畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書超高頻rfid讀寫器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　射頻識(shí)別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)概念中的核心技術(shù)之一，相對(duì)于低頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)，工作在860MHz--960MHz的超高頻段射頻識(shí)別系統(tǒng)有著讀取距離遠(yuǎn)，閱讀速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前國際上RFID技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。</p><p>　　如今高速公路不

2、停車收費(fèi)的系統(tǒng)在國外已經(jīng)很成熟，在國內(nèi)也開始大范圍的應(yīng)用。因此，研究能遠(yuǎn)距離、快速、準(zhǔn)確識(shí)別電子標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)意義重大。本論文結(jié)合超高頻RFID讀寫器今年來的最新發(fā)展和最新技術(shù)，主要介紹了基于EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)的不停車自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。本論文主要涵蓋了一下工作：</p><p>　　1．分析了EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點(diǎn)和各項(xiàng)指標(biāo)，主要介紹了RFID系統(tǒng)的分類和特點(diǎn)，詳細(xì)了解了整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成。</p&g

3、t;<p>　　2．完成了讀寫器射頻電路以及控制電路的硬件設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了各類防碰撞算法的定義和基本思想。</p><p>　　3．由于在超高頻下的電路板印刷中需要充分考慮到EMC（電磁兼容）的問題，基于這一限制，本設(shè)計(jì)中主要研究了讀寫器的最新的技術(shù)動(dòng)態(tài)幀防碰撞算法并用Matlab 2012 進(jìn)行了仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超高頻 射頻識(shí)別讀寫器 防碰撞

4、 EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn) </p><p><b>　　Abstrac</b></p><p>　　Radio Frequency Identification (RFID, Radio Frequency Identification) technology is one of the core concept of networking technology, r

5、elative to the low frequency radio frequency identification system, work in 860MHz - 960MHz ultra high frequency radio frequency identification system has a read distance, reading speed, etc., is a hot current internatio

6、nal RFID technology.</p><p>　　Today, highway toll collection systems in foreign countries has been very mature in the country have begun a wide range of applications. Therefore, the study can be remote, rapi

7、d and accurate identification tag RFID systems is significant. This paper combines UHF RFID reader this year's latest developments and latest technology, introduces the non-stop automatic toll collection system based

8、 on EPC Gen2 standard. This paper covers a bit of work:</p><p>　　1. Analysis of the EPC Gen2 standard technical characteristics and indicators, mainly introduces the classification and characteristics of RFI

9、D systems, a detailed understanding of the composition of the entire system.</p><p>　　2. Completed the hardware design of the reader's RF circuit and a control circuit, detailing the definitions and the

10、basic idea of ??all kinds of anti-collision algorithm.</p><p>　　3. Since the ultra-high frequency printed circuit board under the need to fully take into account the EMC (electromagnetic compatibility) probl

11、ems, based on this limited study of the design of the main frame of the latest technological developments reader anti-collision algorithm is carried out with Matlab 2012 simulation.</p><p>　　Keywords: UHF、RF

12、ID reader、 EPC Gen2 standard 、anti-collision</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　第一章 RFID技術(shù)的簡介3</p><p>　　1.1 RFID系統(tǒng)的分類3</p>

13、;<p>　　1.1.1 根據(jù)RFID讀寫器的工作頻率可以劃分為下述頻段3</p><p>　　1.2 RFID技術(shù)系統(tǒng)的組成4</p><p>　　1.3 RFID系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)5</p><p>　　1.3.1 ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)5</p><p>　　1.3.2 EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)6</p>

14、<p>　　1.4論文結(jié)構(gòu)安排：6</p><p>　　第二章 RFID系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.1 性能指標(biāo)基本要求8</p><p>　　2.2 讀寫器總體方案設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.2.1 RFID讀寫器的組成結(jié)構(gòu)8</p><p>　　2.3 主控器的選擇方案9

15、</p><p>　　2.3.1 C8051F340 單片機(jī)主要特性10</p><p>　　2.3.2 C8051F340 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖10</p><p>　　2.4 射頻收發(fā)芯片選型方案11</p><p>　　2.5 RFID的通信標(biāo)準(zhǔn)方案 EPC Gen-2標(biāo)準(zhǔn)12</p><p>　　2

16、.5.1 Gen-2使用特性的概述12</p><p>　　2.5.2 物理層通信特性12</p><p>　　2.5.3 標(biāo)簽的狀態(tài)機(jī)13</p><p>　　第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.2 射頻模塊硬件電路的設(shè)計(jì)16</p

17、><p>　　3.3 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.4 USB接口電路18</p><p>　　3.5 外部存儲(chǔ)電路19</p><p>　　3.6 提示電路的設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.7 復(fù)位電路21</p><p>　　3.8 電源電路的設(shè)計(jì)22</p&g

18、t;<p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.1系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.1.1系統(tǒng)軟件主流程圖24</p><p>　　4.2 標(biāo)簽防碰撞算法介紹25</p><p>　　4.2.1 基于ALOHA的協(xié)議25</p><p>　　圖4-3 時(shí)隙算法示意

19、圖26</p><p>　　第五章 系統(tǒng)防碰撞算法仿真實(shí)現(xiàn)30</p><p>　　5.1動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法工作過程30</p><p>　　5.1.1 標(biāo)簽估算方法如下30</p><p>　　5.1.2 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙防碰撞算法仿真過程31</p><p>　　5.1.3 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙防碰撞算法仿真流程圖32&l

20、t;/p><p>　　5.2 吞吐量和吞吐率32</p><p>　　5.3 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法的仿真結(jié)果33</p><p><b>　　結(jié)論35</b></p><p><b>　　附錄36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b>

21、</p><p><b>　　謝辭40</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　射頻識(shí)別技術(shù)是無線電頻率識(shí)別的簡稱，RFID（RFID Radio Frequency Identification）系統(tǒng)常見的頻率有低頻、高頻、超高頻和微波等。射頻識(shí)別是一種重要的新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。由于超高頻

22、RFID不需要視距通信，能夠承受嚴(yán)酷的物理環(huán)境，并能保證低成本和高效能操作以及多標(biāo)簽的同時(shí)識(shí)別能力。因此他具有條形碼技術(shù)、光學(xué)字符識(shí)別系統(tǒng)、智能卡和生物測(cè)定學(xué)（聲音、指紋和視網(wǎng)膜）等其他識(shí)別系統(tǒng)沒有所沒有的優(yōu)點(diǎn)。而且與其他頻段相比，超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)的特點(diǎn)是：讀寫距離遠(yuǎn)、多標(biāo)簽讀寫速度快、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)物體的告訴運(yùn)動(dòng)、性能好。</p><p>　　近幾年來，國內(nèi)外對(duì)UHF RFID讀寫器進(jìn)行了許多深入的

23、研究，這些研究主</p><p>　　要集中在讀寫器的芯片設(shè)計(jì)上。許多公司推出了功能強(qiáng)大的UHF RFID讀寫器芯</p><p>　　片，這些讀寫器芯片與已有的基礎(chǔ)設(shè)施能很好的兼容。此外，一些可工作在復(fù)雜</p><p>　　環(huán)境下的工業(yè)級(jí)大型讀寫器也被開發(fā)出來，這種讀寫器在讀寫距離、讀取標(biāo)簽數(shù)</p><p>　　量、和使用壽命等性能上都

24、更優(yōu)秀。目前，國外對(duì)讀寫器研發(fā)主要取得以下一些</p><p><b>　　成果：</b></p><p>　　(1)2007年，Intel公司推出了符合ISO 1 8000—6 Type C協(xié)議以及支持EPC</p><p>　　Classl Gen2標(biāo)準(zhǔn)、具有密集型讀取模式(Dense Reader Mode，DRM)的超高頻讀</p

25、><p>　　寫器芯片R1000。該芯片實(shí)現(xiàn)了讀寫器射頻部分和數(shù)字基帶部分的高度集成，具有低功耗、集成度高、低成本等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用于各種UHF RFID系統(tǒng)中。當(dāng)前，該讀寫器芯片及其支持軟件已經(jīng)構(gòu)成了整個(gè)第二代超高頻RFID讀寫器系列的核心，可支持從近距離的嵌入式模塊到遠(yuǎn)距離門式讀寫器的廣泛用。</p><p>　　(2)2007年，Ickiin Kwon等人研究出了一款CMOS單片集

26、成的便攜儀UHF RFID讀寫器。通過采用單天線直接耦合的方式，把射頻模塊和數(shù)字基帶模塊集成在一塊面積只有4．5×5．3mm2的：芯片上，降低了讀寫器的成本和尺寸。該讀寫器接收機(jī)的靈敏度為．70dBm，線性度為18．5dBm，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。此外，發(fā)射機(jī)的輸出功率為4dBm，使讀寫器具有較遠(yuǎn)的工作距離。</p><p>　　(3)201O年，Impinj公司在原有的R1000芯片基礎(chǔ)上，開發(fā)出了最

27、新款的R2000芯片。與R1000相比，Indy R2000芯片增加了載波消除功能，所以它的抗干擾能力更強(qiáng)。同時(shí)它還擁有更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力和更加智能的本地處理能力，甚至能夠支持較為復(fù)雜的工業(yè)級(jí)UHF RFID讀寫器的應(yīng)用。</p><p>　　(4)2011年，Sanae Nakao等人開發(fā)出了一款既能讀寫無源電子標(biāo)簽也能讀寫有源電子標(biāo)簽的UHF RFID便攜式讀寫器。該讀寫器具有很高的靈敏度。在與無源標(biāo)簽通信時(shí)

28、，它的靈敏度為．86dBm；與有源標(biāo)簽通信時(shí)，它的靈敏度-92dBm。</p><p>　　國內(nèi)的很多研究機(jī)構(gòu)也一直致力于UHF RFID讀寫器的研究，并取得許多研究成果，主要表現(xiàn)在：</p><p>　　(1)2009年，武漢大學(xué)提出了一種基于Intel R1 000芯片的UHF RFID讀寫器設(shè)計(jì)方案。該讀寫器采用了Intel R1000收發(fā)器芯片和W78E365微控器，通過編寫軟件部

29、分，使設(shè)計(jì)的讀寫器能在2m一1 0m的距離之間正常工作。</p><p>　　(2)2008年，香港大學(xué)在0．1 89m CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)了一款全集成UHF RFID讀寫器芯片。該讀寫器創(chuàng)新地提出了一種二階交調(diào)電流注入技術(shù)，該技術(shù)可以極大的提高讀寫器接收機(jī)的線性度。測(cè)試表明該讀寫器在一5dBm的大功率干擾信號(hào)下，仍能擁有一70dBm的靈敏度。該芯片面積為18．3mm2，最大功耗為276．4mW。(3)2009年

30、，清華大學(xué)在國家863計(jì)劃的支持下，開發(fā)出了一款UHF RFID讀寫器芯片。該芯片采用0．18btm CMOS工藝，能在860MHz--960MHz的頻帶內(nèi)工作。在滿足通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的條件下，讀寫器的讀寫速率可達(dá)到1 Mb／s。此外，讀寫器接收機(jī)的靈敏度為一70dBm，功耗為1．65mW。整個(gè)芯片的面積為1．9mmx0.75mm。</p><p>　　(4)2010年，北京大學(xué)提出了一款符合中國本地標(biāo)準(zhǔn)又兼顧國外標(biāo)

31、準(zhǔn)的UHF RFID讀寫器芯片。該芯片采用高線性接收機(jī)前端和直流失調(diào)消除電路，成功的消除了大功率干擾信號(hào)對(duì)讀寫器的影響。該讀寫器的發(fā)射功率為22dBm，靈敏度為一79dBm。在1．8V的工作電壓下，功耗為203mW。整個(gè)芯片面積只有13.5mm2。</p><p>　　而如今高速公路作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，對(duì)于國家經(jīng)濟(jì)增長、人民生活質(zhì)量的提高、維護(hù)國家安全等都具有重要意義。中國在建國以來，中國公路建設(shè)突飛猛進(jìn)

32、，目前已突破三萬公里，其里程位居全球第二，為推動(dòng)中國現(xiàn)代化建設(shè)作出了巨大貢獻(xiàn)。而高速公路停車收費(fèi)大大的限制了高速公路的高速特性，甚至在高峰出行時(shí)段還造成了高速公路出口的大面積擁堵，給市民的出行帶來了很大的不便不僅堵車而且堵心，同時(shí)也對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了負(fù)面影響。</p><p>　　為了解決這一問題高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，即基于超高頻RFID讀寫器的ETC系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，車主再要在車窗上安裝感應(yīng)卡并預(yù)存

33、費(fèi)用，通過收費(fèi)站時(shí)不用人工繳費(fèi)，也無須停車，高速費(fèi)將自動(dòng)扣除。這將大大的提高車輛過往高速公路的速度，同時(shí)也將提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展效率。</p><p>　　第一章 RFID技術(shù)的簡介</p><p>　　就像世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)用于軍事領(lǐng)域一樣，射頻識(shí)別(RFID Radio Frequency Identification)技術(shù)起源于二次世界大戰(zhàn)中，歐洲上空極其慘烈的空戰(zhàn)。射頻識(shí)別(RFID R

34、adio Frequency Identification)技術(shù)是一種利用無線射頻方式通信的非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是從二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的前沿科學(xué)技術(shù)。該技術(shù)在工作時(shí)不需人工干預(yù)，可應(yīng)用與各種惡劣環(huán)境，而且能夠應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)物體的識(shí)別，可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體。相比于條形碼、生物識(shí)別、光學(xué)符號(hào)識(shí)別等其他自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在數(shù)據(jù)量、識(shí)別距離、環(huán)境影響和保密性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，RFID技術(shù)在世界各地得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

35、工業(yè)物流、智能交通、電子門票、動(dòng)物識(shí)別、容器識(shí)別、身份識(shí)別和一卡通等領(lǐng)域。</p><p>　　1.1 RFID系統(tǒng)的分類</p><p>　　RFID系統(tǒng)根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.1 根據(jù)RFID讀寫器的工作頻率可以劃分為下述頻段</p><p>　　1.低頻(LF，頻率范圍：30～300kHz)：

36、工作頻率低于135kHz，最常用的是125kHz。主要協(xié)議有IS01 1784、IS014223。</p><p>　　2.高頻(HF，頻率范圍：3～30MHz)：工作頻率為13．56MHz。主要協(xié)議有IS015693、IS014443、IS018000。</p><p>　　3.超高頻(UHF，頻率范圍：300MHz～3GHz)：工作頻率是433MHz，866～960MHz在以及2．45

37、GHz。主要協(xié)議有IS018000系列和EPC Gen2。</p><p>　　4.甚高頻(SHF，頻率范圍是3～30GHz)．．工作頻率是5．8GHz和24GHz，但是</p><p>　　目前24GHz基本沒有采用。</p><p>　　1.1.2 根據(jù)標(biāo)簽供電的形式不同，RFID系統(tǒng)可分</p><p>　　1．有源系統(tǒng)：電子標(biāo)簽使用內(nèi)

38、置電池來供電，有源系統(tǒng)的識(shí)別距離相比較下較</p><p>　　長。由于不需要擔(dān)心功耗的問題，有源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能也比較多。缺點(diǎn)是受限于內(nèi)置的電池，使用周期比較短并且成本相對(duì)比較高。</p><p>　　2．無源系統(tǒng)：電子標(biāo)簽沒有內(nèi)置電池，主要通過讀寫器發(fā)射的電磁場(chǎng)能量來喚</p><p>　　醒標(biāo)簽的芯片工作。由于無需內(nèi)置電池，且靠外部喚醒，所以這系統(tǒng)特點(diǎn)是體積

39、小、壽命長、成本低，但是實(shí)現(xiàn)的功能簡單。</p><p>　　3．半有源系統(tǒng)：標(biāo)簽帶有內(nèi)置電池，但只是起到激活系統(tǒng)的作用。電子標(biāo)簽首</p><p>　　先被內(nèi)置電池激活，激活后的前部操作就無需電池供電，即可進(jìn)入無源電子標(biāo)簽工作模式。</p><p>　　1.2 RFID技術(shù)系統(tǒng)的組成</p><p>　　一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)一般包括標(biāo)簽（

40、Tage）、讀寫器（Reader）、和應(yīng)用系統(tǒng)（Application System）三個(gè)部分組成。讀寫器通過射頻信號(hào)給標(biāo)簽提供能量并“詢問”標(biāo)簽，標(biāo)簽被激活后江存儲(chǔ)的標(biāo)簽信息發(fā)送給讀寫器，讀寫器再將讀取的標(biāo)簽信息發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng)以結(jié)合具體的應(yīng)用背景進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制、存儲(chǔ)和管理。</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>　　標(biāo)簽一般由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯

41、片組成。標(biāo)簽天線接收讀寫器發(fā)射過來的射頻信號(hào)并轉(zhuǎn)化為能量，獲取的能量給標(biāo)簽供電。當(dāng)標(biāo)簽獲取的能量足夠時(shí)，標(biāo)簽芯片被激活，并根據(jù)讀寫器的詢問指令完成相應(yīng)的動(dòng)作，將芯片上存儲(chǔ)的標(biāo)簽信息通過反向散射調(diào)制的方法發(fā)射給讀寫器。每個(gè)標(biāo)簽有唯一的電子編碼，用于度附著物體的標(biāo)志。標(biāo)簽?zāi)軌虼鎯?chǔ)有關(guān)物體的屬性、狀態(tài)、編號(hào)等信息。標(biāo)簽通常安裝在物體的表面，具有一定的無金屬遮擋的視角。標(biāo)簽除了能夠被讀取（Read）外，也可以被寫入（Write）、鎖定(Lock

42、)、殺死(Kill)。</p><p>　　讀寫器由讀寫器主機(jī)及讀寫器天線組成。讀寫器主機(jī)主要那個(gè)實(shí)現(xiàn)讀取信號(hào)的控制及射頻信號(hào)的產(chǎn)生。產(chǎn)生的射頻信號(hào)通過讀寫器天線發(fā)送給標(biāo)簽。標(biāo)簽的反射信號(hào)也通過讀寫器天線進(jìn)行接收，并被讀寫器主機(jī)解析識(shí)別。讀寫器一般有固定式和手持式兩種形式。固定式的體積較大，但性能一般比較好；手持式的體積比較小，便于手持讀取，但是性能要差些。</p><p>　　應(yīng)用系統(tǒng)主

43、要負(fù)責(zé)對(duì)讀寫器的控制、設(shè)置，以及對(duì)讀取標(biāo)簽信息的管理，并結(jié)合具體的應(yīng)用項(xiàng)目給出適當(dāng)?shù)呐袛嗯c顯示，或者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。應(yīng)用系統(tǒng)一般與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系連接，網(wǎng)絡(luò)體系的各層結(jié)構(gòu)由各種RFID中間件控制和訪問。</p><p>　　1.3 RFID系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　RFID技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)大致可分為以下四類：技術(shù)、數(shù)據(jù)內(nèi)容、一致性和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義不同種類的硬件和軟件

44、如何設(shè)計(jì)，如符號(hào)、射頻識(shí)別技術(shù)、IC卡標(biāo)準(zhǔn)等；數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)定義從電子標(biāo)簽輸出的數(shù)據(jù)流的含義，提供數(shù)據(jù)如何在系統(tǒng)中表達(dá)的指導(dǎo)方法，如編碼格式、語法標(biāo)準(zhǔn)等；一致性標(biāo)準(zhǔn)定義電子標(biāo)簽和讀寫器是否遵循某個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，如印刷質(zhì)量、測(cè)試規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)定義實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定應(yīng)用的技術(shù)方法，如船運(yùn)標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)等。</p><p>　　目前RFID標(biāo)準(zhǔn)還未形成全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在處于多種標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，而隨著全球物流行

45、業(yè)大規(guī)模應(yīng)用RFID技術(shù)，對(duì)RFID標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一也成為業(yè)內(nèi)的共識(shí)。相對(duì)于國外在RFID方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展來看，我國起步比較晚，差距還比較大。雖然相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作早已經(jīng)開展了一段時(shí)間，但是受到各種原因影響，造成我國的RFID標(biāo)準(zhǔn)體系制定工作幾番起落。2006年的6月，國家共十五個(gè)部委共同發(fā)布了《中國射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)政策白皮書》，正式確立了我國RFID技術(shù)的地位。</p><p>　　1.3.1 ISO/I

46、EC標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　ISO是公認(rèn)的全球非盈利工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織，與EPC global只專注于超高頻不同，ISO/IEC對(duì)各個(gè)頻段的RFID都頒布了標(biāo)準(zhǔn)。主要關(guān)注基本的模塊構(gòu)建、空中接口和涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及實(shí)施問題。RFID頻率由ISO 18000 RFID空中接口標(biāo)準(zhǔn)系列統(tǒng)一管理，包括了有源和無源的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要是基于物品管理的RFID空中接口參數(shù)。</p><p>　　I

47、SO/IEC 18000-1 提供了RFID全球可用頻率的通用通信的框架，同時(shí)也給出了ISO 18000系列中空中接口定義的一般參數(shù)，建立了一個(gè)通用系統(tǒng)管理、控制和信息交換的框架，可用于不同頻率。</p><p>　　ISO/IEC 18000-2 定義了工作頻率在135KHz以下的讀寫器和標(biāo)簽之間通信空中接口參數(shù)、協(xié)議、命令以及放碰撞方法。此標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)簽分為A和B兩個(gè)類型。</p><p>

48、;　　ISO/IEC 18000-3 提供了工作頻率為13.56MHz的通信空中接口參數(shù)，定義了物理層、碰撞管理系統(tǒng)和符合ISO/IEC 18000-1要求的物體識(shí)別協(xié)議值。</p><p>　　ISO/IEC 18000-4 定義了工作頻率2.45GHz的空中接口的通信協(xié)議，主要應(yīng)用于貨品管理領(lǐng)域。</p><p>　　ISO/IEC 18000-5 定義了RFID設(shè)備的空中接口工作在5

49、.8GHz頻率下得通信協(xié)議，用于單品管理應(yīng)用，由于缺乏商業(yè)應(yīng)用前景，此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)中止。</p><p>　　ISO/IEC 18000-6 提供了工作頻率860~960MHz的空中接口參數(shù)。分為A、B、C三類，C類和EPC Class Gen2 Standard相同。</p><p>　　ISO/IEC 18000-7 定義了工作在433MHz頻率的有源RFID設(shè)備的空中接口通信協(xié)議，用于單

50、品管理應(yīng)用方面，典型的讀取距離超過1米。</p><p>　　1.3.2 EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　EPCglobal是目前全球?qū)嵙ψ顝?qiáng)的RFID標(biāo)準(zhǔn)組織，其前身是北美UCC(統(tǒng)一編碼組織)和歐洲EAN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)組織，合并后稱為EPCglobal。最近EPC Gen—2系統(tǒng)被批準(zhǔn)為ISO標(biāo)準(zhǔn)，ISO 18000的6C部分是被動(dòng)（無源標(biāo)簽）超高頻RFID系統(tǒng)的一個(gè)主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。

51、在零售商中廣泛使用。Gen—2標(biāo)準(zhǔn)定義了閱讀器和標(biāo)簽之間的通信，不用考慮系統(tǒng)工作于特定的頻率范圍。RFID閱讀器和標(biāo)簽在超高頻范圍內(nèi)，遵從Gen—2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。</p><p>　　EPCglobal體系的標(biāo)準(zhǔn)化工作分為4個(gè)方面：電子標(biāo)簽和讀寫器承載物品編碼信息技術(shù)要求；EPC標(biāo)簽的信息規(guī)范(物品編碼規(guī)則)；EPCglobal提供的業(yè)務(wù)方面有物品編碼配置管理與目標(biāo)命名業(yè)務(wù)兩部分；軟件方面標(biāo)準(zhǔn)也分應(yīng)用層事件(與物

52、流倉儲(chǔ)管理相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與刷新等)和EPC信息業(yè)務(wù)層事件(與物品信息對(duì)應(yīng)的信息描述)兩部分。EPC具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1.開放的結(jié)構(gòu)體系。采用公用的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，避免了系統(tǒng)復(fù)雜性，大大降低了系統(tǒng)的成本。</p><p>　　2.獨(dú)立的平臺(tái)和高度的互動(dòng)性。EPC系統(tǒng)建立在互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上，并可與互聯(lián)網(wǎng)所有可能的組成部分協(xié)同工作。</p><p>　　3.

53、靈活的可持續(xù)發(fā)展體系?？稍诓惶鎿Q原有體系的情況下完成系統(tǒng)升級(jí)。</p><p>　　1.4論文結(jié)構(gòu)安排：</p><p>　　第一章 RFID技術(shù)簡介，包括系統(tǒng)的組成，分類，以及各種協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　第二章RFID系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)的總體要求和方案，以及各主要芯片的選型。</p><p>　　第三章RFID系統(tǒng)硬件設(shè)

54、計(jì)，分模塊介紹了系統(tǒng)的主要芯片</p><p>　　第四章RFID系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要介紹了系統(tǒng)防碰撞算法的概念和各種防碰撞算法。</p><p>　　第五章RFID系統(tǒng)防碰撞仿真，通過Matlab 2012仿真動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法。</p><p>　　本章小結(jié)：本章主要介紹了RFID系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及RFID的技術(shù)分類等。從整體感知了解RFID系統(tǒng)。&l

55、t;/p><p>　　第二章 RFID系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 性能指標(biāo)基本要求 </p><p>　　?工作頻率：902~930MHz；</p><p>　　?工作方式：跳頻可配置不同頻率；</p><p>　　?空中接口協(xié)議：ISO/IEC 18000-6B；</p><p>

56、;　　?調(diào)制方式：ASK；</p><p>　　?輸出功率：最大1.0W，20dB可調(diào)；</p><p>　　?讀標(biāo)簽距離：6米；</p><p>　　?寫標(biāo)簽距離：3米；</p><p>　　?讀寫器防碰撞：支持多讀寫器模式；</p><p>　　防碰撞識(shí)別速率：每秒30</p><p>　　

57、2.2 讀寫器總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　讀寫器是整個(gè)RFID 系統(tǒng)核心部分，它是連接電子標(biāo)簽與上位機(jī)之間通信的紐帶，讀寫器的功能主要包括3個(gè)方面：（1）發(fā)送和接收的功能，主要是完成讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信過程；（2）對(duì)從標(biāo)簽接收到的信息進(jìn)行相應(yīng)地處理；（3）通過讀寫器上的接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，將信息傳送到主機(jī)的數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)。這些年，讀寫器不斷地向小型化、便攜化、低功耗的方向發(fā)展，所以讀寫器的設(shè)計(jì)

58、中應(yīng)該選取功能比較全面、集成度比較高的芯片。</p><p>　　2.2.1 RFID讀寫器的組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　讀寫器電路組成框圖如圖1-2所示。各部分的作用簡述如下。</p><p>　　圖2-1 讀寫器組成結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　1.振蕩器：振蕩器電路根據(jù)RFID讀寫器系統(tǒng)的需要產(chǎn)生射頻振蕩頻率，一路經(jīng)過時(shí)鐘電路產(chǎn)生處

59、理器MCU所需要的時(shí)鐘頻率的信號(hào)，另外一路經(jīng)過載波形成電路產(chǎn)生讀寫器工作所需要頻率的載波信號(hào)。</p><p>　　2.發(fā)送通道：發(fā)送通道包括編碼器、調(diào)制器和功率放大電路，用于向電子標(biāo)簽發(fā)送命令和寫入數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.接收通道：接收通道包括解調(diào)器、解碼電路，用于接收電子標(biāo)簽返回的應(yīng)答信息和數(shù)據(jù)。同時(shí)還考慮了防碰撞電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.微

60、控制器(MCU)：MCU是讀寫器工作的核心部件，主要完成收發(fā)控制、向標(biāo)簽發(fā)送命令和寫數(shù)據(jù)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取和處理與應(yīng)用系統(tǒng)的高層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信等任務(wù)。</p><p>　　5.電源管理器：通過對(duì)射頻讀寫部分的獨(dú)立電源控制，系統(tǒng)可以在MCU中根據(jù)需要的模式選擇開啟或者關(guān)閉射頻讀寫功能。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)有低功耗要求時(shí)，不需要射頻模塊芯片一直工作的時(shí)候，這種控制方式是必不可少的。</p><p>　　

61、6.天線：天線的作用就是產(chǎn)生磁通量，為有源標(biāo)簽提供能量，激活標(biāo)簽，在讀寫設(shè)備和標(biāo)簽之間傳送信息。天線的有效電磁場(chǎng)范圍就是系統(tǒng)的工作區(qū)域。</p><p>　　2.3 主控器的選擇方案</p><p>　　微控制器的功能主要有：與后臺(tái)應(yīng)用管理軟件進(jìn)行通信，執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)送來的動(dòng)作指令，控制讀寫器與標(biāo)簽的通信過程和身份驗(yàn)證并對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，對(duì)鍵盤或者顯示設(shè)備等其他外部設(shè)備的控制。讀

62、寫器中微處理器可以有三種選擇：單片機(jī)、ARM和DSP。本課題需要核心控制器需要體積小、功耗低，要有比較強(qiáng)的處理能力，能夠同時(shí)完成讀寫器系統(tǒng)中對(duì)讀寫器的控制、對(duì)數(shù)據(jù)的處理和與后臺(tái)應(yīng)用軟件的通信，需要有豐富的接口資源，可以方便快速的置于不同環(huán)境的應(yīng)用中。</p><p>　　C8051F系列單片機(jī)是SOC的典型代表，單芯片集成度十分高，片上集成豐富的模擬和數(shù)字資源。具有與8051兼容的高速CIP．51內(nèi)核，單片機(jī)處理

63、速度和性能都有很大的提升，而且開發(fā)簡單，容易移植，成本也十分低，是目前應(yīng)用晟廣泛的單片機(jī)種類。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12-24MHz。而對(duì)于CIP-51內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，得以適應(yīng)

64、超高頻RFID讀寫器要主控器運(yùn)行速度的要求以及對(duì)防碰撞吞吐率的要求。</p><p>　　2.3.1 C8051F340 單片機(jī)主要特性</p><p>　　C8051F340單片機(jī)主要有一下特性：（1）高速流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP-51 內(nèi)核，最高48MIPS 執(zhí)行速度；（2）全速非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)，C2 接口）；（3）真正10 位200ksps 的多通道單端/差分

65、ADC，帶模擬多路器；（4）高精度可編程的12MHz 內(nèi)部震蕩器；（5）64KB 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH 存儲(chǔ)器；（6）4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM；（7）USB 2.0通信接口，支持全速12Mbps通信和低速1.5Mbps通信（8）硬件實(shí)現(xiàn)的SPI，SMBus/IIC 和2 個(gè)UART 串行接口；（9）4 個(gè)通用的16 位定時(shí)器；（10）具有5 個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；（11）片內(nèi)上電復(fù)位，看

66、門狗定時(shí)器，2 個(gè)電壓比較器，VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；（12）40 個(gè)I/O 端口；（13）-40~85 度工業(yè)級(jí)溫度范圍；（14）2.7V~3.6V 工作電壓，TQFP48（thin quad flat package,即薄塑封四角扁平封裝）封裝。</p><p>　　2.3.2 C8051F340 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　如圖2-2為C8051F340的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

67、</p><p>　　圖2-2 C8051F340主控器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.4 射頻收發(fā)芯片選型方案</p><p>　　AS3991是一款高集成度的射頻芯片。在發(fā)射電路端，集成了功率放大器(PA)、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器、調(diào)制器等模塊；在接收電路端，集成了低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、中頻放大器、解調(diào)器

68、等模塊。同時(shí)還集成了電源電壓管理、協(xié)議控制等工作模塊，從而使芯片外圍電路大大簡化。芯片控制通過32個(gè)寄存器的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)全部RF、濾波及協(xié)議控制功能。收發(fā)模塊支持自動(dòng)生成幀頭和CRC校驗(yàn)碼，組裝成幀的數(shù)據(jù)塊通過片上的24字節(jié)FIFO寄存器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)中。電源管理模塊可以對(duì)片外MCU以及其他芯片供1．5～3．3伏電壓以及提供時(shí)鐘輸出。片上PA具有高達(dá)20dBm的輸出功率，片上VCO和PLL可產(chǎn)生840MHz-960MHz的振蕩頻率。 A

69、S3991則完全集成了ISO/IEC 18000-6C協(xié)議?？傮w來說AS3991具有以下優(yōu)點(diǎn)：集成度更高，源代碼公開，加載協(xié)議方便，開發(fā)難度低，外圍電路設(shè)計(jì)簡單，總體成本低，設(shè)計(jì)時(shí)要注意的事項(xiàng)少。因此本課題設(shè)計(jì)選擇AS3991作為射頻收發(fā)芯片。</p><p>　　AS3991射頻芯片的特性:（1）支持多通信協(xié)議；（2）高集成度，外圍電路簡單；(3）低工作電流；(4)輸出功率可達(dá)20dBm；(5)可選擇時(shí)鐘輸出提

70、供給MCU；(6)支持和MCU之間的8位并行或者4線串行通信；(7)采用ASK或者PR．ASK（反向相位幅度鍵控）信號(hào)調(diào)制；(8)可選擇接收增益控制；(9)支持三種工作模式間切換，大大降低功耗。表2-1 為AS3991芯片的基本參數(shù)表</p><p>　　表2-1 ASS3991的基本參數(shù)</p><p>　　2.5 RFID的通信標(biāo)準(zhǔn)方案 EPC Gen-2標(biāo)準(zhǔn)</p>

71、<p>　　無線射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)存在眾多的通信協(xié)議。其中一個(gè)最流行的協(xié)議就是EPC Gen-2協(xié)議。這個(gè)協(xié)議在零售業(yè)中得到了廣泛的使用，近年，Gen-2系統(tǒng)被批準(zhǔn)為ISO標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　2.5.1 Gen-2使用特性的概述</p><p>　　Gen-2協(xié)議使用最普遍的特性是清單命令。庫存命令有一下四種命令組成：選擇、查詢、查詢重復(fù)和查詢調(diào)節(jié)。這些命令用來讀取

72、在閱讀器范圍內(nèi)所有標(biāo)簽的EPC序號(hào)。EPC序號(hào)可以用來訪問中心數(shù)據(jù)庫，獲得例如標(biāo)簽附著在哪一個(gè)物品上的更多信息。</p><p>　　2.5.2 物理層通信特性 </p><p>　　Gen-2的物理通信接口與七層開放系統(tǒng)互聯(lián)模型的物理層概念相似。閱讀器控制Gen-2協(xié)議物理層的所有部分，并編碼發(fā)給標(biāo)簽的所有命令的前端部分。在Gen-2協(xié)議中，存在兩個(gè)通信鏈路：閱讀器向標(biāo)簽的鏈路和標(biāo)簽向閱

73、讀器的鏈路。這兩個(gè)鏈路是相互獨(dú)立的，存在不同的數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)調(diào)制方案。這兩個(gè)通信鏈路的具體特性都是由閱讀器控制。在Gen-2中，標(biāo)簽與閱讀器通信使用反向散色的形式。Gen-2支持兩種類型的調(diào)控：振幅調(diào)控（ASK）和移像鍵控（PSK）調(diào)制。</p><p>　　2.5.3 標(biāo)簽的狀態(tài)機(jī)</p><p>　　1.準(zhǔn)備狀態(tài)：準(zhǔn)備狀態(tài)是標(biāo)簽在上電的情況下能夠進(jìn)入的兩個(gè)狀態(tài)之一。另一個(gè)標(biāo)上

74、電時(shí)可以進(jìn)入的狀態(tài)是死亡狀態(tài)。當(dāng)標(biāo)簽在上電復(fù)位以前是死亡狀態(tài)時(shí)，標(biāo)簽會(huì)在上電復(fù)位時(shí)進(jìn)入死亡狀態(tài)。如果標(biāo)簽先前沒有死亡，那它會(huì)在上電后進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。處于準(zhǔn)備狀態(tài)的標(biāo)簽，不會(huì)參與查詢回合。當(dāng)閱讀器發(fā)布一個(gè)查詢命令，將打開查詢回合，直到下一個(gè)查詢命令中止。因此，查詢命令指示結(jié)束當(dāng)前的查詢和下一個(gè)查詢的開始。閱讀器使用查詢回合來獲得大量標(biāo)簽的EPC號(hào)碼。當(dāng)接受到一個(gè)查詢命令時(shí)，標(biāo)簽將會(huì)結(jié)束準(zhǔn)備狀態(tài)。查詢命令包含了標(biāo)簽選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)載入到時(shí)隙計(jì)數(shù)

75、器的參數(shù)。如果隨機(jī)數(shù)是0，隨后標(biāo)簽將會(huì)發(fā)送它的回復(fù)狀態(tài)。當(dāng)隨機(jī)數(shù)不為0是，標(biāo)簽會(huì)發(fā)送仲裁狀態(tài)。</p><p>　　2.仲裁狀態(tài)：仲裁狀態(tài)下的標(biāo)簽將參與當(dāng)前的查詢回合，他們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器包含一個(gè)非0值。在此狀態(tài)下的標(biāo)簽等待他們的時(shí)隙計(jì)時(shí)器達(dá)到0為止。當(dāng)標(biāo)簽的時(shí)隙計(jì)數(shù)器到達(dá)0時(shí)，標(biāo)簽變到回復(fù)狀態(tài)。</p><p>　　3.回復(fù)狀態(tài)：回復(fù)狀態(tài)是當(dāng)標(biāo)簽發(fā)送它的EPC好嗎給閱讀器的兩個(gè)狀態(tài)之一。回復(fù)

76、狀態(tài)中的標(biāo)簽有一個(gè)時(shí)隙計(jì)數(shù)器為0，并反向散射RN16（RN16是一個(gè)十六位的隨機(jī)數(shù)）給閱讀器。反向散射RN16是標(biāo)簽發(fā)送EPC好嗎給閱讀器的兩個(gè)階段中的第一個(gè)階段。</p><p>　　如果閱讀器正確的接收到了標(biāo)簽的RN16數(shù)，閱讀器將會(huì)發(fā)送一個(gè)帶有RN16的確認(rèn)（ACK）命令給標(biāo)簽。閱讀器接收不到RN16的可能原因有：?兩個(gè)以上的標(biāo)簽在發(fā)送RN16時(shí)發(fā)生碰撞；?射頻信號(hào)干擾了RN16；?閱讀器錯(cuò)過了RN16信號(hào)

77、。標(biāo)簽隨后將會(huì)反向散射它的EPC號(hào)碼，還有發(fā)送一個(gè)PC（描述了標(biāo)簽的物理特性）和用來進(jìn)行錯(cuò)誤檢查的CRC。接收到帶有正確的RN16的ACK是標(biāo)簽從回復(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)入到確認(rèn)狀態(tài)。標(biāo)簽只有在接收不到來自閱讀器的任何命令時(shí)，才會(huì)在一個(gè)限定的時(shí)間內(nèi)保持在回復(fù)狀態(tài)。在這個(gè)時(shí)間之后，標(biāo)簽將會(huì)自動(dòng)的回到仲裁狀態(tài)。</p><p>　　4.確認(rèn)狀態(tài)：當(dāng)標(biāo)簽發(fā)送它的EPC號(hào)給閱讀器之后，將會(huì)進(jìn)入到確認(rèn)狀態(tài)。確認(rèn)狀態(tài)是訪問命令（讀和寫命令

78、）的網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。但是標(biāo)簽在我、確認(rèn)狀態(tài)不會(huì)死亡。確認(rèn)狀態(tài)與回復(fù)狀態(tài)類似，有一個(gè)定時(shí)器，可以在每次從閱讀器接收到一個(gè)命令后復(fù)位。如果在特定的時(shí)間內(nèi)，沒有從閱讀器接收命令（即定時(shí)器超時(shí)），標(biāo)簽則會(huì)自動(dòng)的回到仲裁狀態(tài)。</p><p>　　5.開放狀態(tài)：開放狀態(tài)是訪問命令專門使用的兩個(gè)狀態(tài)之一。在開放狀態(tài)中沒有定時(shí)器。因此，如果沒有閱讀器命令時(shí)，只要標(biāo)簽有供電，它將保持開放狀態(tài)。標(biāo)簽可以從開放狀態(tài)進(jìn)入到安全狀態(tài)。<

79、/p><p>　　6.安全狀態(tài)：標(biāo)簽可以使用一個(gè)可選的密碼設(shè)定，它需要閱讀器提供正確的密碼，以便于執(zhí)行任何的訪問命令。密碼的默認(rèn)值為零。這意味著密碼保護(hù)沒有實(shí)現(xiàn)，或者是沒有被激活。設(shè)置一個(gè)非0 值的密碼，可以使密碼具有保護(hù)的特性。如果標(biāo)簽的密碼特性被實(shí)現(xiàn)和激活，那么所有的訪問命令必須從安全狀態(tài)執(zhí)行。在標(biāo)簽進(jìn)入到安全狀態(tài)之前必須提供正確的密碼。</p><p>　　7.死亡狀態(tài)：RFID標(biāo)簽包含

80、識(shí)別一個(gè)特定物體的信息。ID號(hào)是唯一的，并且與某一特定的物品相關(guān)。因此，使用RFID時(shí)，對(duì)安全和隱私的關(guān)注開始上升。死亡即是關(guān)閉標(biāo)簽的命令，死亡操作不能被撤銷，并且永久性的破壞標(biāo)簽。在標(biāo)簽死亡以后標(biāo)簽將不會(huì)響應(yīng)任何命令。因此標(biāo)簽死亡以后，沒有任何設(shè)被能夠讀取標(biāo)簽的EPC號(hào)。</p><p>　　本章小結(jié)：本章主要從系統(tǒng)整個(gè)方案的設(shè)計(jì)出發(fā)，主要從系統(tǒng)的總體方案和主要芯片的選型方案、主要通信標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)簽的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了

81、描述。</p><p>　　第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要介紹讀寫器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基帶模塊設(shè)計(jì)包括主控芯片、射頻發(fā)射模塊及外圍時(shí)鐘、復(fù)位和外部存儲(chǔ)器。射頻模塊設(shè)計(jì)中選用AS3991，外圍電路設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器，放大隔離電路中功率放大器選用SPA2118，收發(fā)隔離使用環(huán)形器HYH504A來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖3-1硬件電路整體結(jié)構(gòu)框圖&l

82、t;/p><p>　　3.1控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　C8051F340 SOC系列MCU在CIP-51內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供16個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn)8051只有7個(gè)中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)

83、時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F340有多達(dá)9個(gè)復(fù)位源：上電復(fù)位電路（POR）、片內(nèi)VDD監(jiān)視器（當(dāng)電源電壓低于VRST時(shí)強(qiáng)制復(fù)位）、USB控制器（USB總線復(fù)位或VBUS狀態(tài)變化）、看門狗定時(shí)器、時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、由比較器0提供的電壓檢測(cè)器、軟件強(qiáng)制復(fù)位、外部復(fù)位輸入引腳和FLASH讀/寫錯(cuò)誤保護(hù)電路復(fù)位。除了POR、復(fù)位輸入引腳及FLASH操作錯(cuò)誤這三個(gè)復(fù)位源之外，其他復(fù)位源都可以被軟件禁止。在一次上電復(fù)位之后的MCU

84、初始化期間，WDT可以被永久性使能。 </p><p>　　高速內(nèi)部振蕩器在出廠時(shí)已經(jīng)被校準(zhǔn)為12MHz ±1.5%。時(shí)鐘恢復(fù)電路允許內(nèi)部振蕩器與4倍時(shí)鐘乘法器配合，提供全速方式USB時(shí)鐘源。內(nèi)部振蕩器還被用作低速方式下的USB時(shí)鐘源。外部振蕩器也可以與4倍時(shí)鐘乘法器配合使用。器件內(nèi)集成了一個(gè)低頻振蕩器，可以在功耗關(guān)鍵的應(yīng)用中使用。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或

85、外部CMOS時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘可以被配置為使用內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器或時(shí)鐘乘法器輸出二分頻。如果需要，可以在CPU運(yùn)行時(shí)切換系統(tǒng)時(shí)鐘振蕩源。低頻內(nèi)部振蕩器或外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個(gè)低頻率（節(jié)電）的時(shí)鐘源運(yùn)行,當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速時(shí)鐘源</p><p>　　圖3-2 主控器C8051F440</p><p>　　3.2 射頻模塊硬件電路的設(shè)計(jì)

86、</p><p>　　AS3991是一款高集成度的射頻芯片。在發(fā)射電路端，集成了功率放大器(PA)、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器、調(diào)制器等模塊；在接收電路端，集成了低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、中頻放大器、解調(diào)器等模塊。同時(shí)還集成了電源電壓管理、協(xié)議控制等工作模塊，從而使芯片外圍電路大大簡化。其處理信號(hào)的主要流程是：主控制器將發(fā)送往標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸至AS3991，經(jīng)過編碼、載波

87、調(diào)制后，由RFOPX與RFONX兩端差動(dòng)輸出至射頻功率放大器PA，經(jīng)PA放大后的信號(hào)通過隔離器由天線發(fā)送出去。經(jīng)天線接收的信號(hào)通過隔離器后輸送到AS3991的輸入MIXS_IN，由AS3991進(jìn)行混頻、增益、濾波和數(shù)字化后得到數(shù)字信號(hào)，再送給MCU處理。</p><p>　　AS3991與MCU 的通信接口既支持并行連接，也支持串行連接，其初始化在MCU</p><p>　　控制下通過并行

88、接口完成，之后根據(jù)初始化設(shè)定的工作模式選擇通信方式。在支持ISO18000-6B協(xié)議的直通模式下AS3991只能輸出串行的數(shù)據(jù)流信息，而解碼、校驗(yàn)則由MCU完成。</p><p>　　圖3-3 射頻模塊AS3991</p><p>　　3.3 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它

89、可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302的引腳排列,其中Vcc，Vcc2

90、給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器;其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的方法。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS13

91、02由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電</p><p>　　為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，SCLK為時(shí)鐘輸入端。 </p><p><b>　　圖3-4 時(shí)鐘電路</b></p><p>　　3.4 USB接口電路</p><p>　　USB接口電路主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)下載和上傳，即與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的作用。USB

92、收發(fā)器配置內(nèi)容包括收發(fā)器使能/禁止、上拉電阻使能/禁止及器件速度選擇（全速或低速）。當(dāng)位SPEED =‘1’時(shí)，USB0工作在全速USB方式，片內(nèi)上拉電阻（如果被使能）出現(xiàn)在D+引腳。當(dāng)位SPEED =‘0’時(shí)，USB0工作在低速USB方式，片內(nèi)上拉電阻（如果被使能）出現(xiàn)在D-引腳。寄存器USB0XCN的位4~0用于收發(fā)器測(cè)試。上拉電阻只在有VBUS信號(hào)時(shí)被使能。</p><p>　　本系統(tǒng)采用的USB控制器具有

93、以下特性：</p><p>　　1. 符合USB規(guī)范2.0版 </p><p>　　2.全速(12Mbps)或低速(1.5Mbps) </p><p>　　3. 集成時(shí)鐘恢復(fù)電路；無需外部晶體 </p><p><b>　　4.支持8個(gè)端點(diǎn) </b></p><p>　　5.1KB USB緩存 &

94、lt;/p><p>　　6.集成收發(fā)器，無需外部電阻</p><p>　　圖3-5 USB接口電路</p><p>　　3.5 外部存儲(chǔ)電路</p><p>　　串行EEPROM中，較為典型的有ATMEL公司的AT24CXX系列和AT93CXX等系列產(chǎn)品。簡稱I2C總線式串行器件。串行器件不僅占用很少的資源和I/O線，而且體積大大縮小，同時(shí)具有工

95、作電源寬、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、數(shù)據(jù)不易丟失和支持在線編程等特點(diǎn)。</p><p>　　AT24C02是美國 ATMEL 公司的低功耗 CMOS 串行 EEPROM，它是內(nèi)含256×8 位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次） 、寫入速 度快（小于10ms）等特點(diǎn)。AT24C02中帶有片內(nèi)尋址寄存器。每寫入或讀出一個(gè)數(shù) 據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)

96、存儲(chǔ)單元的操作。所有字節(jié)都 以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時(shí)間，一次操作可寫入多達(dá)8字節(jié)的數(shù)據(jù)。各引腳功能如下： SCL：串行時(shí)鐘。在該引腳的上升沿時(shí)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè) EEPROM 器件，在 下降沿時(shí)輸出。 SDA：串行數(shù)據(jù)。該引腳為開漏極驅(qū)動(dòng)，可雙向傳送數(shù)據(jù)。 A0、A1、A2：器件/頁面尋址。為器件地址輸入端。 WP：硬件寫保護(hù)。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)禁止寫入，當(dāng)為低電平時(shí)可正常讀寫數(shù)據(jù)。 VCC：電源。一般輸入+5V電壓。

97、VSS：接地。</p><p>　　圖3-6 外部存儲(chǔ)電路</p><p>　　3.6 提示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本電路的作用是實(shí)現(xiàn)：當(dāng)上電復(fù)位時(shí)、成功讀取標(biāo)簽時(shí)、系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)通過不同的提示提示音來報(bào)警。</p><p><b>　　圖3-7提示電路</b></p><p><b

98、>　　3.7 復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位電路有兩種，上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。如果是上電復(fù)位，上電瞬間，電壓VCC短時(shí)間內(nèi)從0V上升到3V3，這一瞬間相當(dāng)于交流電，電容相當(dāng)于導(dǎo)線，3V3的電壓全部加在1K電阻上，也就是說，這時(shí)RST的電平狀態(tài)為高電平。但是從上電開始，電容自己就慢慢充電，其兩端電壓呈曲線上升，最終達(dá)到3V3，也就是說其正端電位為3V3，負(fù)端電位為0V，其負(fù)端也就

99、正好是RST，此時(shí)RST為低電平，單片機(jī)開始正常工作。添加按鍵是為了手動(dòng)復(fù)位，一般那個(gè)小阻值電阻可以不加。當(dāng)按鍵按下時(shí)，電容兩端構(gòu)成回路并放電，使RST端重新變?yōu)楦唠娖剑存I抬起時(shí)電容又充電使RST變回低電平。即使按下按鈕的動(dòng)作較快，也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，可以滿足復(fù)位的時(shí)間要求。</p><p><b>　　圖3-8 復(fù)位電路</b></p><p>　

100、　3.8 電源電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　電源電路旨在通過AS1340_TDFN8D（電源提高轉(zhuǎn)換器）和AS1326A_TDFN10(直流—直流升壓轉(zhuǎn)換器)等芯片滿足系統(tǒng)多個(gè)芯片的供電要求為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，而且很好解決了需要接入多個(gè)電源的問題。</p><p>　　圖3-10RFID系統(tǒng)電源電路</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p>

101、;<p>　　4.1系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　電子標(biāo)簽的碰撞：電子標(biāo)簽的碰撞主要分為兩類，第一類是當(dāng)讀寫器發(fā)出讀標(biāo)簽命令是，多個(gè)標(biāo)簽被激活同時(shí)響應(yīng)并把每個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)送給標(biāo)簽，而讀寫器每次只能識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽，這就照成了多個(gè)標(biāo)簽在同一信道中的沖突，即多個(gè)標(biāo)簽之間的碰撞。第二類是當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的范圍時(shí)，多個(gè)讀寫器同時(shí)發(fā)出命令激活標(biāo)簽，標(biāo)簽發(fā)送它儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)而被多個(gè)閱讀器同時(shí)接受照成的碰撞，即多

102、個(gè)閱讀器自檢的碰撞。</p><p>　　標(biāo)簽的碰撞算法一直是提升超高頻RFID系統(tǒng)可靠性的瓶頸。而單獨(dú)依靠硬件無法解決這一問題，因此多種防碰撞算法被逐漸的提出來。</p><p>　　4.1.1系統(tǒng)軟件主流程圖</p><p>　　圖4-1 讀寫器主流程圖</p><p>　　4.2 標(biāo)簽防碰撞算法介紹</p><p&g

103、t;　　為了減少標(biāo)簽的碰撞，多個(gè)標(biāo)簽防碰撞協(xié)議已經(jīng)被提出來。這些協(xié)議主要分為三類：基于ALOHA的、基于樹的和基于計(jì)數(shù)器的協(xié)議。本文主要研究基于ALOHA的算法。</p><p>　　圖4-2 防碰發(fā)生的原理示意圖</p><p>　　4.2.1 基于ALOHA的協(xié)議</p><p>　　基于ALOHA的標(biāo)簽協(xié)議是根據(jù)運(yùn)行于概率方式下的一種后退機(jī)制?；贏LOHA的

104、協(xié)議試圖錯(cuò)開識(shí)別區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽的響應(yīng)時(shí)間?；贏LOHA的協(xié)議比較簡單，且性能比較正常。但是它們會(huì)出現(xiàn)標(biāo)簽饑餓問題，因此由于標(biāo)簽的響應(yīng)會(huì)互相碰撞導(dǎo)致它可能永遠(yuǎn)無法識(shí)別。ALOHA協(xié)議根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)液可以分為其他幾類。</p><p>　?。?.ALOHA協(xié)議</p><p>　　ALOHA協(xié)議是最簡單的基于ALOHA的標(biāo)簽防碰撞協(xié)議。當(dāng)閱讀器請(qǐng)求標(biāo)簽回應(yīng)它的ID號(hào)時(shí)，在識(shí)別區(qū)內(nèi)的每個(gè)標(biāo)簽會(huì)自己

105、選擇一個(gè)隨機(jī)的回退時(shí)間，在這個(gè)回退時(shí)間之后，把標(biāo)簽的ID號(hào)發(fā)送給閱讀器。如果在標(biāo)簽ID號(hào)的發(fā)送期間沒有碰撞發(fā)生，此ID將會(huì)被閱讀器成功的識(shí)別，被識(shí)別ID號(hào)的標(biāo)簽將停止對(duì)閱讀器的響應(yīng)。否則，標(biāo)簽會(huì)重復(fù)的選擇一個(gè)隨機(jī)的后退時(shí)間，發(fā)送它的ID號(hào)，知道ID號(hào)被閱讀器識(shí)別為止。</p><p>　　2.時(shí)隙ALOHA協(xié)議</p><p>　　在時(shí)隙ALOHA協(xié)議中，隨機(jī)的回退時(shí)間必須是多個(gè)預(yù)先設(shè)置的

106、時(shí)間間隙。而時(shí)隙時(shí)間經(jīng)常被設(shè)置成為一個(gè)時(shí)間周期，這個(gè)時(shí)間必須足夠的長，可以使標(biāo)簽發(fā)送完它的ID號(hào)，并使閱讀器識(shí)別到這個(gè)ID號(hào)。閱讀器需要為識(shí)別區(qū)內(nèi)的所有標(biāo)簽同步時(shí)隙時(shí)間。如果在一個(gè)時(shí)隙時(shí)間。如果在一個(gè)時(shí)隙時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)標(biāo)簽傳輸它的ID號(hào)，那么閱讀器可以正確的識(shí)別，被識(shí)別的ID號(hào)的標(biāo)簽將停止對(duì)閱讀器的響應(yīng)。否則，標(biāo)簽會(huì)重復(fù)的選擇一個(gè)隨機(jī)的后退時(shí)間，發(fā)送它的ID號(hào)，直到ID號(hào)被閱讀器識(shí)別為止。</p><p>　　

107、圖4-3 時(shí)隙算法示意圖</p><p>　　3.幀時(shí)隙ALOHA協(xié)議</p><p>　　幀時(shí)隙ALOHA協(xié)議中，整個(gè)識(shí)別過程被非為一系列的幀，每個(gè)幀具有多個(gè)時(shí)隙具有多個(gè)時(shí)隙。在接收閱讀器的請(qǐng)求命令時(shí)，每個(gè)標(biāo)簽只在某個(gè)幀期間隨機(jī)選擇的一個(gè)時(shí)隙內(nèi)響應(yīng)。如果在時(shí)隙中只有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)，閱讀器可以成功的識(shí)別標(biāo)簽。沒有成功被識(shí)別的標(biāo)簽會(huì)在下一個(gè)幀中再次選擇一個(gè)時(shí)隙來發(fā)送它的ID號(hào)。當(dāng)沒有標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)