摘 要： 針對目前市場上射頻識別閱讀器只能識別單協(xié)議標(biāo)簽的情況，設(shè)計了一種能夠識別ISO/IEC15693和ISO/IEC14443-3 TYPE A兩種協(xié)議標(biāo)簽的射頻識別閱讀器。采用TI公司的13.56 MHz頻段下的芯片S6700作為射頻模塊，現(xiàn)場可編程邏輯器件作為控制器，和單片機相比，減少了外圍電路。同時針對同時讀取多標(biāo)簽的情況，提出了一種改進(jìn)的動態(tài)二進(jìn)制防碰撞算法" title="防碰撞算法" target="_blank">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" title="防碰撞算法">防碰撞算法" 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關(guān)鍵詞： 多協(xié)議；防碰撞；現(xiàn)場可編程邏輯器件；射頻識別
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射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)是自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID的主要核心部件是閱讀器。閱讀器向與之相距幾厘米到幾米距離的電子標(biāo)簽發(fā)射無線電波，可以讀取電子標(biāo)簽內(nèi)儲存的信息，識別電子標(biāo)簽代表的物品、人和器具的身份等。由于閱讀器是連接后端應(yīng)用系統(tǒng)與前端信息載體——電子標(biāo)簽之間的主要通道，因此對于閱讀器的研究具有重要意義。
目前常見的閱讀器一般只能識別某一種協(xié)議的標(biāo)簽，本文提出一種適合多協(xié)議閱讀器的設(shè)計方案，通過輪詢法在兩種通信協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，適合于多協(xié)議標(biāo)簽共存的場合。提出一種改進(jìn)的動態(tài)二進(jìn)制搜索算法，經(jīng)實驗證明能極大地提高閱讀器的識別效率。
1 閱讀器設(shè)計方案
1.1 ISO/IEC15693和ISO/IEC14443 TYPEA通信協(xié)議
閱讀器與標(biāo)簽之間的“對話”要遵循一定的通信協(xié)議，下面對兩種協(xié)議進(jìn)行介紹。
國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15693規(guī)定了非接觸疏耦合IC卡的作用原理和工作參數(shù)。該卡的作用距離可達(dá)1 m，從閱讀器到卡的調(diào)制深度可以在10%～100%之間選擇，有“256中取1”和“4中取1”兩種編碼方法，從卡到閱讀器為Manchester編碼，采用時隙ALOHA防碰撞算法[1]。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443規(guī)定了非接觸近耦合IC卡的作用原理和工作參數(shù)。該卡的作用距離大約為7cm~15cm，Type A型規(guī)定從閱讀器到卡的調(diào)制深度為100%，采用改進(jìn)的Miller編碼，從卡到閱讀器為Manchester編碼，采用二進(jìn)制搜索防碰撞算法[2]。
1.2 閱讀器的構(gòu)成
閱讀器一般由射頻通道模塊和控制處理模塊兩部分組成。
在控制器的選擇上，由于FPGA和單片機相比具有以下優(yōu)點，所以選擇FPGA作為控制器。
(1)FPGA把相應(yīng)的邏輯暫時“固化”為一個硬件電路，對激勵作出的響應(yīng)就是電信號從FPGA的一個管腳傳播到另一個管腳，且內(nèi)部集成了鎖相環(huán)；而單片機是基于指令工作的，同樣的激勵到達(dá)單片機后，單片機首先要判斷，然后讀取相應(yīng)的指令，最后作出響應(yīng)。因此，F(xiàn)PGA響應(yīng)速度要快很多；
(2)由于用戶通過編程實現(xiàn)其邏輯功能，因此減少了外圍電路；
(3)單片機I/O接口有限，所以要進(jìn)行細(xì)致的資源分配和總線隔離。而FPGA一般具有數(shù)百個I/O口，I/O資源豐富，可以很方便地用不同I/O連接各外設(shè)。
EP1C6Q240C8是CycloneII系列的FPGA芯片，規(guī)模約是Cyclone系列器件的3倍，在邏輯容量、PLL、乘法器和I/O數(shù)量上都較Cyclone有了很大提高，能夠滿足本設(shè)計的需要，成本比Cyclone更低。在本設(shè)計中作為控制器。
芯片有兩種下載模式可供選擇：Active Serial Mode和JTAG Mode。這里采用JTAG下載模式。串行通信采用RS232標(biāo)準(zhǔn)。這是一種常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。
在射頻收發(fā)器的選擇上，由于兩種協(xié)議的編碼解碼、調(diào)制解調(diào)方式不同，而S6700芯片工作頻率為13.56 MHz，兼容ISO/IEC15693協(xié)議和IS0/IEC14443-3 TYPE A協(xié)議[3]，因此在本設(shè)計中作為射頻收發(fā)器。
圖1為閱讀器組成結(jié)構(gòu)圖，EP1C6Q240C8芯片作為控制器，通過SCLOCK、DOUT、DIN、和M_ERR四根信號線對S6700芯片進(jìn)行控制，實現(xiàn)對標(biāo)簽的識別。S6700芯片的外圍電路如圖2所示。
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下面介紹S6700芯片的工作流程。控制器的命令輸入到DIN端后，芯片通過編碼將命令轉(zhuǎn)化為所選擇通信協(xié)議的格式，經(jīng)過低通濾波器發(fā)送出去；接收端通過一個外加電阻和天線相連，經(jīng)過檢波、整流、解碼后將標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳送到DOUT端。發(fā)送命令時，由控制器來控制SCLOCK；接收數(shù)據(jù)時，控制器將SCLOCK的控制權(quán)交給芯片。如芯片正確接收到命令，將在M_ERR上產(chǎn)生一個22 μs的脈沖，當(dāng)多標(biāo)簽發(fā)生碰撞時，M-ERR的電平將被拉高，控制器接收到此信號，將執(zhí)行防碰撞算法。
2 防碰撞算法
在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會碰到同一個閱讀器作用范圍內(nèi)有多個電子標(biāo)簽的情況。由于多個標(biāo)簽共享Tag-to-Reader的上行通道，如果沒有相應(yīng)的防沖突機制，必然會引起沖突的發(fā)生。這里主要討論時分多址解決碰撞的方法。時分多址主要包括ALOHA算法和二進(jìn)制搜索算法兩種算法，根據(jù)協(xié)議規(guī)定，分別適用于ISO/IEC15693和ISO/IEC14443 TYPEA協(xié)議。由于適用于兩種協(xié)議的算法不同，因此針對兩種協(xié)議卡防碰撞的情況要分開處理。閱讀器在“閑置”狀態(tài)時能在兩種協(xié)議間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文給出了適用于ISO/IEC15693協(xié)議的防碰撞算法，并與ALOHA算法進(jìn)行了比較提出了一種改進(jìn)的動態(tài)二進(jìn)制搜索算法。從搜索次數(shù)和發(fā)送標(biāo)簽序列號的長度兩方面進(jìn)行比較，證明這種算法優(yōu)于動態(tài)二進(jìn)制搜索算法。
2.1 適用于ISO/IEC14443 TYPEA協(xié)議的防碰撞算法
ISO/IEC14443 TYPEA采用二進(jìn)制搜索防碰撞算法。為了從一組標(biāo)簽中選擇其中之一，閱讀器發(fā)出一個請求命令，有意識地將標(biāo)簽序列號傳輸時的數(shù)據(jù)碰撞引導(dǎo)到閱讀器上。由于序列號總是一次次完整地傳輸，因此又發(fā)展出了動態(tài)二進(jìn)制搜索算法，將要搜索的序列號最高碰撞位之前的部分作為搜索依據(jù)，所有與位相同的標(biāo)簽應(yīng)答并回送其序列號的其余部分。但動態(tài)二進(jìn)制搜索算法仍存在不足，閱讀器仍要將碰撞位之前的部分全部發(fā)送。這不僅浪費時間而且容易泄露標(biāo)簽序列號的信息，且所有未去活的標(biāo)簽都要比較自身是否滿足請求命令。因此本文提出一種改進(jìn)的動態(tài)二進(jìn)制搜索算法，僅將最高碰撞位作為碰撞信息置于請求命令中發(fā)送，并利用休眠計數(shù)器的數(shù)值實現(xiàn)標(biāo)簽的雙向搜索。經(jīng)實驗證明，此算法提高了識別效率。
2.1.1 算法描述
定義1 請求命令Request(x，m)：參數(shù)x為1 bit的二進(jìn)制數(shù)，m為檢測到的碰撞最高位。閱讀器發(fā)送該命令給區(qū)域內(nèi)待命標(biāo)簽。待命標(biāo)簽檢測自己的序列號第m位與x是否相同。如相同則應(yīng)答，并返回碰撞位及相關(guān)信息；如不同，則該標(biāo)簽轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)，并將相應(yīng)的休眠程度計數(shù)器置“1”。對于已經(jīng)處于休眠狀態(tài)的標(biāo)簽，其休眠程度計數(shù)器加1[7]。
定義2 激活命令A(yù)ctive：該命令發(fā)出后，休眠態(tài)的標(biāo)簽將其休眠程度寄存器減1。如果某個標(biāo)簽的休眠程度計數(shù)器減到0，該標(biāo)簽轉(zhuǎn)為待命態(tài)，可重新響應(yīng)Request 命令；否則，仍處于休眠狀態(tài)。
工作過程如下：假設(shè)標(biāo)簽的編碼為8位，閱讀器作用范圍內(nèi)有3個標(biāo)簽，分別為標(biāo)簽1：0101 0101；標(biāo)簽2：0101 0111；標(biāo)簽3：0111 0101。下面介紹具體執(zhí)行過程。?(1)閱讀器發(fā)送Request(NULL，8)命令，閱讀器作用范圍內(nèi)的所有待命標(biāo)簽應(yīng)答，碰撞位為D5、D1。m取5(最高碰撞位的下標(biāo))，得到下一次Request 命令所需的參數(shù)。
(2)閱讀器發(fā)送Request(0，5)命令，所有待命的第5位為0的標(biāo)簽響應(yīng)，這里是標(biāo)簽1、2響應(yīng)，碰撞位為D1，因此，m取1，得到下次Request命令所需參數(shù)。同時，將標(biāo)簽第5位為1的標(biāo)簽轉(zhuǎn)為休眠態(tài)，這里是標(biāo)簽3，并將其休眠程度計數(shù)器置“1”。標(biāo)簽1、2仍為待命態(tài)。
(3)閱讀器發(fā)送Request(0，1)命令，第1位為0的待命態(tài)標(biāo)簽應(yīng)答，這里是標(biāo)簽l應(yīng)答。由于無碰撞發(fā)生，故正確識別。閱讀器可以對其進(jìn)行相應(yīng)的操作(如select、read data等)，然后使之處于“靜默”狀態(tài)。同時，第1位為1的標(biāo)簽轉(zhuǎn)為休眠態(tài)，這里是標(biāo)簽2，其休眠程度計數(shù)器置“1”，并將處于休眠態(tài)的標(biāo)簽3的休眠程度計數(shù)器加1。正確識別一個標(biāo)簽后，閱讀器發(fā)送Active命令，各休眠標(biāo)簽將各自的休眠程度計數(shù)器減1，算法再采用回跳策略開始執(zhí)行。
(4)閱讀器發(fā)送Request(1，1)命令，第1位為1的待命態(tài)標(biāo)簽應(yīng)答，只有標(biāo)簽2應(yīng)答，因而正確識別。同理，完成相應(yīng)的工作后，閱讀器發(fā)送Active命令，標(biāo)簽3轉(zhuǎn)為待命態(tài)。
(5)閱讀器發(fā)Request(1，5)命令，第5位為1的待命態(tài)標(biāo)簽應(yīng)答，這里是標(biāo)簽3，無碰撞，正確識別。
2.1.2 性能理論分析
與動態(tài)二進(jìn)制搜索算法進(jìn)行比較[4]，主要考慮搜索次數(shù)和發(fā)送標(biāo)簽序列號的長度兩個性能指標(biāo)。
(1)搜索次數(shù)的比較
改進(jìn)的動態(tài)二進(jìn)制搜索算法中，閱讀器識別N個標(biāo)簽所需的搜索次數(shù)為：S(N)=(N-1)×2+1=2N-1。采用數(shù)學(xué)歸納法證明。
證明：(1)N=1時，搜索次數(shù)顯然為Q=(LSEL+LNMB+L1)/(LSEL+LNMB+L2)=(16+L1)/(16+L2)。m=2 時，對任意兩個標(biāo)簽,如標(biāo)簽甲和標(biāo)簽乙。當(dāng)閱讀器發(fā)送Request(NULL，2)命令時，至少可以檢測出一個碰撞位。下一次閱讀器發(fā)送請求命令，由于只有兩個標(biāo)簽，必然只有惟一一個標(biāo)簽應(yīng)答。假設(shè)標(biāo)簽甲應(yīng)答，因此，正確識別出標(biāo)簽甲。根據(jù)算法約定，再采用回跳策略開始執(zhí)行，可正確識別標(biāo)簽乙，所以，S(2)=3。結(jié)論成立。
(2)假設(shè)N=k-1個標(biāo)簽時，搜索次數(shù)S(k-1)=2(k-1)-1=2k-3成立。當(dāng)有k個標(biāo)簽時，根據(jù)標(biāo)簽編碼的惟一性，增加一個標(biāo)簽和原有的k-1個標(biāo)簽的編碼一定不同。為了將它與其他標(biāo)簽區(qū)分開，必須在原有基礎(chǔ)上增加一個碰撞位的搜索。由于對每個碰撞位都是雙向搜索，因此，S(k)=S(k-1)+2=2k-1。結(jié)論成立。
對于動態(tài)二進(jìn)制算法，從大量電子標(biāo)簽中發(fā)現(xiàn)一個單獨的電子標(biāo)簽的搜索次數(shù)為：r(N)=log2N+1[4]，N為標(biāo)簽總數(shù)，則總的搜索次數(shù)為
。兩種算法搜索次數(shù)的比較如圖3所示。
圖3中的實線為動態(tài)二進(jìn)制算法的搜索次數(shù)曲線，虛線為改進(jìn)的動態(tài)二進(jìn)制算法的搜索次數(shù)曲線，隨著標(biāo)簽數(shù)量的增大，采用改進(jìn)動態(tài)二進(jìn)制算法的優(yōu)勢將越來越明顯。
(2)發(fā)送標(biāo)簽序列號長度的比較
假設(shè)發(fā)生了m次碰撞,碰撞發(fā)生的位置是隨機的，動態(tài)二進(jìn)制搜索算法每次發(fā)出的標(biāo)簽序列號UID平均長度為
。改進(jìn)的算法每次碰撞傳輸?shù)呐鲎参恢眯畔⒌拈L度L2僅僅與序列號長度N有關(guān)，L2=log2N。同等情況下傳輸信息長度即意味著抗碰撞命令傳輸時間，盡量降低傳輸長度可以提高速度，如表1。防碰撞命令的格式為SEL+NVB+UID，SEL和NVB的長度都是8 bit，防碰撞速度改善比例為：Q=(LSEL+LNMB+L1)/(LSEL+LNMB+L2)=(16+L1)/(16+L2)。
2.2 適用于ISO/IEC15693協(xié)議的防碰撞算法
ISO/IEC15693使用時隙ALOHA算法，時隙數(shù)SLOT的值為16[5]。時隙ALOHA算法由ALOHA算法發(fā)展而來，ALOHA算法是最簡單的防碰撞算法。標(biāo)簽將序列號在一個周期性的循環(huán)中將數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器，所以存在一定概率，兩個標(biāo)簽可以在不同的時間段上設(shè)置數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)包不相互碰撞。平均交換的數(shù)據(jù)包量G可以通過一個數(shù)據(jù)包的傳輸持續(xù)時間t計算：
。n(取值1，2，3，…)是系統(tǒng)中的標(biāo)簽數(shù)量，rn是在T內(nèi)由標(biāo)簽n發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量[6]。傳輸通路的吞吐率S與數(shù)據(jù)包量G的關(guān)系為S=Ge-2G。時隙ALOHA算法是一種時分隨機多址方式，可以提高ALOHA算法的吞吐率。它將信道分成許多時隙(Slot)，每個時隙傳送一個分組，數(shù)據(jù)包的傳送總在同步的時隙內(nèi)才開始，與簡單的ALOHA算法相比，可能出現(xiàn)的碰撞時間只有一半，可得到S=Ge(-G)，信道的利用率增加一倍。防碰撞流程圖如圖4所示，初始命令cmd=00000000，slotvalue=0000，slotnumber=0。
由于目前全球沒有統(tǒng)一的射頻識別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各個廠家生產(chǎn)的電子標(biāo)簽符合不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，隨著射頻識別技術(shù)的發(fā)展，制造能兼容多種不同制式的電子標(biāo)簽的閱讀器已成為市場競爭的需要。FPGA以其可靠性、先進(jìn)性、高效性、體積小的特點，正逐漸成為設(shè)計者的首選。本文提出了一種支持多協(xié)議、防碰撞的閱讀器的設(shè)計方案，驗證表明，如能進(jìn)一步改進(jìn)天線設(shè)計，將會增加讀寫距離，提高穩(wěn)定性。
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