电子测量技术

ＥＩ．ＥＣＴＲＯＮＩＣ

第３０卷第２期

２００７年２月

Ｍ［ＥＡ趴瓜ＥＭ［ＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ

超高频射频识别读写器设计

王晓华

周晓光

孙百生

（北京邮电大学自动化学院北京１００８７６）

摘要：超高频射频识别系统具有读写速度快、存储容量大、识别距离远和可同时读写多个电子标签等特点，已经在物流等众多领域得到越来越广泛的应用。为了满足应用的需要，本文通过分析ＩＳＯ１８０００一６Ｂ标准中读写器的特性，提出了超高频射频识别读写器的解决方案，重点阐述了读写器的设计结构、工作流程，以及相关部分的设计。实际应

用结果表明，该读写器基于删微处理器，具有读写速度快（单个标签６４

等优点，能够满足应用需求。

关键词：射频识别；超高频；读写器中图分类号：ＴＮ９２

文献标识码：Ａ

ｂｉｔ／６ｍｓ）、识别率高、识别距离远（≥６ｍ）

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Ｋ则０ｒｄｓ：ＲＦⅡ）；ＵＨＦ；ｒｅａｄｅｒ

Ｏ引

言

签应答之间交换的机制）。

（１）读写器到标签的数据传输（前向链路）：采用Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编码和ＡＳＫ调制，调制指数为１１％或９９％，位速率为１０ｋｂｐｓ或４０

ｋｂｐｓ；

按照读写器发射频率的不同，ＲＦＩＤ系统可以分为低

频（１３５ｋＨｚ以下）、高频（１３．５６ＭＨｚ）、超高频ＵＨＦ（８６０～９６０ＭＨｚ）和微波（２．４ＧＨｚ以上）等几大类［“。目

（２）标签到读写器的数据传输（返回链路）：标签通过调制入射并返回散射给读写器传输信息，数据速率为

４０

前大多数应用中的ＲＦＩＤ系统使用的是低频和高频系统，但研究发现，更适合未来、特别是商业供应链中应用的是ＵＨＦ频段系统，超高频射频识别读写器具有广阔的应用前景。

１

ｋｂｐｓ，采用ＦＭｏ编码［３＿４］。读写器的命令格式如下所示：

１．３读写器的命令格式

系统工作原理及特性

ｌ帧头探测段ｌ帧头１分割符Ｉ命令Ｉ参数ｌ数据ｌ

ｃＲｃ

１．１工作原理

帧头探测段是１个至少持续４００弘ｓ的稳定无调制载波（相当于１６ｂｉｔ的数据传输）；帧头是９ｂｉｔ的Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ

“ｏ”，即０１０１０１０１０１０１

０１

典型的ＲＦＩＤ系统一般由标签、读写器和计算机通信网络组成。标签存储着待识别对象的相关信息，附着在待识别对象上。读写器利用射频信号读／写标签信息并进行处理。计算机通信网络通常用于对数据进行管理，完成通信传输功能［２］。

１．２物理接口

０１

０１；分割符用来区分帧头和

有效数据；命令和参数段没有作明确定义；ＣＲｃ采用１６位ＣＲＣ编码。

１．４标签的应答格式

标签的应答格式如下所示：

静默

返回帧头

系统传输基于“读写器先发言”机制（读写器命令与标

Ｉ数据ｌ

ｃＲｃ

】５８

万方数据万　方数据

王晓华等：超高频射频识别读写器设计

第２期

静默是标签持续２字节的返回散射（４０ｋｂｐｓ的速率相当于４００ｐｓ的持续时间）；返回帧头是１个１６位数据

“００ｏｏ０１０１０１

０１０１０１０１０１０００１１０１１０００１”；ＣＲＣ采

用１６位数据编码。１．５防冲突机制

标签充电后有３种状态：准备（ｒｅａｄｙ，初始状态）、识别（ＩＤ，标签等待读写器识别的状态）和数据交换（ｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｅ，标签被识别的状态）。标签的状态转换图如图１

所示。

图１标签的状态转换图

首先，标签进入读写器的工作范围，从离场掉电状态进入准备状态。读写器可以通过组选择或者取消选择命令让读写器工作范围内处于准备状态的所有或部分标签参与冲突判决过程。针对冲突判决算法，标签应该具有以下２种硬件电路：（１）１个８位计数器；（２）１个０或１的随机数发生器。

标签进入识别状态的同时把它们内部的计数器清“ｏ”。它们中的一部分可以通过接收取消选择命令重新回到准备状态，其他处在识别状态的标签就进入了冲突判断过程。被选中的标签开始进入下面的循环：（１）所有处于应答而发送失败命令；（３）接收到失败命令以后，内部计数器不等于。的标签将把计数器加１；内部计数器等于Ｏ的己的计数器加１；如果是“ｏ”，将保持计数器为。且再次发（２）；（５）如果所有标签都随机选择了“１”，读写器接收不到发送包含识别码的数据读命令，标签正确接收该命令后，进入数据交换状态，接着发送它的数据；读写器将发送成功命令，使处于识别状态的标签的计数器减１；（７）如果只有１个标签的计数器等于１且返回应答，重复操作（５）和（６）。如果有１个以上的标签返回应答，则重复操作（２）；（８）如果只有１个标签返回应答，并且它的识别码没有被万　万方数据

方数据定有１个以上的标签在应答，重复步骤（２）。

该防冲突机制利用随机产生的ｏ、１信号达到了二进制数搜索的效果，进一步提高了搜索效率。

２超高频射频识别读写器的设计

２．１读写器的结构

根据ＩＳＯ１８０００一６Ｂ标准和ＲＦＤ读写系统的要求，经过研究，确定读写器的设计结构如图２所示［５１］。读写器主要由以下部分组成：（１）控制部分：由ＡＲＭ微处理器和编解码电路（ＦＰＧＡ）２部分组成；（２）射频接口：由调制电路、带通滤波器和功率放大器组成的发送部分；由带通滤波器，小信号放大器，下变频电路，放大、低通滤波电路，乘法器、信号整形模数转换等电路组成的接收部分；（３）天线。

图２

ＵＨＦ

ＲＦＤ读写器的结构

２．２工作流程

读写器的工作流程如下：

（１）发送读标签命令的流程：①ＡＲＭ微处理器接收到计算机发来的读标签信号，启动读标签程序，将相应的十六进制读标签命令送至ＦＰＧＡ；②ＦＰＧＡ对读标签命令进行编码，并打包成串行基带信号送至调制器；③调制器将基带信号与本振信号混合，将信号调至ＵＨＦ频段，并送至带通滤波器进行滤波；④滤波以后，信号被送至功率放大器放大；⑤环形器将放大后的信号送至天线发射。

（２）接收标签返回信息的流程：①标签接收到读写器发来的信号，获得能量被激活，开始执行读写器命令，并将返回的应答信息以后向散射调制方式送至天线；②环形器将天线接收到的信号送至带通滤波器滤波，然后送至小信号放大器进行放大；③信号经过滤波、放大后被送至下变

１５９

识别状态并且内部计数器为。的标签将发送它们的识别码；（２）如果有１个以上的标签发送，读写器将接收到错误标签将产生１个“１”或“ｏ”的随机数：如果是“ｌ”，它将把自送识别码；（４）如果有１个以上的标签发送，将重复操作任何应答，它将发送成功命令，所有标签的计数器减１，然后计数器等于。的标签开始发送，接着重复操作（２）；（６）如果只有１个标签发送且它的识别码被正确接收，读写器将正确接收，读写器将发送１个重发命令。如果识别码被正确接收，重复操作（５）；如果识别码被重复几次接收，就假

第３０卷

电子测量技术

频电路。下变频电路将标签信号与本振信号混合，解调出低频信号，然后送至放大、低通滤波电路，滤掉剩余的载波信号，然后送至乘法器；④乘法器将双极性信号变为单极性信号，然后将信号送至整形及模数变换电路，形成基带信号送至ＦＰＧＡ；⑤ＦＰＧＡ将基带信号进行解码并进行ｃＲｃ校验，形成标签信息，传给ＡＲＭ；⑥ＡＲＭ将接收的标签信息按照一定规则传给计算机进行处理。２．３主控部分

２．３．１主控部分的结构

系统的主控部分支配系统各部分协调工作，并实现防冲突控制等功能，其结构如图３所示［５。６］。主控部分的工作原理如下。

图３主控部分的电路原理图

ＡＲＭ负责读写器内部各部分的协调工作，主要包括：与计算机的数据通讯；在启动时向Ｈ）ＧＡ传送配置数据，初始化ＦＧＰＡ；控制锁相环频率合成器的输出频率（９０２～

９２８

ＭＨｚ）；控制发射输出的功率大小；调节接收部分电压

比较器的基准电压大小，从而控制接收灵敏度；在读标签过程中向ＦＰＧＡ传送读标签命令，然后通过中断来启动接收ＦＰＧＡ，处理标签信息，实现防冲突功能。２．３．２主控部分的控制软件设计

读写器主控软件包括初始化、配置ＦＰＧＡ、开中断、启动ＰＬＬ、设定发射功率和接收比较电平、发送寻标签命令、防冲突处理、读标签命令、处理接收信息、控制发射功率的大小、通信等。读写器主控软件设计流程图如图４所示。

图４读写器主控软件设流程图

万方数据万　１６０

方数据

２．３．３防冲突程序设计

防冲突程序的流程图如图５所示。当读写器天线覆盖的范围内有多个标签时，如果读写器发送读标签命令，就会引起应答冲突。读写器检测到冲突以后，就会利用防冲突机制来与各个标签分别建立通信，从而避免冲突，完成数据通信。

图５防冲突程序的流程图

读写器首先发送命令给标签，在命令的数据域和参数当前时隙序号的最低要求ｂｉｔ加命令数据域中的掩码进行比较，如果不匹配则无应答，如果匹配将送回标签的识别发射部分的原理图如图６所示。发射部分的工作过域中分别包含标签识别码的掩码和掩码的长度，传送给标签的掩码要求是整字节，如果此掩码不是整字节将自动在高位补零。通过设置标志域的相应标志位，读写器可以设置接收标签响应的时隙数，在各时隙中读写器都可以接收标签返回的识别码，读写器通过发送结束信号的识别码和码。在某一时隙可能出现多个标签同时做出响应，这时读写器会记下冲突的标签掩码和时隙计数器的值，以做进一步冲突处理。２．４发射部分

程如下：（１）ＡＲＭ微处理器设定工作频率，控制锁相环频率合成器产生载波频率送至功率分配器；（２）功率分配器输出一路本振信号给发射混频器，输出另一路信号送至接收电路，作为接收部分下变频的本振信号；（３）ＦＰＧＡ将读标签命令编码成Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ序列的基带信号送至混频器；（４）混频器将载波信号和基带信号混合成调制信号，送至带通滤波器滤波，然后送至功率放大器进行放大（功率放大器的放大倍数由ＡＲＭ根据需要控制）；（５）放大后的信号送至天线放大器放大；（６）放大后的信号经环形器送至天线发射；（７）环形器同时将一路衰减后的信号经滤波整流后形成直流信号送回ＦＰＧＡ实现功率检测功能。

王晓华等：超高频射频识别读写器设计

第２期

精确，还用放大器产生了精确的２．５Ｖ虚地电压，作为放大、乘法器等电路的中间电位（虚地）使用，从而保证了接收电路的稳定性。

３结束语

实际应用结果表明，该读写器基于ＡＲＭ微处理器，具有读写速度快（单个标签６４ｂｉｔ／６ｍｓ）、识别率高、识别距离远（≥６ｍ）等优点，能够满足应用需求。

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号同时送到２个完全相同的解调电路进行处理；（３）解调［６］

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９１系列删核微处

电路的工作过程如下：载波信号首先通过混频器与本振信理器结构与开发［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版号混频，解调出与相移多少相对应的中频（ＩＦ）信号，送至社，２００３：６—１２．

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二阶ＬＣ低通滤波器，滤除残留的载波。为补偿低通滤波［Ｊ］．电子器件，２００５（９）：５４５．

器的衰减同时保证后续电路处理的信号幅度要求，将解调［８］吴泽海，赖声礼，张建明，等．一种ｕＨＦ频段ＲＦＤ读

后的信号再次放大，然后送至乘法器处理。乘法器对送来写器的硬件设计与实现［Ｊ］．电子技术应用，２００５

的解调信号进行自乘，使相对于虚地为负极性的脉冲信号（９）：５４５．

翻转为正极性信号；（４）２路解调电路将处理后的信号送至作者简介

加法器，经相加后再次放大，然后被送至电压比较器；（５）电压比较器将放大后完整的解调信号电压与设定的基王晓华，女，１９７８年出生，博士研究生，主要研究方向准电压比较，还原成标签返回信息的基带信号，经整形后为射频识别技术、物流技术。

送至ＦＰＧＡ处理；（６）在本部分电路中为保证解调电路的

Ｅ－ｍａｉｌ：ａｎｗｅｎ）（ｉａｏｈｕａ＠１６３．ｃｏｍ

（上接第１３７页）

ＺＯＯＺ，ｌ：７‘７—８１．

［５］ＷＡＮＧＤＭ，ＨＡＮＢ，ＺＨＡＯ

ＪＨ．ｅｔａ１．Ｃｈａｎｎｅｌ

［７］ＮＥＧＩＲ，ＣＪＯＦ】盯Ｊ．Ｐｉｌｏｔ

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ｃｈａｎｎｅｌ［Ａ］．Ｐｒｏｃ．１４一ｔｈ

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１６１

超高频射频识别读写器设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

王晓华， 周晓光， 孙百生， Wang Xiaohua， Zhou Xiaoguang， Sun Baisheng北京邮电大学自动化学院,北京,100876电子测量技术

ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY2007,30(2)4次

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