文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)10-0019-04
與IC卡識別和條形碼識別技術相比，RFID技術具有無接觸、信息存儲量大、讀取速度快、不易受到污染、可同時識別多個目標等優點，特別適合對數量大、分布區域廣的信息進行智能化管理和高效快捷地運作[1]。目前RFID技術按頻率可分為低頻系統(125 kHz和134 kHz)、高頻系統(13.56 MHz和27.125 MHz)、超高頻系統(860 MHz～960 MHz）和微波系統(2.45 GHz和5.8 GHz)。然而，現階段我國70%的RFID市場應用還主要集中在高頻領域，如身份證、電子門票、公交卡等，超高頻的市場應用比重還不足10%。超高頻RFID系統與高頻RFID相比具有通信距離遠、響應速度快、抗干擾能力強等優點，已成為目前RFID產業研究的熱點。
1 系統硬件設計
1.1 AS3992簡介
AS3992芯片是奧地利微系統公司研制的一款支持ISO18000-6C/6B協議的900 MHz RFID讀寫器專用集成芯片。內部集成了發送電路、接收電路和EPC Gen2協議處理模塊[2]，發射模塊包括增益放大器(VGA)、功率放大器(PA)、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器、調制器、數/模轉換器(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、解調器、模/數轉換器(ADC)等模塊。內部功放的輸出功率可以高達20 dBm，片上VCO和PLL可產生840 MHz～960 MHz的振蕩頻率，其接收靈敏度可達-86 dBm，從而使芯片外圍電路大大簡化。收發模塊還可以自動生成報頭幀和CRC校驗，生成幀的數據塊通過片上的24 B FIFO寄存器傳輸到MCU[3]。AS3992通過軟件設置可以在待機模式、休眠模式和收發模式三種工作模式間切換，大大降低了功耗。當系統工作于收發模式時，讀寫器功耗僅為1.2～1.5 W，遠低于目前主流2.5 W的UHF射頻芯片Intel R1000。
1.2 硬件結構
系統硬件結構如圖1所示。
AS3992與MCU通信方式有兩種：(1)并行方式，包括8 bit數據、時鐘CLK以及中斷信號IRQ；(2)串行方式，包括標準SPI接口以及中斷信號IRQ。本設計采用并行操作，可支持EPC數據鏈路640 Kb/s的最快速率[4]。
MCU選用ARM Cortex-M3處理器LM3S8962，其內核基于哈佛結構，指令和數據可以從存儲器中同時讀取，對多個操作可以并行執行，程序運行速度很高，具有更低延遲的中斷，表現了出色快速的中斷響應，而且還同時具有兩種睡眠模式，更加節省了功耗；利用Max3232和ADM3485芯片分別實現RS232和RS485串口通信；同時系統還設有RJ45以太網接口，可以直接將讀寫器與網絡相連；復位信號由Max809芯片提供，用于監控微控制器和其他邏輯系統的電源電壓；通過11個I/O口連接AS3992芯片的IO0～IO7、EN、CLK和IRQ管腳，實現芯片間并行通信；利用I/O口設有讀卡LED燈指示和蜂鳴器讀卡聲音指示。
射頻前端模塊首先對發射信號進行編碼、載波調制后，由RFOPX和RFONX兩引腳差分輸出，經Balun變換輸入射頻功率放大器PA，然后通過定向耦合器和環形器經RF1450開關由天線發送給電子標簽；接收來自電子標簽的射頻信號，提取有用信號通過Balun變換后輸送到AS3992的輸入端MIX-INP和MIX-INN，由AS3992進行混頻、增益、濾波、模/數轉換后得到數字信號，再送給MCU處理。
1.3 射頻前端電路設計
AS3992雖然集成了內部功率放大器，輸出功率可以達到20 dBm，但一般情況下在空曠靜止的環境中識別距離也就在2 m左右。因此，為了支持更遠的讀寫距離，設計中將AS3992芯片設置為最大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、隔離等實現射頻信號的發射。
設計中采用了差分輸入、輸出方式，信號在返回路徑中對抗串擾和突變的魯棒性好，抗干擾能力強，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匹配網絡，不僅可以起到濾波的作用，還可以引入新的反射，抵消由于負載不匹配產生的反射，從而達到改善駐波比和寬頻帶響應、獲得最小噪聲系數和最大功率傳輸的目的[5]。由于在輸出端，兩端對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射頻變壓器來實現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，可以通過設置DAC控制寄存器調節電壓大小。RF5110外圍電路設計可以參考RF5110數據手冊。圖2給出了RF5110在915 MHz頻率工作時，輸入端的輸入功率不同時對應的最終輸出功率的大小。
由圖2可知，AS3992輸出0 dBm時，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，最終天線的發射功率還不足1 W(對應30 dBm)。為了達到RF5110最佳的放大輸出，設計中引入前置增益放大器HMC580ST89，在0.5 MHz～1.0 GHz范圍內可獲得17 dB增益，輸出三階截點IP3高達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輸出功率可達到34.5 dBm，轉換效率為54.8%。
功率檢測電路如圖3所示，采用ADL5501芯片來防止因天線不匹配或定向耦合器（或環形器）的信號泄漏造成發射信號被反射進入AS3992芯片中的混頻器，導致發射信號噪聲被調制，增加接收波噪聲和誤碼率，甚至會造成混頻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，通過輸入端的兩個電阻配置衰減參數，防止功率過大燒毀芯片。AS3992根據反射功率的大小可以通過DAC控制發射功率。
通過四天線端口設計，并將多個天線在空間上排成適當陣列形式，可以保證讀寫器的4個天線對指定讀寫區域進行全方位的覆蓋。設計中采用插入損耗僅為0.4 dBm的單刀四擲射頻開關RF1450，通過MCU的2個GPIO控制天線選擇。
2 系統軟件設計
讀寫器在識別和讀寫電子標簽時，要求有比較高的識別速度和讀寫速度，尤其是讀寫器在識別電子標簽時，首先要在6B和6C兩個工作協議間進行自適應識別與切換，這對處理器軟件的運行效率和處理速度提出了較高的要求。MCU對AS3992的操作主要是修改內部的寄存器，32個寄存器訪問也給軟件設計帶來了一定的復雜性。而且軟件還擔負了編碼和解碼等通信協議的實現，能夠實時地讓用戶通過應用軟件對系統發送指令和數據。經綜合考慮，有必要在ARM控制器中引入μC/OS-Ⅱ系統來擔負系統任務的調度和系統資源的管理，這樣不僅可以使軟件的開發更加方便高效，還可以提高系統的可靠性，充分發揮控制器的處理能力。
μC/OS-Ⅱ是一種簡單高效、源代碼公開、支持多任務和搶占式內核、具有良好的可裁剪性的嵌入式實時操作系統。由于周立功單片機公司已經提供了基于群星Cortex-M3的μCOS-II移植模板，只需要更改代碼中相應的硬件底層驅動即可，工作較為簡單，本文不再對該移植內容進行分析。
2.1 主程序
主程序的控制流程圖如圖5所示。系統上電后進行初始化（主要進行定時器、串口初始化）、使能中斷、設置并行通信方式、設置工作頻率、通信協議初始化等。UART串口初始化后等待系統命令，若主機發送的命令數據包有效就會喚醒CPU工作并發送設備ID號給PC機。通過輪詢發送6B和6C協議判定命令，實現自適應自動識別并切換到相應協議處理模式下工作。
2.2 6C協議處理
通過設置AS3992內部的協議控制寄存器（01）可以實現Gen2協議和6B協議。設置Port<1:0>為“00”實現Gen 2協議，“10”實現6B協議。進入6C協議模式下，首先要初始化AS3992，以設置各寄存器的值，例如狀態控制寄存器設置為0x02，協議控制寄存器設為0x06，發射控制寄存器設為0xF0，接收控制寄存器設為0x60等。防碰撞算法采用Epc標準規定的時隙ALOHA算法，初始化后發送select命令選擇一批標簽后，盤存Querystandard(q)函數產生隨機數q，然后發送query命令，等待標簽響應，執行ReadRN（）函數讀取標簽響應，通過ACK（）和QueryRep（）命令槽計數器減值并進行識別，正確識別唯一標簽后將標簽序列號計入到存儲器中。識別過程中根據讀標簽的返回情況由QueryAdjust()命令調整q值。識別成功后發送Access（）和ReqRN（）命令進行密碼高低位的驗證，驗證成功后才可以對標簽操作。具體流程圖如圖6所示。
2.3 6B協議處理
在狀態控制寄存器中，經“Direct”位置為“1”即可計入直接模式。直接模式下只會用到4個IO口（IO2、IO3、IO5、IO6）。其中IO3用于數字調制輸入，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：當協議控制寄存器(01)中的dir_mode為“1”時，輸出未經解碼的副載波數據流；當dir_mode為“0”時，輸出由ISO18000-6C協議處理器中功能相同的FM0解碼器進行解碼之后的數據流[3]。直接模式下采用基于曼徹斯特編碼的動態二進制搜索算法，以及CRC-16校驗方式，設置鏈路頻率為40 kHz。發送指令后要退出直接模式，在普通模式下接收數據，才能使用內置解碼器來輸出數據流。CRC校驗錯誤時，檢測發生錯誤的最高沖突位X，并將其置為0，然后重新傳送(N-X)位后即中斷傳輸，標簽比對N-X位并返回響應數據。CRC校驗若無錯，計數器cnt減1、found加1；若有錯誤，則再將最高沖突位置0后重新發送命令，直至最后搜索范圍內標簽數cnt=0結束。具體流程圖如圖7所示。
本文設計了一款基于AS3992和LM3S8962單片機的ISO18000-6B和6C雙協議自適應超高頻讀寫器，并給出了軟、硬件的設計方案。讀寫器可以實現四通道天線連接，增加了標簽的讀取范圍，發射功率可達到32 dBm，讀取距離可達7 m。本系統開發周期短、功耗低、識別距離遠，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 黃玉蘭.物聯網射頻識別（RFID）核心技術詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.
[2] 譚海燕，崔如春，肖志良，等.基于AS3990/AS3991的超高頻RFID讀寫器的設計[J].電子技術應用，2010，36(3)：54-56.
[3] 唐焯宜.基于AS3991的超高頻RFID讀寫器設計[D].廣州：中山大學，2010.
[4] 汪大卓，孫玲玲，蔡鵬鵬.一種便攜式超高頻RFID讀寫器的設計[J].杭州電子科技大學學報，2010，30(5)：33-35.
[5] 劉長軍，黃卞瑪，閆麗萍.射頻通信電路設計[M].北京：科學出版社，2005.
[6] Austria micro systems.AS3992 datasheet[EB/OL].[2012-04 -28].http：//www.austriamicmsystems.com.