一种UHF RFID读写器的设计方法

引言

本文介绍了一种基于ISO/IEC 18000-6 Type B标准的读写器设计，并给出了RFID读写器的系统硬件设计和软件流程设计。读写器采用零中频收发结构作为射频前端模块，采用PHILIPS公司的P89LPC932A1单片机作为数字基带处理模块，并通过UAR或USB与计算机（主机）进行通信。

1 ISO/IEC18000协议

ISO/IEC 18000-6 Type B防冲突机制

进入场区的标签主要有三种状态：

（1） READY;

（2） ID;

（3） DATA EXCHANGE。

为解决防冲突算法问题，标签内应具有以下两种硬件电路：

（1） 一个8位的计数器;

（2） 一个随机数发生器（产生“0”或“1”）。

当标签进入ID状态的同时把它们内部的计数器清“0”。它们中的一部分可以通过接收GROUP_UNSELECT指令重新回到READY状态，其他处在ID状态的标签就进入了防冲突碰撞判断流程中。

2 读写器的硬件设计

读写器射频前端采用零中频接收结构，发送和接收通路隔离采用多天线技术，其系统硬件结构如图1所示。由频率综合器产生所需要的射频信号，然后经过功分器得到两路载波信号，分别用于发送通路和接收通路。发送通路采用OOK调制，基带信号通过开关通断控制载波是否经过功放，并由天线发送;接收通路中接收信号先经过功分、放大等操作，然后分别送到混频器和两路正交的载波信号进行混频，对混频之后的信号经过滤波、放大、电平比较等操作，恢复出数字基带信号。该系统之所以采用两路正交混频结构，主要是为了避免射频场中存在的盲点。如果只采用一路接收信号，当接收信号的相位和本振信号的相位相差90 度，混频后的信号始终为零，即有用信号没有解调出来。但采用正交I和Q两路接收信号，无论相位延时是多少，I和Q中总有一路能解调出有用信号。

读写器的数字基带处理模块采用PHILIPS公司的P89LPC932A1单片机，P89LPC932A1 采用了高性能处理器结构，指令执行只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51。它具有512 字节片内附加RAM，8K FLASH程序存储器以及增强型UART。该数字模块主要完成协议指令处理，防冲突算法以及通信数据的编解码和校验。

3 读写器的软件设计

3.1 数字基带的整体设计

读写器数字基带整体结构如图2所示，其中包括串口通信模块，指令处理模块，回波处理模块以及数据编解码模块。

读写器是在计算机（主机）监控之下进行工作，两者之间形成主从通信模式。读写器接收到主机发来的指令，由译码模块确定读写器的具体操作。操作分为两大类，一类是对读写器操作，包括读版本信息，设置工作频率模式（固定频率和跳变频率）和IAP软件升级等，处理完成后将信息通过UART返回给主机;另一类是对标签操作，其中包括防冲突读卡号，读标签和写标签等，该操作指令通过Manchester编码器发送后，等待回波返回数据通过FM0解码器后进入回波处理模块，数据正确则通过UART返回给主机。

3.2 防冲突算法的实现

根据ISO/IEC18000-6B防冲突算法，针对读写器特定的应用要求，完成如图3所示防冲突读卡号流程。首先读写器发送GROUP SELECT指令，进入场区的标签将内部计数器清“0”，并返回UID。如果返回数据错误，则发送RESEND指令，连续2次RESEND指令后， 返回数据仍然错误，则认为场区内存在多张卡，发送FAIL 指令，进行防冲突。如果返回数据正确，则发送DATA READ指令，使该标签离开ID状态，不在进行防冲突过程，然后发送SUCCESS指令，继续读卡。如果连续5次没有回波相应，则认为场区无卡，结束防冲突读卡。

3.3 Manchester编码器设计

Manchester编码是在1个位窗内采用电平变化来表示逻辑“1”（下降沿）和逻辑“0”（上升沿）的。Manchester编码特点，“10”代表数据“1”，“01”代表数据“0”。根据其特点，编码过程如下：首先取数据，循环左移，根据移出位判断编码操作，左移8次后，取下一个数据，重复上述操作，直到发送完所有数据，编码结束。

3.4 FM0解码器设计

FM0编码是在1个位窗内采用电平变化来表示逻辑，如果电平只在位窗的起始处翻转则表示数据“1”;如果电平除了在位窗的起始处翻转，还在位窗的中间翻转则表示为数据“0”。

FM0编码特点如下：“11”和“00”代表数据“1”，“01”和“10”代表数据“0”。

解码过程：首先读写器同时对I和Q两路信号进行采样，利用状态机检测返回帧头的正确性，读写器根据帧头的正确性来决定对I或Q路信号进行解码。针对FM0编码的特点可知，FM0每个数据单元的起始处发生翻转，由此可以根据起始处的上升沿或下降沿以及位窗中的采样点来判断出此位窗所表示的数据。设定一个位窗时间长度为T，一种情况是位窗起始处为下降沿，在该位窗3/4T处采样，采样为1则位窗表示数据“0”，采样为0则位窗表示数据“1”;另一种情况是位窗起始处为上升沿，在该位窗3/4T处采样，采样为1则位窗表示数据“1”，采样为0 则位窗表示数据“0”。

结束语

提出了基于P89LPC932A1单片机的超高频读写器设计，根据ISO/IEC18000-6B标准， 实现了uhf频段防冲突碰撞读取标签卡号，读写标签数据等功能，最后针对通信数据的特点分别提出了Manchester编码和FM0解码流程。读写器在完成硬件和软件设计后进行了制版、调试和测试，并最终实现了产品化。此系统也为研究rfid读写器的SoC设计提供了一定的参考价值。