振蕩電路和供電電路即可。本設(shè)計中，W77E58工作頻率為40MHz。它的P1口連接TRF6901各個操縱引腳，完成對收發(fā)芯片的操縱并提供數(shù)據(jù)傳輸所需時鐘信號等；串口1連接TRF6901的數(shù)據(jù)收發(fā)端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通信。 MCU串口0連接芯片ICL232，通過異步通信完成數(shù)據(jù)傳輸，只要設(shè)定W77E58串口1工作在方式1，選擇與計算機(jī)同樣的波特率即可。該部分設(shè)計要緊集中在程序設(shè)計部分，將P1口當(dāng)作一般IO口用即可。214供電治

11、理模塊供電治理模塊電路原理圖如圖4所示。LM317T是一個三端電壓調(diào)節(jié)裝置，通過改變可變電阻R6的值，可提供12V37V的供電電壓。同時提供IC負(fù)載過電愛護(hù)。供電治理模塊電路的輸入端與輸出端均并聯(lián)一個適合于濾除低頻噪聲的鉭電容和一個適合于濾除高頻噪聲的獨石電容以提高電源的品質(zhì)。22軟件設(shè)計讀寫器軟件設(shè)計要緊包括主程序設(shè)計和標(biāo)簽讀寫防沖突程序設(shè)計兩部分。221主程序設(shè)計讀寫器應(yīng)用在物流倉儲治理中，需要連接上層WMS系統(tǒng)，因此讀寫器工作在PC機(jī)監(jiān)控之下，PC機(jī)與讀寫器以主從方式通信。如圖5所示，本設(shè)計中由于收發(fā)芯片內(nèi)部工作方式通過外部引腳連接MCU對內(nèi)部寄存器編程進(jìn)行操縱，因此主程序中還包含工作方

12、式修改程序，提高了讀寫器應(yīng)用的靈活性；同時還包括RSSI(信號強(qiáng)度檢測)，大大改善了讀取數(shù)據(jù)的正確性。MCU在完成了正常的上電復(fù)位以及初始化過程之后，PC機(jī)提示用戶是否要進(jìn)行內(nèi)部工作方式設(shè)定及修改，假如需要，則轉(zhuǎn)去處理工作方式修改程序，否則MCU進(jìn)入預(yù)備 工作狀態(tài)，預(yù)備接收PC機(jī)發(fā)送的相關(guān)執(zhí)行指令。MCU接收到指令后轉(zhuǎn)去處理相關(guān)程序。處理完畢，返回結(jié)果信息并再次進(jìn)入等待狀態(tài)。222防沖突程序設(shè)計防沖突程序設(shè)計是讀寫器程序設(shè)計中的一個重要組成部分。當(dāng)讀寫器進(jìn)入工作狀態(tài)時，在其天線覆蓋范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽將被激活，處于等待狀態(tài)，隨時預(yù)備響應(yīng)讀寫器指令操作，這就造成了標(biāo)簽讀寫沖突。為了解決這一問題，標(biāo)簽

13、內(nèi)部設(shè)計了自帶防沖突機(jī)制，只需利用相關(guān)的指令集輔助設(shè)計一種防沖突程序即可。防沖突程序流程圖如圖6所示。當(dāng)處于激活狀態(tài)的標(biāo)簽接收到讀寫器SELECT命令時，便發(fā)送自身UID給讀寫器。現(xiàn)在假如有一個以上的標(biāo)簽同時發(fā)送UID，則讀寫器判沖突發(fā)生，發(fā)送FAIL命令給標(biāo)簽，標(biāo)簽通過內(nèi)部防沖突 算法對自身相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行修改。之后，符合條件的標(biāo)簽將再次發(fā)送UID給讀寫器，由讀寫器判定沖突，重復(fù)上述操作，直到只有一個標(biāo)簽符合條件，則跳出防沖突程序，進(jìn)入標(biāo)簽后續(xù)處理程序，同時，剩余標(biāo)簽自動修改自身相關(guān)數(shù)值，為下一次讀取做預(yù)備；假如現(xiàn)在沒有符合條件的標(biāo)簽，則讀寫器發(fā)送SUCCESS命令，標(biāo)簽修改自身參數(shù)，等待讀寫

14、器檢測命令。本文在深入分析當(dāng)前RFID系統(tǒng)在物流倉儲治理領(lǐng)域應(yīng)用背景的基礎(chǔ)上提出了一種基于物流倉儲治理的讀寫器設(shè)計方泫。該讀寫器設(shè)計簡單，應(yīng)用靈活，生產(chǎn)成本低廉。今后將在實際的物流倉儲治理中應(yīng)用該讀寫器，并針對實際應(yīng)用中出現(xiàn)的讀寫速度、距離、保密性等方面的一些問題，對讀寫器設(shè)計做進(jìn)一步的改進(jìn)，以使其總體性能有大幅度的提高，促進(jìn)RFID系統(tǒng)在我國物流倉儲治理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1游戰(zhàn)清，李蘇劍無線射頻識不技術(shù)(RPID)理論與應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，20042王濤RPID國標(biāo)制定并未叫停 正在制定超高頻部分，http：/ /cysc/telecom/xwzx/200412/21/t20041221_2630755shtml3 Texas lnstruments(SLWSll0G)TRF6901 Single-chip RF transceiverTexas lnstruments,200464 Freescale Semiconductor MW4IC915 Technical DataFreescale Semiconductor lnc.，200535 RF Micro Device，RF2132 Linear PoweF Amplifie