由于低頻信號對環(huán)境的敏感程度相對較低，同時低頻(如125kHz)RFID閱讀器與標簽的成本相對較低，因此，低頻RFID在許多應用領域發(fā)揮著重要作用。然而，現(xiàn)有的單通道低頻RFID閱讀器在組成大規(guī)模應用系統(tǒng)時非常不便，會使系統(tǒng)累贅、可靠性下降、成本增加。為了解決這些問題，有必要探討多通道低頻RFID閱讀器的設計方法。
1閱讀器的組成
圖1為多通道多模式低頻RFID閱讀器的結構框圖。閱讀器包含6個讀取通道，每個通道包含一個EM4095芯片，它們在同一個MCU的程序控制下工作。設計6個通道的目的是組成多種有效的工作模式，便于實際應用。閱讀器每個通道的解碼均由MCU的程序控制完成，這樣可以大大地簡化硬件設計、降低成本。閱讀器通過CAN總線或RS485總線與上位機相連，進行數據通信，接受工作模式的設定指令和其他的控制指令，上傳各通道讀取的標簽信息和閱讀器本身的工作狀態(tài)；同時也可構成集散型系統(tǒng)，便于大規(guī)模應用。
2EM4095芯片的用法
EM4095是瑞士EMMicroelectronic公司的一款用于RFID閱讀器的專用芯片。圖2為EM4095的應用原理圖。DEMOD_OUT引腳為AM解調信號的輸出端；MOD為調制控制端，低電平時沒有調制，高電平時100％調制；RDY／CLK輸出端具有多個功能指示作用，或作為發(fā)送已準備好指示，或作為接收同步時鐘信號輸出指示。當芯片內部鎖相環(huán)工作建立，接收電路開始工作時，RDY／CLK端會輸出連續(xù)的與DEMOD_OUT端數據信號同步的時鐘信號；SHD為高電平時，EM4095進入睡眠省電模式，RDY／CLK也被置為低電平。
3數據接收解碼方法
由于EM4095只是提供了產生載波與AM調制解調功能，因此閱讀器數據發(fā)送編碼與數據接收解碼須由MCU完成。通常125kHz的RFID數據傳輸速率為2～3．2kb／s。數據發(fā)送編碼相對簡單，只需要控制發(fā)送端口定時輸出指定的數據位就可以了。數據的接收解碼要復雜一些，下面以遵循ISO11784／11785標準的數據通信協(xié)議為例說明采用MCU進行數據接收解碼的方法。
3．1標簽信息數據幀的格式
圖3為RFID標簽在收到閱讀器發(fā)送的電磁波信號后，返回的信息數據幀格式。根據ISO11785標準，數據幀(共128位)分為4個段，分別為幀頭段、標識代碼段、CRC校驗碼段以及準備將來使用的擴展預留段。幀頭段代碼為00000000001，包含有10個“0”。為了防止出現(xiàn)與幀頭相同的代碼，所有后續(xù)碼段每8位數據插入1個控制位“1”。標識代碼段內的標志位1為附加數據塊標志，標志位2為動物標志。CRC校驗碼段為CCITT16位CRC校驗碼。擴展預留段現(xiàn)在還沒有使用，統(tǒng)一設為000000001000000001000000001，其中的“1”即控制位。
3．2標簽信息數據的編碼
采用MCU進行接收數據幀解碼的關鍵步驟是幀頭段的捕獲。圖4為RFID標簽回饋給閱讀器的信息比特流的編碼方式。MCU檢測到EM4095芯片RDY／CLK引腳端產生時鐘信號時，進入幀頭段的捕獲狀態(tài)。
在沒有信號輸入時，EM4095的輸出端DEMOD_OUT為低電平，根據幀頭的代碼與編碼方式，輸入到MCU的幀頭段信號波形如圖5所示?？紤]到RFID標簽的頻率125kHz會有一定的誤差，且數據傳輸率也不會精確地為2kb／s或3.2kb／s，所以幀頭的捕獲包括兩個方面的含義：一是幀頭段的識別，即幀頭代碼的判斷；二是波特率的確定，即信號跳變的時間間隔△T的測量。幀頭捕獲的目的是為幀信號后續(xù)代碼段的檢測解碼提供依據。
3．3標簽信息數據的程序控制解碼方法
考慮到數據的傳輸率不會大于3．2kb／s，根據圖4所示的數據調制編碼方式可知，信息數據輸出端口(如圖2的DEMOD_OUT引腳)的信號變化頻率不會大于6．4kHz。在硬件實現(xiàn)的異步串行通信解碼接口中，通常選擇采樣頻率為信號變化頻率的16倍、32倍或更高。在這里由MCU程序控制進行串行數據解碼的方法是：對接收的編碼信號脈沖跳變的時間間隔進行測量。由圖4的編碼方式(曼徹斯特編碼)可知，表示數碼0的時間間隔是表示數碼1的時間間隔的1／2，因此測得信號脈沖跳變的時間間隔，通過程序判斷比較就可解碼出數據0或1。要測量信號脈沖跳變的時間間隔就需要有參考時鐘信號，在這里，當參考時鐘信號頻率為被測信號最高頻率的32倍時，其值為204．8kHz。大多數MCU的定時器／計數器都能對這一頻率的信號進行計數測時。若采用LPC214x的定時器／計數器捕獲功能就可以實現(xiàn)這一點。
將需要解碼的信號(圖2的DEMOD_OUT引腳輸出)接入到MCU定時器的捕獲端口，當沒有接收信號時，接收端口保持為低電平。當RFID閱讀器發(fā)送出閱讀命令后，接收程序準備就緒，同時啟動定時器計數。一段延時后接收信號到來，輸入信號每次發(fā)生跳變時，捕獲定時器的計數值，讀取并保存。設第0次跳變的捕獲保存值為T0，第n次跳變的捕獲保存值為Tn，相鄰上次捕獲的保存值為Tn-1，從第1次跳變開始，計算差值△Tn：
△Tn=|Tn-Tn-1|(n≥1)
如果連續(xù)18次以上的差值△T相同(即△T1、～△T18相同)，則幀頭段捕獲成功?？紤]到接收信號放大檢波帶來的誤差以及MCU定時器／計數器存在有計數誤差，判定差值相同的依據為：
|△Tn-△Tn-1|≤2
式中，1≤n≤20，即相互之間的誤差不大于2。
差值的平均值為：
△T=(△T1+△T2+…+△TN)／N(18≤N≤20)。
△T為后續(xù)數據段解碼的檢測周期；如果后續(xù)碼段信號產生跳變的時間間隔等于平均值△T，則解碼為數據0；如果跳變的時間間隔值為平均值△T的2倍，則解碼為數據1。據此，就可以對接收的整個標簽信息數據幀進行解碼。
4閱讀器多通道、多模式的用法
閱讀器包含6個通道，可以根據應用需要配置出幾種典型的工作模式，如6通道輪循工作模式、6通道同步工作模式等。6通道輪循工作模式可用于靜態(tài)(如倉儲、圖書館等)物品的監(jiān)管，其輪循的周期時長可根據要求設置；6通道同步工作模式，可用于每個通道所對應的位置對系統(tǒng)時間響應都有嚴格要求的場合；6通道獨立工作模式主要針對一些需求少于6通道的場合，它可以靈活地關閉或開啟其中任意幾個通道；雙3D工作模式，則是將6通道分成2組，每組3個通道監(jiān)測同一個位置，3個通道的天線波束指向分別為前后、左右、上下3個相互垂直的方向(3D)，確保進入監(jiān)控位置的RFID標簽不會因擺放方向的差異而出現(xiàn)漏讀。另外，這種模式可同時對2個位置進行3D監(jiān)測，當RFID標簽分別通過這兩個被監(jiān)測的位置時，閱讀器能根據RFID標簽信號出現(xiàn)的時間先后判斷出RFID標簽移動的方向。
結語
設計的多通道、多模式低頻RFID閱讀器具有組態(tài)方式靈活、應用范圍廣的特點，且閱讀器的多通道集中控制可以有效地降低通道之間的串擾。實際應用表明，多通道、多模式低頻RFID閱讀器具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。