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超高频rfid读写器的设计毕业论文

摘要

射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是物联网概念中的核心技术之一，相对于低频段的射频识别系统，工作在860MHz--960MHz的超高频段射频识别系统有着读取距离远，阅读速度快等优点，是目前国际上RFID技术发展的热点。

如今高速公路不停车收费的系统在国外已经很成熟，在国内也开始大范围的应用。因此，研究能远距离、快速、准确识别电子标签的RFID系统意义重大。本论文结合超高频RFID读写器今年来的最新发展和最新技术，主要介绍了基于EPC Gen2标准的不停车自动收费系统。本论文主要涵盖了一下工作：

1．分析了EPC Gen2标准的技术特点和各项指标，主要介绍了RFID系统的分类和特点，详细了解了整个系统的构成。

2．完成了读写器射频电路以及控制电路的硬件设计，详细介绍了各类防碰撞算法的定义和基本思想。

3．由于在超高频下的电路板印刷中需要充分考虑到EMC（电磁兼容）的问题，基于这一限制，本设计中主要研究了读写器的最新的技术动态帧防碰撞算法并用Matlab 2012 进行了仿真。

关键词：超高频射频识别读写器防碰撞 EPC Gen2标准

Abstrac

Radio Frequency Identification (RFID, Radio Frequency Identification) technology is one of the core concept of networking technology, relative 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 international RFID technology.

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, rapid 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 on EPC Gen2 standard. This paper covers a bit of work:

1. Analysis of the EPC Gen2 standard technical characteristics and indicators, mainly introduces the classification and characteristics of RFID systems, a detailed understanding of the composition of the entire system.

2. Completed the hardware design of the reader's RF circuit and a control circuit, detailing the definitions and the basic idea of all kinds of anti-collision algorithm.

3. Since the ultra-high frequency printed circuit board under the need to fully take into account the EMC (electromagnetic compatibility) problems, 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.

Keywords: UHF、RFID reader、 EPC Gen2 standard 、anti-collision

引言1

第一章 RFID技术的简介 (3)

1.1 RFID系统的分类 (3)

1.1.1 根据RFID读写器的工作频率可以划分为下述频段 (3)

1.2 RFID技术系统的组成 (4)

1.3 RFID系统的技术标准 (5)

1.3.1 ISO/IEC标准 (5)

1.3.2 EPCglobal标准 (6)

1.4论文结构安排： (6)

第二章 RFID系统的方案设计 (8)

2.1 性能指标基本要求 (8)

2.2 读写器总体方案设计 (8)

2.2.1 RFID读写器的组成结构 (8)

2.3 主控器的选择方案 (9)

2.3.1 C8051F340 单片机主要特性 (10)

2.3.2 C8051F340 单片机的内部结构图 (10)

2.4 射频收发芯片选型方案 (11)

2.5 RFID的通信标准方案 EPC Gen-2标准 (12)

2.5.1 Gen-2使用特性的概述 (12)

2.5.2 物理层通信特性 (12)

2.5.3 标签的状态机 (13)

第三章硬件电路的设计 (15)

3.1控制模块硬件电路设计 (15)

3.2 射频模块硬件电路的设计 (16)

3.3 时钟电路的设计 (17)

3.4 USB接口电路 (18)

3.5 外部存储电路 (19)

3.6 提示电路的设计 (20)

3.7 复位电路 (21)

3.8 电源电路的设计 (22)

第四章系统软件设计 (24)

4.1系统程序结构设计 (24)

4.1.1系统软件主流程图 (24)

4.2 标签防碰撞算法介绍 (25)

4.2.1 基于ALOHA的协议 (25)

图4-3 时隙算法示意图 (26)

第五章系统防碰撞算法仿真实现 (30)

5.1动态帧时隙算法工作过程 (30)

5.1.1 标签估算方法如下 (30)

5.1.2 动态帧时隙防碰撞算法仿真过程 (31)

5.1.3 动态帧时隙防碰撞算法仿真流程图 (32)

5.2 吞吐量和吞吐率 (32)

5.3 动态帧时隙算法的仿真结果 (33)

结论35

附录36

参考文献39

谢辞40

引言

射频识别技术是无线电频率识别的简称，RFID（RFID Radio Frequency Identification）系统常见的频率有低频、高频、超高频和微波等。射频识别是一种重要的新兴的自动识别技术。由于超高频RFID不需要视距通信，能够承受严酷的物理环境，并能保证低成本和高效能操作以及多标签的同时识别能力。因此他具有条形码技术、光学字符识别系统、智能卡和生物测定学（声音、指纹和视网膜）等其他识别系统没有所没有的优点。而且与其他频段相比，超高频RFID阅读器系统的特点是：读写距离远、多标签读写速度快、抗干扰能力强、适应物体的告诉运动、性能好。

近几年来，国内外对UHF RFID读写器进行了许多深入的研究，这些研究主

要集中在读写器的芯片设计上。许多公司推出了功能强大的UHF RFID读写器芯

片，这些读写器芯片与已有的基础设施能很好的兼容。此外，一些可工作在复杂

环境下的工业级大型读写器也被开发出来，这种读写器在读写距离、读取标签数

量、和使用寿命等性能上都更优秀。目前，国外对读写器研发主要取得以下一些

成果：

(1)2007年，Intel公司推出了符合ISO 1 8000—6 Type C协议以及支持EPC Classl Gen2标准、具有密集型读取模式(Dense Reader Mode，DRM)的超高频读

写器芯片R1000。该芯片实现了读写器射频部分和数字基带部分的高度集成，具有低功耗、集成度高、低成本等优点，所以被广泛的应用于各种UHF RFID系统中。当前，该读写器芯片及其支持软件已经构成了整个第二代超高频RFID读写器系列的核心，可支持从近距离的嵌入式模块到远距离门式读写器的广泛用。

(2)2007年，Ickiin Kwon等人研究出了一款CMOS单片集成的便携仪UHF RFID读写器。通过采用单天线直接耦合的方式，把射频模块和数字基带模块集成在一块面积只有4．5×5．3mm2的：芯片上，降低了读写器的成本和尺寸。该读写器接收机的灵敏度为．70dBm，线性度为18．5dBm，具有较强的抗干扰能力。此外，发射机的输出功率为4dBm，使读写器具有较远的工作距离。

(3)201O年，Impinj公司在原有的R1000芯片基础上，开发出了最新款的R2000芯片。与R1000相比，Indy R2000芯片增加了载波消除功能，所以它的抗干扰能力更强。同时它还拥有更快的数据转发能力和更加智能的本地处理能力，甚至能够支持较为复

杂的工业级UHF RFID读写器的应用。

(4)2011年，Sanae Nakao等人开发出了一款既能读写无源电子标签也能读写有源电子标签的UHF RFID便携式读写器。该读写器具有很高的灵敏度。在与无源标签通信时，它的灵敏度为．86dBm；与有源标签通信时，它的灵敏度-92dBm。

国内的很多研究机构也一直致力于UHF RFID读写器的研究，并取得许多研究成果，主要表现在：

(1)2009年，武汉大学提出了一种基于Intel R1 000芯片的UHF RFID读写器设计方案。该读写器采用了Intel R1000收发器芯片和W78E365微控器，通过编写软件部分，使设计的读写器能在2m一1 0m的距离之间正常工作。

(2)2008年，香港大学在0．1 89m CMOS工艺下实现了一款全集成UHF RFID读写器芯片。该读写器创新地提出了一种二阶交调电流注入技术，该技术可以极大的提高读写器接收机的线性度。测试表明该读写器在一5dBm的大功率干扰信号下，仍能拥有一70dBm的灵敏度。该芯片面积为18．3mm2，最大功耗为276．4mW。(3)2009年，清华大学在国家863计划的支持下，开发出了一款UHF RFID读写器芯片。该芯片采用0．18btm CMOS工艺，能在860MHz--960MHz的频带内工作。在满足通信协议标准的条件下，读写器的读写速率可达到1 Mb／s。此外，读写器接收机的灵敏度为一

70dBm，功耗为1．65mW。整个芯片的面积为1．9mmx0.75mm。

(4)2010年，北京大学提出了一款符合中国本地标准又兼顾国外标准的UHF RFID读写器芯片。该芯片采用高线性接收机前端和直流失调消除电路，成功的消除了大功率干扰信号对读写器的影响。该读写器的发射功率为22dBm，灵敏度为一79dBm。在1．8V 的工作电压下，功耗为203mW。整个芯片面积只有13.5mm2。

而如今高速公路作为交通运输的重要组成部分，对于国家经济增长、人民生活质量的提高、维护国家安全等都具有重要意义。中国在建国以来，中国公路建设突飞猛进，目前已突破三万公里，其里程位居全球第二，为推动中国现代化建设作出了巨大贡献。而高速公路停车收费大大的限制了高速公路的高速特性，甚至在高峰出行时段还造成了高速公路出口的大面积拥堵，给市民的出行带来了很大的不便不仅堵车而且堵心，同时也对经济发展带来了负面影响。

为了解决这一问题高速公路电子不停车收费系统应运而生，即基于超高频RFID 读写器的ETC系统。使用该系统，车主再要在车窗上安装感应卡并预存费用，通过收费站时不用人工缴费，也无须停车，高速费将自动扣除。这将大大的提高车辆过往高速公路的速度，同时也将提高经济发展效率。

第一章 RFID技术的简介

就像世界上第一台计算机用于军事领域一样，射频识别(RFID Radio Frequency Identification)技术起源于二次世界大战中，欧洲上空极其惨烈的空战。射频识别(RFID Radio Frequency Identification)技术是一种利用无线射频方式通信的非接触式的自动

识别技术，是从二十世纪八十年代发展起来的前沿科学技术。该技术在工作时不需人工干预，可应用与各种恶劣环境，而且能够应用于高速运动物体的识别，可以同时识别多个物体。相比于条形码、生物识别、光学符号识别等其他自动识别技术，在数据量、识别距离、环境影响和保密性等方面有着明显的优势。因此，RFID技术在世界各地得到了广泛应用，主要应用领域有：工业物流、智能交通、电子门票、动物识别、容器识别、身份识别和一卡通等领域。

1.1 RFID系统的分类

RFID系统根据不同的划分标准可以分为不同的系统。

1.1.1 根据RFID读写器的工作频率可以划分为下述频段

1.低频(LF，频率范围：30～300kHz)：工作频率低于135kHz，最常用的是125kHz。主要协议有IS01 1784、IS014223。

2.高频(HF，频率范围：3～30MHz)：工作频率为13．56MHz。主要协议有IS015693、IS014443、IS018000。

3.超高频(UHF，频率范围：300MHz～3GHz)：工作频率是433MHz，866～960MHz在以及2．45GHz。主要协议有IS018000系列和EPC Gen2。

4.甚高频(SHF，频率范围是3～30GHz)．．工作频率是5．8GHz和24GHz，但是

目前24GHz基本没有采用。

1.1.2 根据标签供电的形式不同，RFID系统可分

1．有源系统：电子标签使用内置电池来供电，有源系统的识别距离相比较下较

长。由于不需要担心功耗的问题，有源系统可以实现的功能也比较多。缺点是受限于内置的电池，使用周期比较短并且成本相对比较高。

2．无源系统：电子标签没有内置电池，主要通过读写器发射的电磁场能量来唤

醒标签的芯片工作。由于无需内置电池，且靠外部唤醒，所以这系统特点是体积小、寿命长、成本低，但是实现的功能简单。

3．半有源系统：标签带有内置电池，但只是起到激活系统的作用。电子标签首

先被内置电池激活，激活后的前部操作就无需电池供电，即可进入无源电子标签工作模式。

1.2 RFID技术系统的组成

一个典型的RFID系统一般包括标签（Tage）、读写器（Reader）、和应用系统（Application System）三个部分组成。读写器通过射频信号给标签提供能量并“询问”标签，标签被激活后江存储的标签信息发送给读写器，读写器再将读取的标签信息发送给应用系统以结合具体的应用背景进行数据的控制、存储和管理。

图1-1

标签一般由标签天线和标签芯片组成。标签天线接收读写器发射过来的射频信号并转化为能量，获取的能量给标签供电。当标签获取的能量足够时，标签芯片被激活，并根据读写器的询问指令完成相应的动作，将芯片上存储的标签信息通过反向散射调制的方法发射给读写器。每个标签有唯一的电子编码，用于度附着物体的标志。标签能够存储有关物体的属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体的表面，具有一定的无金属遮挡的视角。标签除了能够被读取（Read）外，也可以被写入（Write）、锁定(Lock)、杀死(Kill)。

读写器由读写器主机及读写器天线组成。读写器主机主要那个实现读取信号的控制及射频信号的产生。产生的射频信号通过读写器天线发送给标签。标签的反射信号也通过读写器天线进行接收，并被读写器主机解析识别。读写器一般有固定式和手持式两种形式。固定式的体积较大，但性能一般比较好；手持式的体积比较小，便于手持读取，但是性能要差些。

应用系统主要负责对读写器的控制、设置，以及对读取标签信息的管理，并结合具体的应用

项目给出适当的判断与显示，或者对数据进行存储和管理。应用系统一般与计算机网络体系连接，网络体系的各层结构由各种RFID中间件控制和访问。

1.3 RFID系统的技术标准

RFID技术领域相关的标准大致可分为以下四类：技术、数据内容、一致性和应用标准。技术标准定义不同种类的硬件和软件如何设计，如符号、射频识别技术、IC 卡标准等；数据内容标准定义从电子标签输出的数据流的含义，提供数据如何在系统中表达的指导方法，如编码格式、语法标准等；一致性标准定义电子标签和读写器是否遵循某个特定标准的测试方法，如印刷质量、测试规范等标准；应用标准定义实现某个特定应用的技术方法，如船运标签、产品包装标准等。

目前RFID标准还未形成全球统一的标准，现在处于多种标准共存的局面，而随着全球物流行业大规模应用RFID技术，对RFID标准进行统一也成为业内的共识。相对于国外在RFID方面技术标准的发展来看，我国起步比较晚，差距还比较大。虽然相关标准的制定工作早已经开展了一段时间，但是受到各种原因影响，造成我国的RFID标准体系制定工作几番起落。2006年的6月，国家共十五个部委共同发布了《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》，正式确立了我国RFID技术的地位。

1.3.1 ISO/IEC标准

ISO是公认的全球非盈利工业标准组织，与EPC global只专注于超高频不同，ISO/IEC对各个频段的RFID都颁布了标准。主要关注基本的模块构建、空中接口和涉及到的数据结构以及实施问题。RFID频率由ISO 18000 RFID空中接口标准系列统一管理，包括了有源和无源的RFID技术标准，主要是基于物品管理的RFID空中接口参数。

ISO/IEC 18000-1 提供了RFID全球可用频率的通用通信的框架，同时也给出了ISO 18000系列中空中接口定义的一般参数，建立了一个通用系统管理、控制和信息交换的框架，可用于不同频率。

ISO/IEC 18000-2 定义了工作频率在135KHz以下的读写器和标签之间通信空中接口参数、协议、命令以及放碰撞方法。此标准中标签分为A和B两个类型。

ISO/IEC 18000-3 提供了工作频率为13.56MHz的通信空中接口参数，定义了物理层、碰撞管理系统和符合ISO/IEC 18000-1要求的物体识别协议值。

ISO/IEC 18000-4 定义了工作频率2.45GHz的空中接口的通信协议，主要应用于货品管理领域。

ISO/IEC 18000-5 定义了RFID设备的空中接口工作在5.8GHz频率下得通信协议，用于单品管理应用，由于缺乏商业应用前景，此标准已经中止。

ISO/IEC 18000-6 提供了工作频率860~960MHz的空中接口参数。分为A、B、C三类，C类和EPC Class Gen2 Standard相同。

ISO/IEC 18000-7 定义了工作在433MHz频率的有源RFID设备的空中接口通信协议，用于单品管理应用方面，典型的读取距离超过1米。

1.3.2 EPCglobal标准

EPCglobal是目前全球实力最强的RFID标准组织，其前身是北美UCC(统一编码组织)和欧洲EAN产品标准组织，合并后称为EPCglobal。最近EPC Gen—2系统被批准为ISO标准，ISO 18000的6C部分是被动（无源标签）超高频RFID系统的一个主导标准。在零售商中广泛使用。Gen—2标准定义了阅读器和标签之间的通信，不用考虑系统工作于特定的频率范围。RFID阅读器和标签在超高频范围内，遵从Gen—2标准进行通信。

EPCglobal体系的标准化工作分为4个方面：电子标签和读写器承载物品编码信息技术要求；EPC标签的信息规范(物品编码规则)；EPCglobal提供的业务方面有物品编码配置管理与目标命名业务两部分；软件方面标准也分应用层事件(与物流仓储管理相关的数据采集与刷新等)和EPC信息业务层事件(与物品信息对应的信息描述)两部分。EPC具有以下特点：

1.开放的结构体系。采用公用的互联网网络系统，避免了系统复杂性，大大降低了系统的成本。

2.独立的平台和高度的互动性。EPC系统建立在互联网系统上，并可与互联网所有可能的组成部分协同工作。

3.灵活的可持续发展体系。可在不替换原有体系的情况下完成系统升级。

1.4论文结构安排：

第一章 RFID技术简介，包括系统的组成，分类，以及各种协议和标准。

第二章RFID系统方案的设计，主要包括系统的总体要求和方案，以及各主要芯

片的选型。

第三章RFID系统硬件设计，分模块介绍了系统的主要芯片

第四章RFID系统软件设计，主要介绍了系统防碰撞算法的概念和各种防碰撞算法。

第五章RFID系统防碰撞仿真，通过Matlab 2012仿真动态帧时隙算法。

本章小结：本章主要介绍了RFID系统的组成、结构组成、技术标准以及RFID的技术分类等。从整体感知了解RFID系统。

第二章 RFID系统的方案设计

2.1 性能指标基本要求

工作频率：902~930MHz；

工作方式：跳频可配置不同频率；

空中接口协议：ISO/IEC 18000-6B；

调制方式：ASK；

输出功率：最大1.0W，20dB可调；

读标签距离：6米；

写标签距离：3米；

读写器防碰撞：支持多读写器模式；

防碰撞识别速率：每秒30

2.2 读写器总体方案设计

读写器是整个RFID 系统核心部分，它是连接电子标签与上位机之间通信的纽带，读写器的功能主要包括3个方面：（1）发送和接收的功能，主要是完成读写器与电子标签之间的通信过程；（2）对从标签接收到的信息进行相应地处理；（3）通过读写器上的接口实现与上位机的连接，将信息传送到主机的数据交换和管理系统。这些年，读写器不断地向小型化、便携化、低功耗的方向发展，所以读写器的设计中应该选取功能比较全面、集成度比较高的芯片。

2.2.1 RFID读写器的组成结构

读写器电路组成框图如图1-2所示。各部分的作用简述如下。

图2-1 读写器组成结构框图

1.振荡器：振荡器电路根据RFID读写器系统的需要产生射频振荡频率，一路经过时钟电路产生处理器MCU所需要的时钟频率的信号，另外一路经过载波形成电路产生读写器工作所需要频率的载波信号。

2.发送通道：发送通道包括编码器、调制器和功率放大电路，用于向电子标签发送命令和写入数据。

3.接收通道：接收通道包括解调器、解码电路，用于接收电子标签返回的应答信息和数据。同时还考虑了防碰撞电路的设计。

4.微控制器(MCU)：MCU是读写器工作的核心部件，主要完成收发控制、向标签发送命令和写数据、标签数据读取和处理与应用系统的高层进行数据交换和通信等任务。

5.电源管理器：通过对射频读写部分的独立电源控制，系统可以在MCU中根据需要的模式选择开启或者关闭射频读写功能。当应用系统有低功耗要求时，不需要射频模块芯片一直工作的时候，这种控制方式是必不可少的。

6.天线：天线的作用就是产生磁通量，为有源标签提供能量，激活标签，在读写设备和标签之间传送信息。天线的有效电磁场范围就是系统的工作区域。

2.3 主控器的选择方案

微控制器的功能主要有：与后台应用管理软件进行通信，执行应用软件发送来的动作指令，控制读写器与标签的通信过程和身份验证并对其中的数据进行加密和解

密，对键盘或者显示设备等其他外部设备的控制。读写器中微处理器可以有三种选择：单片机、ARM和DSP。本课题需要核心控制器需要体积小、功耗低，要有比较强的处理能力，能够同时完成读写器系统中对读写器的控制、对数据的处理和与后台应用软件的通信，需要有丰富的接口资源，可以方便快速的置于不同环境的应用中。

C8051F系列单片机是SOC的典型代表，单芯片集成度十分高，片上集成丰富的模拟和数字资源。具有与8051兼容的高速CIP．51内核，单片机处理速度和性能都有很大的提升，而且开发简单，容易移植，成本也十分低，是目前应用晟广泛的单片机种类。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。大大提高了系统的运行速度，得以适应超高频RFID读写器要主控器运行速度的要求以及对防碰撞吞吐率的要求。

2.3.1 C8051F340 单片机主要特性

C8051F340单片机主要有一下特性：（1）高速流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核，最高48MIPS 执行速度；（2）全速非侵入式的系统调试接口（片内，C2 接口）；（3）真正10 位200ksps 的多通道单端/差分ADC，带模拟多路器；（4）高精度可编程的12MHz 内部震荡器；（5）64KB 字节可在系统编程的FLASH 存储器；（6）4352（4096+256）字节的片内RAM；（7）USB 2.0通信接口，支持全速12Mbps通信和低速1.5Mbps通信（8）硬件实现的SPI，SMBus/IIC 和2 个UART 串行接口；（9）4 个通用的16 位定时器；（10）具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；（11）片内上电复位，看门狗定时器，2 个电压比较器，VDD 监视器和温度传感器；（12）40 个I/O 端口；（13）-40~85 度工业级温度范围；（14）2.7V~3.6V 工作电压，TQFP48（thin quad flat package,即薄塑封四角扁平封装）封装。

2.3.2 C8051F340 单片机的内部结构图

如图2-2为C8051F340的内部结构图

图2-2 C8051F340主控器的内部结构

2.4 射频收发芯片选型方案

AS3991是一款高集成度的射频芯片。在发射电路端，集成了功率放大器(PA)、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、频率合成器、调制器等模块；在接收电路端，集成了低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、中频放大器、解调器等模块。同时还集成了电源电压管理、协议控制等工作模块，从而使芯片外围电路大大简化。芯片控制通过32个寄存器的设置来实现全部RF、滤波及协议控制功能。收发模块支持自动生成帧头和CRC校验码，组装成帧的数据块通过片上的24字节FIFO寄存器传输到上位机系统中。电源管理模块可以对片外MCU以及其他芯片供1．5～3．3伏电压以及提供时钟输出。片上PA具有高达20dBm的输出功率，片上VCO和PLL可产生840MHz-960MHz 的振荡频率。 AS3991则完全集成了ISO/IEC 18000-6C协议。总体来说AS3991具有以下优点：集成度更高，源代码公开，加载协议方便，开发难度低，外围电路设计简单，总体成本低，设计时要注意的事项少。因此本课题设计选择AS3991作为射频收

发芯片。

AS3991射频芯片的特性:（1）支持多通信协议；（2）高集成度，外围电路简单；(3）低工作电流；(4)输出功率可达20dBm；(5)可选择时钟输出提供给MCU；(6)支持和MCU之间的8位并行或者4线串行通信；(7)采用ASK或者PR．ASK（反向相位幅度键控）信号调制；(8)可选择接收增益控制；(9)支持三种工作模式间切换，大大降低功耗。表2-1 为AS3991芯片的基本参数表

表2-1 ASS3991的基本参数

2.5 RFID的通信标准方案 EPC Gen-2标准

无线射频识别（RFID）系统存在众多的通信协议。其中一个最流行的协议就是EPC Gen-2协议。这个协议在零售业中得到了广泛的使用，近年，Gen-2系统被批准为ISO标准。

2.5.1 Gen-2使用特性的概述

Gen-2协议使用最普遍的特性是清单命令。库存命令有一下四种命令组成：选择、查询、查询重复和查询调节。这些命令用来读取在阅读器范围内所有标签的EPC序号。EPC序号可以用来访问中心数据库，获得例如标签附着在哪一个物品上的更多信息。

2.5.2 物理层通信特性

Gen-2的物理通信接口与七层开放系统互联模型的物理层概念相似。阅读器控制Gen-2协议物理层的所有部分，并编码发给标签的所有命令的前端部分。在Gen-2协

议中，存在两个通信链路：阅读器向标签的链路和标签向阅读器的链路。这两个链路是相互独立的，存在不同的数据编码、数据速率和数据调制方案。这两个通信链路的具体特性都是由阅读器控制。在Gen-2中，标签与阅读器通信使用反向散色的形式。Gen-2支持两种类型的调控：振幅调控（ASK）和移像键控（PSK）调制。

2.5.3 标签的状态机

1.准备状态：准备状态是标签在上电的情况下能够进入的两个状态之一。另一个标上电时可以进入的状态是死亡状态。当标签在上电复位以前是死亡状态时，标签会在上电复位时进入死亡状态。如果标签先前没有死亡，那它会在上电后进入准备状态。处于准备状态的标签，不会参与查询回合。当阅读器发布一个查询命令，将打开查询回合，直到下一个查询命令中止。因此，查询命令指示结束当前的查询和下一个查询的开始。阅读器使用查询回合来获得大量标签的EPC号码。当接受到一个查询命令时，标签将会结束准备状态。查询命令包含了标签选择一个随机数载入到时隙计数器的参数。如果随机数是0，随后标签将会发送它的回复状态。当随机数不为0是，标签会发送仲裁状态。

2.仲裁状态：仲裁状态下的标签将参与当前的查询回合，他们的时隙计数器包含一个非0值。在此状态下的标签等待他们的时隙计时器达到0为止。当标签的时隙计数器到达0时，标签变到回复状态。

3.回复状态：回复状态是当标签发送它的EPC好吗给阅读器的两个状态之一。回复状态中的标签有一个时隙计数器为0，并反向散射RN16（RN16是一个十六位的随机数）给阅读器。反向散射RN16是标签发送EPC好吗给阅读器的两个阶段中的第一个阶段。

如果阅读器正确的接收到了标签的RN16数，阅读器将会发送一个带有RN16的确认（ACK）命令给标签。阅读器接收不到RN16的可能原因有：两个以上的标签在发送RN16时发生碰撞；射频信号干扰了RN16；阅读器错过了RN16信号。标签随后将会反向散射它的EPC号码，还有发送一个PC（描述了标签的物理特性）和用来进行错误检查的CRC。接收到带有正确的RN16的ACK是标签从回复状态转入到确认状态。标签只有在接收不到来自阅读器的任何命令时，才会在一个限定的时间内保持在回复状态。在这个时间之后，标签将会自动的回到仲裁状态。

4.确认状态：当标签发送它的EPC号给阅读器之后，将会进入到确认状态。确认

状态是访问命令（读和写命令）的网关状态。但是标签在我、确认状态不会死亡。确认状态与回复状态类似，有一个定时器，可以在每次从阅读器接收到一个命令后复位。如果在特定的时间内，没有从阅读器接收命令（即定时器超时），标签则会自动的回到仲裁状态。

5.开放状态：开放状态是访问命令专门使用的两个状态之一。在开放状态中没有定时器。因此，如果没有阅读器命令时，只要标签有供电，它将保持开放状态。标签可以从开放状态进入到安全状态。

6.安全状态：标签可以使用一个可选的密码设定，它需要阅读器提供正确的密码，以便于执行任何的访问命令。密码的默认值为零。这意味着密码保护没有实现，或者是没有被激活。设置一个非0 值的密码，可以使密码具有保护的特性。如果标签的密码特性被实现和激活，那么所有的访问命令必须从安全状态执行。在标签进入到安全状态之前必须提供正确的密码。

7.死亡状态：RFID标签包含识别一个特定物体的信息。ID号是唯一的，并且与某一特定的物品相关。因此，使用RFID时，对安全和隐私的关注开始上升。死亡即是关闭标签的命令，死亡操作不能被撤销，并且永久性的破坏标签。在标签死亡以后标签将不会响应任何命令。因此标签死亡以后，没有任何设被能够读取标签的EPC 号。

本章小结：本章主要从系统整个方案的设计出发，主要从系统的总体方案和主要芯片的选型方案、主要通信标准以及标签的状态机进行了描述。

第三章硬件电路的设计

本章主要介绍读写器硬件系统的设计，基带模块设计包括主控芯片、射频发射模块及外围时钟、复位和外部存储器。射频模块设计中选用AS3991，外围电路设计环路滤波器，放大隔离电路中功率放大器选用SPA2118，收发隔离使用环形器HYH504A 来实现。

图3-1硬件电路整体结构框图

3.1控制模块硬件电路设计

C8051F340 SOC系列MCU在CIP-51内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51提供16个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 C8051F340有多达9个复位源：上电复位电路（POR）、

时强制复位）、USB控制器（USB总线复位或VBUS 片内VDD监视器（当电源电压低于V

RST

状态变化）、看门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0提供的电压检测器、软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护电路复位。除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。

高速内部振荡器在出厂时已经被校准为12MHz ±1.5%。时钟恢复电路允许内部

振荡器与4倍时钟乘法器配合，提供全速方式USB时钟源。内部振荡器还被用作低速方式下的USB时钟源。外部振荡器也可以与4倍时钟乘法器配合使用。器件内集成了一个低频振荡器，可以在功耗关键的应用中使用。器件内还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部CMOS时钟源产生系统时钟。系统时钟可以被配置为使用内部振荡器、外部振荡器或时钟乘法器输出二分频。如果需要，可以在CPU运行时切换系统时钟振荡源。低频内部振荡器或外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）的时钟源运行,当需要时再周期性地切换到高速时钟源

图3-2 主控器C8051F440

3.2 射频模块硬件电路的设计