一种超高频RFID阅读器的设计

张素琴

(常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164)

一种超高频RFID阅读器的设计

张素琴

(常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164)

RFID是物联网系统中的一项重要技术，设计了一种基于C8051F340单片机和射频阅读专用芯片AS3992的超高频RFID阅读器，给出了阅读器的硬件电路和软件系统方案，详细提出了碰撞算法和标签扫描流程，对阅读器进行测试，并给出了具体测试数据和结果。结果表明，该设计方案符合超高频RFID阅读器要求，具有良好的实用价值。

RFID； AS3992； 标签扫描

0 引言

RFID(Radio frequency Identiifcation)技术是物联网系统的关键技术，是使用专用的RFID阅读器及专门的可附着于目标物的RFID标签、利用超高频率信号将RFID标签信息传送至RFID阅读器来获得相关特征信息的一种非接触式射频识别技术[1]。RFID阅读器部署在一定的场空间范围内，以发射电磁波的形式激活在范围内的标签，标签在得到能量激活后进入仲裁状态，接受阅读器发出的指令，通过IS018000-6X空间协议实现阅读器和标签间的通讯。RFID阅读器的优点在于不需要所见就可以读出标签内容，并且可以快速群读，在物品经过的地方可以不停止地大量快速阅读和盘存，大大提高物品的检测速度；还可以将阅读器识别的标签信息传送到主机数据库，通过组网的形式进行高效的资源管理。因此，RFID阅读器广泛应用于物流管理、零售管理、制造行业、医疗管理等领域。

1 硬件电路设计

1.1 芯片选择

目前国内市场上很多超高频RFID阅读器的射频前端采用分立元件搭建，所兼容的协议需要通过控制器内编程实现，通信端口则多采用串口方式，其制作方法复杂、稳定性差且成本较高。本方案提出基于射频收发芯片AS3992、工作于840～960 MHz频段的超高频RFID阅读器的设计方案。该方案中采用的两个主要芯片分别是控制器C8051F340单片机和AS3992阅读专用芯片。

C8051F340是silicon labs的产品，它基于高速、流水线结构，有与8051兼容的微控制器内核；片内具有通用串行总线(USB)功能控制器；有8个灵活的端点管道，集成收发器和1K FIFO RAM；片内集成多达64 KB的FLASH存储器和多达4 352字节片内RAM，可以实现最小系统，因此选择C8051F340控制器作为一个USB接口的RFID阅读器硬件平台的主控芯片。

AS3992是AMS公司推出的一款集成模拟前端和后端并且能处理IS0180006C/6B协议的阅读器芯片，工作频率范围为840～960 MHz，内部集成完整的射频信号的调制/解调模块、DRM滤波器和6C协议支持模块等，接收灵敏度高达-86 dBm，提供SPI接口作为和主控处理器的接口，因此，采用该芯片可降低超高频阅读器的开发难度和周期，提高系统的稳定性和性价比。

1.2 硬件电路方案

硬件电路框图如图1所示：

图1 硬件结构框图

C8051F340主控制器通过SPI接口控制AMS3992的动作，以USB接口和上位机进行通讯。AS3992通过巴伦将差分的0 db的功率信号送入功率为2 W的功放，然后经过二级FIR滤波送到定向耦合器的前端，定向耦合器再将信号送入天线，并耦合发射功率进行功率测量。定向耦合器的另外一端耦合接收信号，将接收信号送入AS3992的内部LNA进行放大处理。为了射频输出和天线匹配，在发送端加入DTC电容，进行阻抗匹配。

1.3 电路板设计

印制电路板布板设计方面，原则上把数字电路部分和射频部分分开布局，板子越小越好，可采用六层板结构。射频的输入输出部分的走线按照流水的原则走路，不相互交叉，尽量没有短路孔[2]，特性阻抗控制在50 Ω。布线中按照λ/4原则和行旁路等强制接地的原则进行等电位的设计。理论上每个模块都要进行阻抗匹配的设计，以保证能量能够在每个模块中传递。

2 软件方案设计

超高频阅读器的软件可分为四大模块：上位机应用程序和通信接口模块程序完成阅读器与上位机的通信；寄存器配置模块程序完成对AS3992阅读器的寄存器配置，使得AS3992能正常工作；协议控制模块程序完成协议处理，实现盘存、读/写、加密/解密、销毁等标签操作；碰撞处理模块完成软件防碰撞处理[3]。四个模块中的难点是标签扫描盘查涉及的协议控制和碰撞算法这两个部分。

2.1 标签扫描盘查控制处理

阅读器上电后主控程序首先对AS3992进行初始化，即调用AS3992的库函数中的gen2Configure()函数，初始化参数主要包括通话session、除法比率DR、miller编码或FM0编码、tari、标签反向散射链路频率BLF等。初始化完成后进入选择、盘存、会话阶段。

选择阶段：调用AS3992库函数中gen2Select()命令选择特定范围的标签，可以根据EPC、TID、用户存储器的前几位掩膜进行选择；或者使用AS3992库函数gen2Select(0，0)选择读写器阅读范围的所有标签，延迟300 us后进入盘存阶段。

盘存阶段：一个盘存周期中发送一次Query命令，涉及两个AS3992库函数中的扫描函数gen2SearchForTags()和gen2SearchForTagsFast()。

gen2SearchForTags()函数发送Query命令，开始盘存标签。盘存过程中扫描到的标签从应答状态转换到确认状态(ACK命令)，再从确认状态转换到开放状态(Req_RN命令)。扫描到标签，则扫描标签数num_of_tags_加1；若冲突，冲突时隙Collisions加1；若未读到，则空时隙加1。然后发送QueryRep命令，调用库函数cbContinueScanning()继续扫描下一个时隙，直到2Q个时隙扫描完，然后判断有无碰撞发生并进行碰撞处理。如果连续调用该函数10次读到的标签数始终为0，则使AS3992进入低功耗模式，直到重新激活AS3992。

gen2SearchForTagsFast()函数发送Query命令，则开始快速盘存标签。盘存过程中扫描到的标签从应答状态转换到确认状态(ACK命令)，但不转换到开放状态。扫描到标签，扫描标签数num_of_tags_加1，发送QueryRep命令继续扫描标签，共扫描2Q次结束。该函数返回读到的标签数，不统计空时隙和碰撞时隙，发生碰撞也不处理，一次盘存即周期结束，这是一种快速盘存标签的方式。如果连续调用该函数10次读到的标签数始终为0，则使AS3992进入低功耗模式，直到重新激活AS3992。

会话阶段：该阶段主要是对标签用户存储区进行读写操作，也可以读EPC、TID。

2.2 碰撞处理模块流程

在标签扫描盘查2Q个时隙结束后，通过判断碰撞时隙Collisions的值来确定是否发生碰撞并调整Q值。若碰撞时隙不为零，根据Collisions值的大小发送QueryAdjust调整Q，然后进入盘存阶段继续扫描2Q个时隙，继续统计碰撞时隙、空时隙、扫描标签数。若还有碰撞时隙，再次调整Q，继续上述步骤，但碰撞处理程序设定上述过程即调整Q值最多为2次；若碰撞时隙为零，说明未发生碰撞，则作相关处理后结束该扫描周期，返回扫描标签数。碰撞处理流程见图2所示：

图2 碰撞处理流程

3 测试结果和结论

对基于以上方案设计的超高频阅读器进行了实际测试，该阅读器可外接四路天线，在外接12 dBi高增益天线时读卡距离为12 m，符合ISO18000-6B和ISO18000-6C协议标准，并在独特的防碰撞算法下实现了快速识别多标签功能。

测试结果表明，该设计方案符合超高频RFID阅读器要求，具有良好的实用价值。

[1] 徐鹏. 超高频RFID阅读器的设计[J].电子科技，2013(21)：62.

[2] 孟芳宇. 基于 Intel R1000 的超高频射频识别阅读器的设计[J].航空电子技术，2010(2)：33-35.

[3] 陈勇，陆遥.基于AS3992的超高频RFID阅读器的设计及仿真[J]. 光电技术应用，2013(1)：128.

[责任编辑：李娟]

Design of a UHF RFID Reader

ZHANG Suqin

(Institute of Electronic and Electrical， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China)

RFID is an important technology in IOT system. This paper designs a UHF RFID reader based on C8051F340 MCU and RF reader. It explains the hardware circuit and software system scheme of this reader， presents the collision algorithm and label scanning process. The reader is also tested， and specific test data and results are given. The results show that the design meets the requirement of the UHF reader and is of great practical value.

RFID; AS3992; label scanning

2017-04-12

张素琴(1970-)，女，副教授、高级工程师，主要研究方向：电子技术

TP 391.44

A

1672-2434(2017)04-0011-03