多通道多模式的低频RFID阅读器设计

　　由于低频信号对环境的敏感程度相对较低，同时低频(如125kHz)RFID阅读器与标签的成本相对较低，因此，低频RFID在许多应用领域发挥着重要作用。然而，现有的单通道低频RFID阅读器在组成大规模应用系统时非常不便，会使系统累赘、可靠性下降、成本增加。为了解决这些问题，有必要探讨多通道低频RFID阅读器的设计方法。

　　1　阅读器的组成
 
　　图1为多通道多模式低频RFID阅读器的结构框图。阅读器包含6个读取通道，每个通道包含一个EM4095芯片，它们在同一个MCU的程序控制下工作。设计6个通道的目的是组成多种有效的工作模式，便于实际应用。阅读器每个通道的解码均由MCU的程序控制完成，这样可以大大地简化硬件设计、降低成本。阅读器通过CAN总线或RS485总线与上位机相连，进行数据通信，接受工作模式的设定指令和其他的控制指令，上传各通道读取的标签信息和阅读器本身的工作状态；同时也可构成集散型系统，便于大规模应用。

图1多通道多模式低频RFID阅读器结构图

　　2　EM4095芯片的用法
 
　　EM4095是瑞士EMMicroelectronic公司的一款用于RFID阅读器的专用芯片。图2为EM4095的应用原理图。DEMOD_OUT引脚为AM解调信号的输出端；MOD为调制控制端，低电平时没有调制，高电平时100％调制；RDY／CLK输出端具有多个功能指示作用，或作为发送已准备好指示，或作为接收同步时钟信号输出指示。当芯片内部锁相环工作建立，接收电路开始工作时，RDY／CLK端会输出连续的与DEMOD_OUT端数据信号同步的时钟信号；SHD为高电平时，EM4095进入睡眠省电模式，RDY／CLK也被置为低电平。

图２　EM4095应用原理图

　　3　数据接收解码方法
 
　　由于EM4095只是提供了产生载波与AM调制解调功能，因此阅读器数据发送编码与数据接收解码须由MCU完成。通常125kHz的RFID数据传输速率为2～3．2kb／s。数据发送编码相对简单，只需要控制发送端口定时输出指定的数据位就可以了。数据的接收解码要复杂一些，下面以遵循ISO11784／11785标准的数据通信协议为例说明采用MCU进行数据接收解码的方法。

　　3．1标签信息数据帧的格式
 
　　图3为RFID标签在收到阅读器发送的电磁波信号后，返回的信息数据帧格式。根据ISO11785标准，数据帧(共128位)分为4个段，分别为帧头段、标识代码段、CRC校验码段以及准备将来使用的扩展预留段。帧头段代码为00000000001，包含有10个“0”。为了防止出现与帧头相同的代码，所有后续码段每8位数据插入1个控制位“1”。标识代码段内的标志位1为附加数据块标志，标志位2为动物标志。CRC校验码段为CCITT16位CRC校验码。扩展预留段现在还没有使用，统一设为000000001000000001000000001，其中的“1”即控制位。

图3　RFID标签信息数据帧格式

　　3．2标签信息数据的编码

　　采用MCU进行接收数据帧解码的关键步骤是帧头段的捕获。图4为RFID标签回馈给阅读器的信息比特流的编码方式。MCU检测到EM4095芯片RDY／CLK引脚端产生时钟信号时，进入帧头段的捕获状态。

图4RFID标签阅读器的信息比特流编码方式

　　在没有信号输入时，EM4095的输出端DEMOD_OUT为低电平，根据帧头的代码与编码方式，输入到MCU的帧头段信号波形如图5所示。考虑到RFID标签的频率125kHz会有一定的误差，且数据传输率也不会精确地为2kb／s或3.2kb／s，所以帧头的捕获包括两个方面的含义：一是帧头段的识别，即帧头代码的判断；二是波特率的确定，即信号跳变的时间间隔△T的测量。帧头捕获的目的是为帧信号后续代码段的检测解码提供依据。

图5　输入到MCU的帧头段信号波形

　　3．3标签信息数据的程序控制解码方法
 
　　考虑到数据的传输率不会大于3．2kb／s，根据图4所示的数据调制编码方式可知，信息数据输出端口(如图2的DEMOD_OUT引脚)的信号变化频率不会大于6．4kHz。在硬件实现的异步串行通信解码接口中，通常选择采样频率为信号变化频率的16倍、32倍或更高。在这里由MCU程序控制进行串行数据解码的方法是：对接收的编码信号脉冲跳变的时间间隔进行测量。由图4的编码方式(曼彻斯特编码)可知，表示数码0的时间间隔是表示数码1的时间间隔的1／2，因此测得信号脉冲跳变的时间间隔，通过程序判断比较就可解码出数据0或1。要测量信号脉冲跳变的时间间隔就需要有参考时钟信号，在这里，当参考时钟信号频率为被测信号最高频率的32倍时，其值为204．8kHz。大多数MCU的定时器／计数器都能对这一频率的信号进行计数测时。若采用LPC214x的定时器／计数器捕获功能就可以实现这一点。
 
　　将需要解码的信号(图2的DEMOD_OUT引脚输出)接入到MCU定时器的捕获端口，当没有接收信号时，接收端口保持为低电平。当RFID阅读器发送出阅读命令后，接收程序准备就绪，同时启动定时器计数。一段延时后接收信号到来，输入信号每次发生跳变时，捕获定时器的计数值，读取并保存。设第0次跳变的捕获保存值为T0，第n次跳变的捕获保存值为Tn，相邻上次捕获的保存值为Tn-1，从第1次跳变开始，计算差值△Tn：
 
　　△Tn=|Tn-Tn-1|(n≥1) 
　　如果连续18次以上的差值△T相同(即△T1、～△T18相同)，则帧头段捕获成功。考虑到接收信号放大检波带来的误差以及MCU定时器／计数器存在有计数误差，判定差值相同的依据为： 
　　|△Tn-△Tn-1|≤2 
　　式中，1≤n≤20，即相互之间的误差不大于2。 
　　差值的平均值为： 
　　△T=(△T1+△T2+…+△TN)／N(18≤N≤20)。 
　　△T为后续数据段解码的检测周期；如果后续码段信号产生跳变的时间间隔等于平均值△T，则解码为数据0；如果跳变的时间间隔值为平均值△T的2倍，则解码为数据1。据此，就可以对接收的整个标签信息数据帧进行解码。

　　4　阅读器多通道、多模式的用法

　　阅读器包含6个通道，可以根据应用需要配置出几种典型的工作模式，如6通道轮循工作模式、6通道同步工作模式等。6通道轮循工作模式可用于静态(如仓储、图书馆等)物品的监管，其轮循的周期时长可根据要求设置；6通道同步工作模式，可用于每个通道所对应的位置对系统时间响应都有严格要求的场合；6通道独立工作模式主要针对一些需求少于6通道的场合，它可以灵活地关闭或开启其中任意几个通道；双3D工作模式，则是将6通道分成2组，每组3个通道监测同一个位置，3个通道的天线波束指向分别为前后、左右、上下3个相互垂直的方向(3D)，确保进入监控位置的RFID标签不会因摆放方向的差异而出现漏读。另外，这种模式可同时对2个位置进行3D监测，当RFID标签分别通过这两个被监测的位置时，阅读器能根据RFID标签信号出现的时间先后判断出RFID标签移动的方向。

　　结语
 
　　设计的多通道、多模式低频RFID阅读器具有组态方式灵活、应用范围广的特点，且阅读器的多通道集中控制可以有效地降低通道之间的串扰。实际应用表明，多通道、多模式低频RFID阅读器具有良好的稳定性和可靠性。