文獻標識碼： B
隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，人們對各類物品的管理要求越來越高，希望能夠通過物聯(lián)網(wǎng)實時跟蹤每一件物品的當前狀態(tài)。將超高頻RFID（電子標簽）綁定到每一件物品上是實現(xiàn)物品跟蹤的有效手段之一，因而超高頻RFID的應用領域不斷擴大，對超高頻RFID讀寫器的需求量也隨之增大。雖然現(xiàn)在國際、國內市場上有一些有品牌的超高頻RFID讀寫器，但其設計方案各有千秋，應用時的穩(wěn)定性、可靠性仍有待改進。因此，怎樣能設計出性能穩(wěn)定、性價比高、適應市場需求的超高頻RFID讀寫器是一個值得探討的問題。
1 AS3990/AS3991芯片的特點
AS3990/AS3991芯片是奧地利微系統(tǒng)公司（microsystems）研制的一款用于超高頻（860 MHz~960 MHz）RFID讀寫器的專用芯片，其封裝形式為64腳QFN封裝。它具有集成度高的特點，芯片內集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議轉換單元、連接MCU（微控制器）的8 bit并行接口或SPI串行接口等。
接收電路包括混頻器、自動增益控制、低通和高通濾波器、PM和AM解調器、低級解碼以及CRC校驗等部分。發(fā)送電路包括幅移鍵控或相移鍵控調制，自動產(chǎn)生幀同步、引導碼、CRC校驗碼，以及低階數(shù)據(jù)編碼、PM和AM調制器。協(xié)議轉換單元將來自MCU接口的數(shù)據(jù)自動轉換成標準協(xié)議數(shù)據(jù)幀，或將接收的數(shù)據(jù)幀轉換成MCU能接收的數(shù)據(jù)格式。
芯片具有2種工作模式，完全支持ISO18000-6C(EPC Gen2)空中接口協(xié)議，兼容ISO18000-6A/B協(xié)議。芯片具有并行接口或串行接口2種數(shù)據(jù)接口方式，方便與MCU進行數(shù)據(jù)通信。
圖1所示為芯片AS3990/AS3991的組成框圖。
需要發(fā)送給RFID的命令和數(shù)據(jù)信號經(jīng)編碼、調制、射頻放大后輸出到天線。由天線接收到的RFID響應信號送到芯片的輸入端，在芯片內接收信號經(jīng)IQ混頻得到2路中頻信號IQ，再經(jīng)增益、濾波、數(shù)字化轉換就得到了相應的數(shù)字信號。這時如果芯片設置在支持ISO18000-6A/B協(xié)議的直通工作模式，則數(shù)字信號直接由芯片串行接口送出交由系統(tǒng)的MCU進行解碼、CRC校驗以及相關的數(shù)據(jù)處理；如果芯片設置在支持ISO18000-C協(xié)議的工作模式，則數(shù)字信號先由芯片進行解碼（協(xié)議處理）、CRC校驗后存放在FIFO中，再由接口送出交由系統(tǒng)的MCU進行相關的數(shù)據(jù)處理。
2 讀寫器MCU的選取
雖然AS3990/AS3991芯片完全支持ISO18000-C協(xié)議，具有與MCU的接口，能直接輸出解碼后的字節(jié)信息，對MCU處理能力的要求不高。但AS3990/AS3991芯片對ISO18000-6A/B協(xié)議的支持并不完全，只是完成了信號的數(shù)字化過程，且只能直接地、無緩沖地串行輸出碼流，解碼以及數(shù)據(jù)的有效性判斷須外部電路來完成。這樣就面臨2個選擇，或者采用可編程器件（CPLD）進行解碼、校驗而選用運行速度較低的MCU，或者直接采用MCU進行解碼、校驗而選用運行速度較高的MCU?？紤]到系統(tǒng)的緊湊性，采用MCU進行解碼、校驗。
采用ISO18000-6A/B協(xié)議的電子標簽，通過調制來自讀寫器的射頻能量，將之反向散射，從而將信息數(shù)據(jù)傳送回讀寫器, 經(jīng)AS3990/AS3991芯片處后，得到數(shù)據(jù)幀碼流，最大的數(shù)據(jù)幀長度為128 bit。這些信息數(shù)據(jù)采用FM0技術編碼（即雙相間隔編碼，圖2(c)為二進制數(shù)10110001的FM0編碼示例），傳輸速率為40 kb/s或160 kb/s，允許誤差為±15%，據(jù)此可以計算出射頻信號經(jīng)AS3990/AS3991芯片處理后輸出的碼流脈沖的最小寬度為tw。
為了保證能對此信號進行正確的解碼、校驗，要求解碼電路的采樣頻率足夠高。當采用MCU進行解碼時，由于采樣是在指令控制下進行，同時還要實現(xiàn)采樣同步、采樣數(shù)據(jù)記錄保存等功能，所以要求MCU的指令周期應小于tw/32，這樣才能保證接收碼流信息不會丟失。在設計讀寫器時選擇MCU的型號為LPC2142。
3 電子標簽響應信號的接收與解碼
電子標簽的每個響應信號均由下列域組成：靜默狀態(tài)(無調制的射頻載波)、返向幀頭、數(shù)據(jù)信息、以及CRC-16碼。圖2所示為電子標簽的響應信號組成。
電子標簽的響應信號經(jīng)AS3990/AS3991混頻、放大、濾波、數(shù)字化后，輸出的波形即為圖2(b)、圖2(c)所示的波形。響應信號的靜默除段輸出為低電平，實際上就是沒有有效信號，這時通過MCU的采樣端口對其進行監(jiān)視，一旦出現(xiàn)跳變信號則說明有電子標簽的響應信號到來(當然也有可能是干擾信號)，于是啟動采樣解碼程序，對信號進行判別，對到來的有效信號進行采樣、記錄、解碼。
由于電子標簽只有在收到讀寫器的命令信號之后才會做出響應，因此MCU采樣端口的監(jiān)測程序，只有在讀寫器發(fā)出命令后一段有限時間（小于1 ms）內才需要啟動。此時采樣解碼程序可以100%占用CPU資源?？紤]到MCU的運算速度，為了保證在接收過程中不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，在一幀數(shù)據(jù)的接收過程中，MCU對接收端口的信號只進行采樣、記錄保存，只有當一幀信息全部接收完以后才進行校驗計算與分析，以確定接收到一幀數(shù)據(jù)的完整性與有效性。
電子標簽響應信號幀頭的格式是固定的，通過對幀頭信號波形寬度的采樣、測量可以確定響應信號的數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以判別一幀數(shù)據(jù)的有效性。幀頭信號一個編碼的寬度與同幀內數(shù)據(jù)段一位數(shù)據(jù)編碼的寬度是相等的。從前面的計算可知，幀頭信號一個編碼的高電平寬度可小到tw(即2.7 μs)，由于測量沒有附加另外的硬件，直接由MCU完成，因此要求MCU具有相對較高的時鐘頻率，也就是較小的指令周期，以確保測量的精度。通過測量可以確定，幀頭信號一個編碼的寬度，包含n個MCU的時鐘周期，也就是說本幀數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)位的寬度為n，其值應大于32個指令周期所包含的時鐘周期數(shù)。在獲取了數(shù)據(jù)位的時間寬度以后，MCU便可以對它進行周期性(同步)的采樣、記錄，直到接收到一幀完整的數(shù)據(jù)為止。
4 總體設計
圖3所示為讀寫器的設計框圖。發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)AS3990/AS3991編碼、載波調制后，由RFOPX與RFONX兩端差動輸出至射頻功率放大器PA，經(jīng)PA放大后的信號通過隔離器由天線發(fā)送出去。經(jīng)天線接收的信號通過隔離器后輸送到AS3990/AS3991的輸入端MIXS-IN，由AS3990/AS3991進行混頻、增益、濾波、數(shù)字化后得到數(shù)字信號，再送給MCU處理。AS3990/AS3991與MCU的接口既支持并行連接，也支持串行連接；AS3990/AS3991的初始化在MCU的控制下通過并行接口完成，之后根據(jù)初始化設定的工作模式選擇并行或串行通信方式；在支持ISO18000-6A/B協(xié)議的工作模式下，AS3990/AS3991只能輸出串行的數(shù)據(jù)流信息，解碼、校驗須由MCU完成；而在支持ISO18000-C協(xié)議的工作模式時，解碼、校驗AS3990/AS3991均已完成，MCU只需要以并行或串行的方式接收數(shù)據(jù)即可。讀寫器天線設計則根據(jù)讀寫距離的需要采用基于PCB板的微帶天線方案或專用外接天線方案。讀寫器與外部的數(shù)據(jù)通信則設置了USB接口和RS232接口。如果有需要，也可以通過選用不同型號的MCU方便地支持以太網(wǎng)接口或其他類型的總線接口。
本讀寫器的設計方案簡單、調試方便，因而可以大大縮短開發(fā)周期。經(jīng)使用測試證明，采用上述方案設計的讀寫器，標簽讀取速度快，誤讀、漏讀率低，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。
參考文獻
[1] ISO/IEC18000-6：2004(E).
[2] http：//www.austriamicrosystems.com，AS3990/AS3991 Data Sheet.
[3] http：//www.nxp.com，LPC2104/2105/2106 Product Data Sheet.