基于μC/OS-Ⅱ的超高频双协议RFID读写器设计

2012-08-13商昌彬马庆彪张玉璘

电子技术应用 2012年10期

商昌彬，马庆彪，张玉璘

（1.济南大学信息科学与工程学院，山东济南250022；2.山东公路技师学院，山东济南250022）

与IC卡识别和条形码识别技术相比，RFID技术具有无接触、信息存储量大、读取速度快、不易受到污染、可同时识别多个目标等优点，特别适合对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理和高效快捷地运作[1]。目前RFID技术按频率可分为低频系统(125 kHz和134 kHz)、高频系统(13.56 MHz和27.125 MHz)、超高频系统(860 MHz～960 MHz）和微波系统(2.45 GHz和 5.8 GHz)。然而，现阶段我国70%的RFID市场应用还主要集中在高频领域，如身份证、电子门票、公交卡等，超高频的市场应用比重还不足10%。超高频RFID系统与高频RFID相比具有通信距离远、响应速度快、抗干扰能力强等优点，已成为目前RFID产业研究的热点。

1 系统硬件设计

1.1 AS3992简介

AS3992芯片是奥地利微系统公司研制的一款支持ISO18000-6C/6B协议的900 MHz RFID读写器专用集成芯片。内部集成了发送电路、接收电路和EPC Gen2协议处理模块[2]，发射模块包括增益放大器(VGA)、功率放大器(PA)、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、频率合成器、调制器、数/模转换器(DAC)等模块。接收模块包括低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、中频放大器、解调器、模/数转换器(ADC)等模块。内部功放的输出功率可以高达20 dBm，片上VCO和 PLL可产生 840 MHz～960 MHz的振荡频率，其接收灵敏度可达-86 dBm，从而使芯片外围电路大大简化。收发模块还可以自动生成报头帧和CRC校验，生成帧的数据块通过片上的24 B FIFO寄存器传输到MCU[3]。AS3992通过软件设置可以在待机模式、休眠模式和收发模式三种工作模式间切换，大大降低了功耗。当系统工作于收发模式时，读写器功耗仅为1.2～1.5 W，远低于目前主流2.5 W的UHF射频芯片Intel R1000。

1.2 硬件结构

系统硬件结构如图1所示。

AS3992与MCU通信方式有两种：(1)并行方式，包括8 bit数据、时钟 CLK以及中断信号 IRQ；(2)串行方式，包括标准SPI接口以及中断信号IRQ。本设计采用并行操作，可支持EPC数据链路640 Kb/s的最快速率[4]。

MCU选用ARM Cortex-M3处理器LM3S8962，其内核基于哈佛结构，指令和数据可以从存储器中同时读取，对多个操作可以并行执行，程序运行速度很高，具有更低延迟的中断，表现了出色快速的中断响应，而且还同时具有两种睡眠模式，更加节省了功耗；利用Max3232和ADM3485芯片分别实现RS232和RS485串口通信；同时系统还设有RJ45以太网接口，可以直接将读写器与网络相连；复位信号由Max809芯片提供，用于监控微控制器和其他逻辑系统的电源电压；通过11个I/O口连接 AS3992芯片的 IO0～IO7、EN、CLK和 IRQ管脚，实现芯片间并行通信；利用I/O口设有读卡LED灯指示和蜂鸣器读卡声音指示。

射频前端模块首先对发射信号进行编码、载波调制后，由RFOPX和RFONX两引脚差分输出，经 Balun变换输入射频功率放大器PA，然后通过定向耦合器和环形器经RF1450开关由天线发送给电子标签；接收来自电子标签的射频信号，提取有用信号通过Balun变换后输送到AS3992的输入端 MIX-INP和 MIX-INN，由AS3992进行混频、增益、滤波、模/数转换后得到数字信号，再送给MCU处理。

1.3 射频前端电路设计

AS3992虽然集成了内部功率放大器，输出功率可以达到20 dBm，但一般情况下在空旷静止的环境中识别距离也就在2 m左右。因此，为了支持更远的读写距离，设计中将AS3992芯片设置为最大0 dBm功率的高线性输出，利用外部功率放大器，外加匹配电路、滤波、隔离等实现射频信号的发射。

设计中采用了差分输入、输出方式，信号在返回路径中对抗串扰和突变的鲁棒性好，抗干扰能力强，能有效抑制外界电磁干扰。AS3992的RFONX和RFOPX引脚差分输出为0 dBm。通过LC匹配网络，不仅可以起到滤波的作用，还可以引入新的反射，抵消由于负载不匹配产生的反射，从而达到改善驻波比和宽频带响应、获得最小噪声系数和最大功率传输的目的[5]。由于在输出端，两端对地都有电压且大小相等、方向相反，阻抗为100 Ω，而终端为 50 Ω的同轴电缆，为非平衡的，因此，需要利用Balun射频变压器来实现平衡和非平衡的变换。

功率放大部分采用RF5110芯片，该芯片可工作于800 MHz～950 MHz之间，能够满足超高频领域的所有频段，且输出功率具有可控性。APC1和APC2端为功率控制输入端，连接至AS3992芯片的DAC端，DAC输出电压在0 V～3.2 V之间，可以通过设置DAC控制寄存器调节电压大小。RF5110外围电路设计可以参考RF5110数据手册。图2给出了RF5110在915 MHz频率工作时，输入端的输入功率不同时对应的最终输出功率的大小。

图2 输入功率与输出功率关系图

由图2可知，AS3992输出0 dBm时，在不考虑插入损耗的情况下，RF5110放大后输出功率大约为30.6 dBm；去掉后边低通滤波器、定向耦合器等的插入损耗，最终天线的发射功率还不足1 W(对应30 dBm)。为了达到RF5110最佳的放大输出，设计中引入前置增益放大器HMC580ST89，在 0.5 MHz～1.0 GHz范围内可获得 17 dB增益，输出三阶截点IP3高达33 dBm，具有良好的线性度和更少的失真。通过HMC580ST89放大后获得Pin端功率为 7 dBm，在 Vapc=2.7 V、Vcc=3.3 V条件下，RF5110输出功率可达到34.5 dBm，转换效率为54.8%。

功率检测电路如图3所示，采用ADL5501芯片来防止因天线不匹配或定向耦合器（或环形器）的信号泄漏造成发射信号被反射进入AS3992芯片中的混频器，导致发射信号噪声被调制，增加接收波噪声和误码率，甚至会造成混频器输入端的过载饱和。ADL5501的输入引脚接定向耦合器的耦合端，通过输入端的两个电阻配置衰减参数，防止功率过大烧毁芯片。AS3992根据反射功率的大小可以通过DAC控制发射功率。

图3 功率检测电路

通过四天线端口设计，并将多个天线在空间上排成适当阵列形式，可以保证读写器的4个天线对指定读写区域进行全方位的覆盖。设计中采用插入损耗仅为0.4 dBm的单刀四掷射频开关RF1450，通过MCU的2个GPIO控制天线选择。

整个系统电路图设计完成后进行了发射端功率谱分析，如图4所示。在915 MHz频率时，系统输出功率为31.76 dBm，根据公式，计算得到输出功率为1.5 W，符合国家规定的800/900 MHz射频识别最大发送功率2 W的限制。

2 系统软件设计

读写器在识别和读写电子标签时，要求有比较高的识别速度和读写速度，尤其是读写器在识别电子标签时，首先要在6B和6C两个工作协议间进行自适应识别与切换，这对处理器软件的运行效率和处理速度提出了较高的要求。MCU对AS3992的操作主要是修改内部的寄存器，32个寄存器访问也给软件设计带来了一定的复杂性。而且软件还担负了编码和解码等通信协议的实现，能够实时地让用户通过应用软件对系统发送指令和数据。经综合考虑，有必要在ARM控制器中引入μC/OS-Ⅱ系统来担负系统任务的调度和系统资源的管理，这样不仅可以使软件的开发更加方便高效，还可以提高系统的可靠性，充分发挥控制器的处理能力。

μC/OS-Ⅱ是一种简单高效、源代码公开、支持多任务和抢占式内核、具有良好的可裁剪性的嵌入式实时操作系统。由于周立功单片机公司已经提供了基于群星Cortex-M3的μCOS-II移植模板，只需要更改代码中相应的硬件底层驱动即可，工作较为简单，本文不再对该移植内容进行分析。

2.1 主程序

主程序的控制流程图如图5所示。系统上电后进行初始化（主要进行定时器、串口初始化）、使能中断、设置并行通信方式、设置工作频率、通信协议初始化等。UART串口初始化后等待系统命令，若主机发送的命令数据包有效就会唤醒CPU工作并发送设备ID号给PC机。通过轮询发送6B和6C协议判定命令，实现自适应自动识别并切换到相应协议处理模式下工作。

2.2 6C协议处理

通过设置AS3992内部的协议控制寄存器（01）可以实现 Gen2协议和 6B 协议。设置 Port＜1：0＞为“00”实现Gen 2协议，“10”实现 6B协议。进入 6C协议模式下，首先要初始化AS3992，以设置各寄存器的值，例如状态控制寄存器设置为0x02，协议控制寄存器设为0x06，发射控制寄存器设为0xF0，接收控制寄存器设为0x60等。防碰撞算法采用Epc标准规定的时隙ALOHA算法，初始化后发送select命令选择一批标签后，盘存Querystandard(q)函数产生随机数q，然后发送query命令，等待标签响应，执行 ReadRN（）函数读取标签响应，通过 ACK（）和QueryRep（）命令槽计数器减值并进行识别，正确识别唯一标签后将标签序列号计入到存储器中。识别过程中根据读标签的返回情况由QueryAdjust()命令调整q值。识别成功后发送 Access（）和 ReqRN（）命令进行密码高低位的验证，验证成功后才可以对标签操作。具体流程图如图6所示。

图6 6C协议处理程序流程图

2.3 6B协议处理

在状态控制寄存器中，经“Direct”位置为“1”即可计入直接模式。直接模式下只会用到4个IO口（IO2、IO3、IO5、IO6）。其中 IO3用于数字调制输入，IO2用于 RX使能输入，IO5和IO6输出副载波[6]。

直接模式分为两种：当协议控制寄存器(01)中的dir_mode为“1”时，输出未经解码的副载波数据流；当dir_mode为“0”时，输出由 ISO18000-6C协议处理器中功能相同的FM0解码器进行解码之后的数据流[3]。直接模式下采用基于曼彻斯特编码的动态二进制搜索算法，以及CRC-16校验方式，设置链路频率为40 kHz。发送指令后要退出直接模式，在普通模式下接收数据，才能使用内置解码器来输出数据流。CRC校验错误时，检测发生错误的最高冲突位X，并将其置为0，然后重新传送(N-X)位后即中断传输，标签比对N-X位并返回响应数据。CRC校验若无错，计数器cnt减 1、found加1；若有错误，则再将最高冲突位置0后重新发送命令，直至最后搜索范围内标签数cnt=0结束。具体流程图如图7所示。