基于ISO180006C协议的超高频RFID读写器设计--AS3990剖析
基于I S O 18000-6C 协议的超高频R F I D 读写器设计
张余明*
1刘浩2
1桂林瀚特信息产业有限公司,广西桂林541004
2广西工学院信息与计算科学系,广西柳州(
545006
摘要论文提出了一种基于I S O 18000-6C 标准的超高频R F I D 读写器设计,分析了I S O 18000-6C 标准的技术特点
和各项指标,分析了读写器射频电路,给出了硬件电路及软件的设计方案,并完成了系统测试。
关键词R F I D ;读写器;超高频;I S O 18000-6C
中图分类号:T P 393文献标志码:A 文章编号:1009-1033(201102-0134-03无线射频识别(R a d i o F r e q u e n c y
I d e n t i f i c a t i o n ,R F I D 技术[1]
,是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技
术。R F I D 通过射频信号自动识别目标对象,获取相关的数据,无需人工接触、无需光学可视即可完成信息输入和处理。操作简单快捷,识别距离远,传输速率快,同时具有难以伪造和智能性较高等优点,因而得到社会各领域的广泛使用。
超高频R F I D 技术具有识别距离更远、识别速度更快、识别准确率高、抗干扰能力强、使用寿命长、可穿透非金属材料等特点,
在高速公路车辆自动识别、自动收费系统、城市交通管理、铁路车辆识别、物流仓库管理等广阔的场合有
着巨大的市场和应用前景,因此也成为目前研究的热点[
2]
。1基于I S O 18000-6C 协议的超高频
R F I D 读写器分析
1.1物理层
读写器向一个或多个标签发送信息时采用双边带幅度键控(D S B -A S K ,单边带幅度键控(S S B-A S K 或采用脉冲间隔编码(P I E 格式的反相幅度键控(P R-A S K 调制射频载波来实现。标签从同一调制的载波中接收它们工作
的能量[
3]
。读写器接收标签发送的信息时发送一个无调制的射频载波并侦听标签反向散射的应答。标签传送信息采用调制反向散射的射频载波的幅度方式实现。编码方式可以根据读写器的命令选择,或者为F M 0编码,或者为M i l l e r 调制副载波。读写器与标签之间的通信链路是半双工的。
1.2标签识别层
读写器管理标签群通过以下三种基本操作实现[
4]
:(1选择(S e l e c t :选择标签数量进行盘存和访问的操作。S e l e c t 命令可以根据用户指定的准则连续地选择一个特定数量的标签。
(2盘存(I n v e n t o r y :识别标签的操作。读写器在4个s e s s i o n s 中的一个s e s s i o n 里通过发送Q u e r y 命令开始一个盘存周期(i n v e n t o r y r o u n d ,一个或多个标签可能响应。读写器检测到一个单一的标签应答并请求该标签的P C 、
E P C 和C R C-16。盘存周期操作一次仅能在一个节中
进行。(3访问(A c c e s s :与标签的通信操作。单个标签在访问前必须首先被唯一地识别。
1.3通信信息传输
通信信息的传输包括读写器到标签、标签到读写器两个通信方向。
(1
脉冲间隔编码。读写器与电子标签之间传输的数据编码是脉冲间隔编码(P I
E 。P I E 编码通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示4种符号(O ,1,S O
F ,E O F
。(2F MO 码和M i l l e r 码。标签向读写器返回的数据采用F MO 码或者M i l l e r 码编码。
1.4标签状态及状态间转移路径
如图1所示,根据I S O 18000-6C 通信协议,读写器在对标签群进行操作的时候,标签主要在以下几种状态之间切换:
(1
就绪状态。通电标签被灭活后或者正参与当前某盘存周期的保持状态。进入射频场后,没有被灭活的标签则进入就绪状态。
(2
仲裁状态。参与当前盘存周期但槽计数器数值不4
312011年第2期
(总第62期
桂林航天工业高等专科学校学报J O U R N A L O F G U I L I N C O L L E G E O F A E R O S P A C E T E C HN O L O G Y 信息与电子工程*作者简介:张余明(1971-
,男,广西桂林人。工程师。研究方向:R F I D 、网络通信。
图1读写器对标签的基本操作以及标签状态图
等于零的标签的保持状态。
(3应答状态。槽计数器数值为零的标签进入应答状态,反向散射R N l6。
(4确认状态。确认状态的标签通过收到的具体命令可以转换到任何状态(灭活状态除外。
(5开放状态。处于确认状态并且访问口令非零的标签在收到R e q_R N命令后即转换到开放状态,同时反向散射新的R N l6作为句柄需要在随后读写器对标签的一系列访问操作中进行验证。
(6保护状态。处于开放状态并且访问口令非零的标签在收到有效A c c e s s命令即转换到保护状态,同时保持原来的句柄不变。
(7灭活状态。处于开放状态或保护状态的标签在收到K i l l命令后,以有效非零灭活口令和有效旬柄进入灭活状态,同时标签不再对读写器的命令做出任何响应。
1.5标签盘存和访问步骤
读写器发出S e l e c t命令选择特定的标签群后,读写器从中唯一确定一张标签并对该标签进行访问操作。具体流程如图2所示:读写器首先发一个含有Q值的Q u e r y命令;参与标签在收到Q u e r y命令后,在(0,2Q-1范围内挑选一个随机数值载入槽计数器;随机数等于零的标签换成应答状态并立即作出应答;随机数非零的标签不作出反应,继续等待读写器发出的Q u e r y A d j u s t或Q u e r y R e p命令;当标签进入应答状态后即反向散射R N l6,读写器以含有相同R N l6的A C K命令确认该标签;之后,被确认的标签转换到确认状态,反向散射其P C、E P C和C R C16;读写器发送含有与之前相同的R N l6的R e q R N命令,标签反向散射一个新R N l6作为应答;最后,读写器以新的R N l6作为访问句柄,对标签进行访问操作。
2读写器硬件设计
本超高频读写器采用高集成度芯片A S3990设计。
2.1 A S3990芯片特点
A S3990芯片是奥地利微系统公司研制的用
于
图2标签盘存和访问步骤图
860MH z~960MH z的超高频R F I D读写器的专用芯片,封装形式为64脚Q F N封装。芯片内集成了接收电路、发送电路、协议转换单元、连接M C U(微控制器的8b i t并行接口或S P I串行接口等[5],具有集成度高的特点。
芯片具有两种工作模式,支持I S O18000-6C和I S O18000-6A/B协议。芯片具有并行接口或串行接口两种数据接口方式,方便与M C U进行数据通信。需要发送的命令和数据信号经编码、调制、射频放大后输出到天线。
2.2读写器总体设计
如图3所示,发送数据经A S3990编码、载波调制后,由R F O P X与R F O N X 两端差动输出至射频功率放大器P A,经放大后的信号通过隔离器由天线发送出去。经天线接收的信号通过隔离器后输送到A S3990的输入端M I X S-I N,由A
S3990进行混频、增益、滤波、数字化后得到数字信号,再送给M C U处理[6]。读写器天线设计则根据读写距离的需要采用基于P C B板的微带天线方案或专用外接天线方案。读写器与外部的数据通信则设置了U S B接口和R S232接口。如果有需要,也可以通过选用不同型号的M C U方便地支持以太网接口或其他类型的总线接口[7]
。
图3读写器的设计框图
5
3
1
3读写器软件设计
3.1读标签流程
标签读操作可以分为单标签读和多标签读两种情况[8]。
对于多标签读,就是同时出现多张电子标签,读写器要识别全部标签,而且不能出现重复读和漏读问题。
通过设置不同的Q值可以读取不同的标签数目。读写器一次可以识别2Q-1张电子标签。当要识别的标签数大于2Q-1时,一部分标签载入槽计数器的随机数必然相同,在连续收到Q u e D,R e p命令以及A C K命令之后,这些标签的随机数同时减为0并同时返回应答信号,这时就会产生冲突。在实际的应用当中,事先不可能知道具体场合中标签的数量,所以无法准确地设置Q值。通过在识别过程中根据读标签
过程的返回情况使用Q u e r y A d j u s t命令修改Q值大小可以解决以上的问题,即根据射频场内不同的标签数目,自动调整Q值大小。
多标签读流程是:首先选择射频场内的标签群,之后通过含有Q值参数的命令对标签群启动一个盘存周期,之后不断发送Q u e r y R e p0命令和A C K O命令对标签槽计数器减值并进行识别,正确唯一识别的标签序列号被记录在存储器中。为了识别全部标签,Q u e r y R e p0命令和A C K O命令需要重复执行N=2Q-1次,即把所有Q值产生的可能的时隙都要历遍。
单标签读是指读写器每次只需对单独一张标签进行识别,如果识别成功则马上停止搜索过程。身份识别、刷卡扣费、个别货物管理等应用中需用到单标签读的功能。对比多标签读,单表签读时间更快、算法也简单。由于单标签读在成功搜索到一张标签后马上退出搜索过程,所以,单标签
读可以设置Q值为0,这样,载入槽计数器的随机数必然等于0,即读写器只需搜索一次便可以把一张标签识别出来,从而极大提高单标签读的速度。
3.2写标签流程
读写器首先搜索射频范围内的电子标签,唯一确定一张标签后,判断该标签是否设置了密码(即使用了L o c k0命令的标签,如果没有,则可以直接对选定的标签进行写操作;如果标签被锁定,读写器通过发送两条A c c e s s(和R e q_R N(16命令判定对该标签是否拥有写操作权限。第一个A c c e s s(命令包含标签的以R N l6异或高16位密码的访问口令,第二个A c c e s s(命令包含以不同的R N16异或低16位密码的访问口令。在发出A c c e s s(命令之前,读写器首先发出一个R c q R N0命令获得一个新的R N16。只有当两次验证都通过,即32位密码正确时,读写器才有对该标签的写操作权限。R c q R N命令产生的16位随机数R N l6,与标签A c c e s s 密码进行异或得到命令参数。如果用户想要获得A c c e s s密码,就必须拥有相同的用于加密的R N l6随机数,否则,无法取得密码。这些措施有效保护了密码的隐秘性和通信的安全性。
4结束语
本系统基于I S O18000-6C协议的超高频读写器,设计方案采用高集成度芯片,外部器件少、调试方便,标签读取速度快,误读、漏读率低。系统可以在三种工作模式中切换,在不需要读写卡操作时,可进入休眠模式或者监听模式。因此本系统具有开发简单、功耗低、体积小、成本低的特点,具有良好的稳定性和可靠性。适用于手持式或台式R F I D读写器、销售点分布系统以及访问控制等应用场合。
参考文献
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(责任编辑骆桂峰 6 3
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