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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 II Abstract With the development of the Internet of Things,RFID(Radio Frequency Identification) technology has been further developed, especially the UHF RFID technology based on the EPC C1G2 protocol. It has been studied and researched widely for its high reading speed, long readi
2、ng distance and good anti-collision performance.Both the baseband for RFID reader based on EPC C1G2 protocol and embedded terminal for RFID control system are designed and realized in this thesis. C8051F120 MCU(Micro Control Unit) is chosen as the hardware platform for the baseband processing, keil
3、uVision2 and C language are used as the software development platform. Coding and decoding module, CRC checking module, and multi-tag reading controller module and serial communication module are designed. For the embedded terminal control part, linux 2.6 and ARM9 are used as software and hardware s
4、ystem. Terminal control system is developed on the Qtopia platform. Basic operation including EPC and TID reading、 multiple tag reading、 user data writing and so on are showed on the QT graphical interface . The operation of tag can be conducted off the PC. In addition, Terminal is equipped with a w
5、ired LAN and wireless network card, users can easily transmit data to the server realizing the remote interaction between the terminal and server. Finally, detailed test is carried out for the system, including the waveform test, baseband part testing and system integration testing. From the bottom
6、to the intermediate layer to application layer, have been tested, function specified by the EPC C1G2 protocol is basically completed. Key words:RFID; MCU; Baseband signal processing; Embedded terminal; Remote interaction 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 III 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 RFID简介 .1 1.2 RFID背景与发展现状 .1 1.3 射
7、频识别关键技术2 1.4 本文研究内容与创新点3 1.5 本章小节4 第二章第二章 RFID系统基础理论系统基础理论5 2.1 RFID标准体系 .5 2.2 EPC Class1 Gen2 协议分析.5 2.3 RFID系统结构 .14 2.4 本章小结15 第三章第三章 基带部分分析与设计基带部分分析与设计 .16 3.1 基带部分概述16 3.2 微处理器的初始化与倍频16 3.2.1 C8051F简介16 3.2.2 端口初始化17 3.2.3 PLL倍频 .18 3.3 发送模块设计19 3.3.1 发送数据的帧格式19 3.3.2 编码原理20 3.3.3 PIE编码设计.21 3
8、.4 接收模块设计24 3.4.1 解码原理24 3.4.2 FM0 解码设计27 3.5 CRC校验模块设计.30 3.5.1 CRC校验原理.30 3.5.2 CRC校验实现.31 3.6 主控模块设计33 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目 录 IV 3.7 串口模块设计35 3.7.1 串口通信规约设计35 3.7.2 单片机串口模块设计37 3.8 本章小节38 第四章第四章 嵌入式终端设计嵌入式终端设计 .39 4.1 概述39 4.2 开发环境搭建39 4.2.1 交叉编译环境搭建39 4.2.2 Qte开发环境搭建.41 4.3 QT用户界面设计.42 4.3.1 界面搭建42
9、 4.3.2 槽信号响应45 4.4 串口通信模块设计与开发47 4.5 网络通信模块设计50 4.5.1 无线网卡驱动移植50 4.5.2 网络参数设置51 4.5.3 TCP客户端设计 .53 4.6 编译、仿真与下载55 4.7 本章小节58 第五章第五章 系统测试系统测试59 5.1 测试环境59 5.2 码形测试60 5.3 基带部分测试63 5.4 系统整体测试65 5.5 本章小节67 结束语结束语68 致致 谢谢69 参考文献参考文献70 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 1 年 第一章第一章 绪论绪论 1.1 RFID简介简介 射频识别技术 RFID (Radio
10、Frequency Identification)是近几年来随着无线电技术和集成电 路的广泛应用而产生的一种自动识别技术。该技术利用射频信号空间耦合,实现不接触的信 息传递,最终完成信息的传递和识别的功能。它可以识别静止和移动的目标,高效准确的获 取信息数据,并且与网络技术相结合,实现全球范围的信息共享与目标跟踪。被认为是 21 世 纪最有前途的技术之一。 1.2 RFID背景与发展现状背景与发展现状 射频识别可以追溯到 20 世纪 30 年代,当时美军面临着对海上、陆地和空间目标的自动 识别问题,于是在 1937 年美军实验室发明了一种自动识别系统,可以用来识别敌军和友军的 目标1。该系统到
11、 20 世纪 50 年代已有了一定的发展,形成了空中交通控制的雏形。然而这 些设备体积大、成本高,一般只用于大型实验室和大型企业中。 随着电子技术的发展。尤其是集成芯片、可编程器件、微处理器的发展,到 20 世纪 60 年代,一些公司开始逐步引入射频识别技术。开始的应用仅限于探测,只有 1bit 存储空间。 一般应用于商店、图书馆的门禁,当载有标签的物品靠近探测器时,就会产生报警。 到了 70、80 年代,RFID 从之前的单纯探测发展到了真正的识别,专用的无线射频识别 集成电路出现,此时主要应用于工业自动化、车辆识别、野生动物跟综等。标签也在不断发 展,标签具有内存,可以写入一定的信息。但此
12、时的应用还没有形成统一的标准。 90代后, RFID有了很大的发展, 美国几个收费机构联合起来, 形成了E-ZPass Interagency Group(IAG),联合开发出相互兼容的收费系统,成为一个重要里程碑,标志着第一个应用层 互操作协议的诞生,之前的应用仅限于硬件设计和单机应用2。 近几年来 RFID 技术得到的快速的发展,尤其伴随着物联网产业的发展,作为物联网重 要组成部分的射频识别技术应用范围也越来越广。 早在伊拉克战争中,美军就开始了规模化的 RFID 应用。其利用 RFID 技术建设可视化后 勤网络,使美军的后勤补给能力变得非常强大。美军将 RFID 标签贴于仓库内的托盘、包
13、装 箱或者元件上,标签内包含元件规格、序列号等信息,利用无线网络可以自动检测各仓库剩 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 2 余货物信息,如发现货物不足时可以及时进行调配和运输。而且整个调配运输、入库过程都 由 RFID 系统自动检测,降低了人工成本,提高了效率,而且精确度非常高。 现在很多国外大型超市,如沃尔玛的整个货物的配送、入库管理、货物清点和出库分销 全部采用 RFID 技术来实现。大大提高了效率,降低了人工成本。 RFID在我国的很多领域也得到了实际的应用,包括物流、烟草、医药、身份证、奥运门 票、宠物管理等等。我国首个不停车收费系统在北京首都机场的高速公路上建成。铁道部也
14、投资建设了自动车号识别系统,作为电子清算的依据。深圳市海关建立的不停车通关系统, 在往来车辆上安装主、副两个标签进行自动识别3。 2008 年北京奥运会首次使用了 RFID 食品源头监督和电子门票。对于奥运食品,从食品 的种植、采购到运输,每个食品上都有一个射频标签记录该产品的基本信息、种植信息和运 输信息,保证了食品的安全性和可靠性。对于电子门票,里面集成了所有的个人信息、各场 馆访问权限等,通过智能化的门禁管理系统,大大提高了管理效率。 1.3 射频识别关键技术射频识别关键技术 RFID 的关键技术包括:基础技术、应用技术和产业技术。 ? 基础技术 基础技术指处于国际前沿的和发展潜力较大的
15、前瞻性技术。如:低功耗电路技术、高性 能RFID天线技术、RFID与互联网络融合技术、RFID协议研究以及精密工艺技术等4。 ? 应用技术 应用技术指包括:RFID 系统构架、集成、中间件开发、数据管理、规范与测试等。真正 形成一个集硬件、中间件、软件、网络、核心管理于一体的成熟的应用体系。 (1)RFID 构架、集成 主要研究 RFID 系统中各种软硬件、中间件及应用系统。协调各部分系统的相互关系, 形成各种有机组合,为开发商和集成商提供各种解决方案。 (2)RFID 数据管理 主要研究各终端与局端收集的海量数据进行存储、整合、管理、交换和分发,从而实现 跨平台互通。 (3)RFID 规范与
16、测试 对不同行业使用的 RFID 具有不同的要求,针对不同的行业开发出具有不同物理特性但 性能一致的、符合统一接口规范的产品。标签与空中接口的一致性检测等。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 3 ? 产业技术 产业技术包括:芯片工艺技术、天线设计技术、标签集成技术、读写器技术等5。 (1)芯片工艺技术 标签芯片和读写器芯片对工艺都有很高的要求。两者都要求芯片具有更低的功耗,更小 的体积,更低的成本。这是标签向微型化、低成本化发展的必要条件,同时读写器也向着价 格低廉化和体积小型化方向发展。 (2)天线设计技术 天线设计技术是指不同标签与天线的匹配,根据应用场合设计不同的天线,多标签的
17、天 线防干扰及优化技术,智能天线技术等。 (3)标签集成技术 标签集成技术是指根据不同的天线采用不同的封装技术, 以达到成本和性能的最优组合, 降低干扰以及增大安全性和可靠性。 (4)读写器技术 读写器技术要求向高集成化、成本体廉化、类型多样化和性能可靠化方向发展。除此之 外还要实现高效稳定的防碰撞算法和提高安全性能。 1.4 本文研究内容与创新点本文研究内容与创新点 随着 RFID 系统的应用越来越普遍,人们对 RFID 的性能也提出了越来越高的要求, 过去 一些比较成熟的低频读卡器(13.56MHz 读写器)已经不能满足现在很多领域的需求。人们对 读写距离、读取速度及读写终端的处理能力等各
18、方面提出了更高的要求,因此 915MHz、 2.4GHz 等高频率高速度读卡器是未来发展的一个方向。 本设计旨在完成一个 915MHz 读写器 系统。 ? 本文的主要研究内容为: 整体 RFID 系统的设计。包括基带读卡模块设计、基带读卡模块与 ARM 嵌入式平台通信 规约设计、基于 ARM-linux 终端平台的 QT 界面开发和 ARM 终端与服务器的通信设计等。 (1) 基带读卡模块设计: 基于 EPC C1G2 协议, 不依赖集成芯片, 实现数字码形的变换, 如编码,解码。然后依据协议完成状态转换和读写命令操作,最后实现与标签通信,如读卡、 写卡等。 (2)基带读卡模块与 ARM 嵌入
19、式平台通信规约设计:本论文设计了一套基带模块与 ARM 平台的通信规约,从而实现 ARM 平台对基带读卡模块的操作与控制。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 (3)基于 ARM-linux 终端平台的 QT 界面开发:将 linux 系统移植到 ARM 嵌入式平台 上,使操作系统能够在嵌入式平台上正常运行。搭建交叉编译环境及 QT 开发环境,基于 QT 开发出了读写器端终控制界面,实现对读写器的控制操作。 (4)嵌入式终端与外部网络的数据传输设计。支持以太网、WIFI 与网络服务器进行数 据同步与传输。在 QT 界面上只需点击上传按钮,即可将读取的数据同步到服务器上。 ? 本文
20、的创新点: (1)本设计采用 EPC C1G2 协议,采用 915M 的频段,相比原来的 13.56M 低频读卡器, 不仅能够扩大读写距离及加快读写速度,而且具有更好的防碰撞能力。 (2)不依赖现成的集成芯片来实现,而是自主完了整个协议的解析,避免了技术上对国 外芯片的依赖性,提高的设计的灵活性。另外提出新的编解码方法并用软硬件进行实现,大 大提高系统进行效率与稳定性。 (3)一些基本的简单的终端对上位机依赖较强,自身处理能力较差。本设计中将基带读 写系统与嵌入式 linux 终端系统整合,开发出手持终端。并且依托 linux 的强大功能,极大的 提高系统的性能和可扩展性。 (4)依托嵌入式
21、linux 的强大功能,开发出基于 QT 的网络通信功能。即用户可以在终端 通过简单的操作实现终端数据与网络服务器数据的传输与同步。 1.5 本章小节本章小节 本章作为全文的绪论部分,首先对国内外 RFID 的发展应用现状进行了分析和阐述,然 后介绍了射频识别的关键技术,包括了基础技术、应用技术和产业技术等,最后简要概括了 本文的主要研究内容及创新点。对本文研究内容进行了一个简要的概述。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统基础理论 RFID 5 第二章第二章 RFID系统基础理论系统基础理论 2.1 RFID标准体系标准体系 目前主要存在三个RFID标准体系, 它们分别是ISO(国际标准
22、化组织)和IEC(国际电工委员 会)组成的联合工作组标准、UCC(美国统一代码协会)和EAN(国际物品编码协会)共同成立的 电子产品码全球协会EPC Global以及日本的UIC(泛在ID中心)技术标准6。 ISO/IEC 标准中,ISO 18000 系列是 RFID 领域重要的标准,包含了 RFID 无源和有源的 技术规范,主要是关于物品管理的空中接口标准。2006 年,EPC Global Class1 Gen2 协议获得 ISO 标准委员会通过,成为 ISO 18000-6 Part C 部分。 EPC C1G2 相对其它协议,具有以下特点: (1)读取速率快。 采用比较快的链路速率,按
23、协议规定,最快的通信速率可达到 128kbps。 (2)可以在多阅读器环境下读取更多的标签。 采用多节通信技术及 Q 值防碰撞算法。 可以在 4 个阅读器同时工作的环境下同时阅读 215 个标签。 (3)具有很好的安全性。标签不但采取了访问加密设置,而且在读写器写标签时还采用 了待写数据与随机数异或方式,将明文进行处理,另外还增加了灭活指令,当标签生命周期 结束时,可以用此命令将标签销毁,保护了物品所有人的稳私。 因此本文选择 EPC C1G2 协议作为研究与设计的标准。 2.2 EPC Class1 Gen2 协议分析协议分析 ? 物理层 阅读器向一个或多个标签发送访问信息采用双边振幅键控(
24、DSB-ASK) ,单边振幅键控 (SSB-ASK)或PIE格式的反相振幅键控(PR-ASK)调制射频信号来实现。标签从调制的载 波中得到其工作所需的能量7。 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后向散射的应答。 标签传送信息采用调制后向散射的载波幅度或相位方式实现。编码方式可以根据读写器的命 令选择 FM0 编码或 Miller 编码。读写器与标签之间的通信链路是半双工的,也就是说不会要 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统基础理论 RFID 求标签在解调读写器命令的同时后向散射传向读写器的信息。 ? 标签存储结构 符合 EPC C1G2 协议的标签,具有四块存储
25、区域,以字为单位进行存储。如图 2-1 所示, 这四块存储区域分别为: (1)RESERVED 域(保留存储区) 位于 bank11,Kill 和 access 命令执行所需的密码口令存储于该区域,00H-1FH 存放 kill 命令执行的密码,20H-3FH 存放 access 命令执行的密码。 (3)TID 区域 位于 bank01,00H-07H 存储标签的类识别码,如果为 EPCglobal 的话,则为 0Xe2。下面 的 08H-13H 为掩模设计者的标识符,14H-1FH 为标签模型码,1FH 以上可以存储商家特有的 标识数据。 (3)EPC 区 位于 bank01,该区存放标签的
26、 PC 和 EPC 信息,其中 PC 为协议控制位,通过 PC 信息 可以得知标签中 EPC 的长度、存放位置等信息。EPC 为产品的电子识别码,用于标志其附着 商品的 ID 号。该区域还存放 PC 和 EPC 的 CRC16 校验码。它们存储位置分别为:00H-0FH 存放 CRC16 校验码,10H-1FH 存放 16 位的 PC,20H 向上开始存放 EPC 信息。 (4)USER 区域 位于bank00,该区域用来存放用户的数据,根据实际成本需求,该区域的存储大小是可 变的,有一些特殊的标签,甚至可以不存在该区域8。 图 2-1 标签存储结构示意图 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第
27、二章系统基础理论 RFID ? 读写器对标签的操作 读写器对标签的操作总体来讲可分为三类,分别为选择、盘存和访问9。 (1)选择 选择一定数量的标签进行操作,通过 select 命令选择出符合某特定需求的标签群,对其 进行盘存和访问等操作。 (2)盘存 询问空间中的某个标签群,在 4 个节中的一个节中对标签群发送 Query、QueryAdjust、 QueryRep 等盘存命令圈存空间中的标签,标签对盘存进行回应,与读写器建立联系并返回其 PC、EPC 和 CRC16 等信息。 (3)访问 当读写器与标签建立了通信链路后,读写器就可以对标签进行相应的操作,如:读、写、 锁定、加密、灭活等操作
28、。 ? 通话中的节和盘存标记 每个标签具有四个节,每个节具有A和B两种盘存标记,不同的节允许多个读写器同时进 行独立的访问。多个读写器可以同时分别和同一张标签的不同的节进行通信,如在同一时间 读写器 0 可以访问标签的节 0, 读写器 1 可以访问标签的节 1, 读写器 2 可以访问标签的节 2, 读写器 3 可以访问标签的节 3,在读写器看来相当于访问四张标签。当某一节被访问过后, 该节的盘存标记将会从A变为B或从B变为A,以此来标记该节已经被某阅读器访问过10。标 签的节和盘存标记的转换过程如图 2-2 所示。 图 2-2 标签的节与盘存标记转换 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系
29、统基础理论 RFID 8 ? 标签状态 (1)就绪状态 对于存在于读写器电磁场覆盖的区域的标签,如果没有被杀死或者正在被访问,则会进 入就绪状态,即就绪态为标签进入电磁场范围的初始准备状态。标签一直保持该状态,直到 接受到匹配的Query命令,标签将从随机数计数器中取出Q位数据装入槽计数器。如果槽计数 器中放的为 0,则转为应答状态,否则将转为仲裁状态。对于掉电重新上电的标签,也转为就 绪状态11。 (2)仲裁状态 进入仲裁状态的标签,可以理解为已经参与进了当前盘存周期并且槽计数器不为 0000h 的状态,之后它每次收到一个 QueryRep 命令,槽计数器里的值减 1,当槽计数器里的值减为
30、0000h 时,标签转为应答状态,槽计数器的的值为 0000h 的标签,收到 QueryRep 命令时减 1, 从 0000h 变为 7FFFh,再次转为仲裁状态。 (3)应签状态 标签进入应签状态后,向外发送一个 16 位随机数 RN16,之后等待阅读器返回 ACK 信 息,如果标签收到正确的 ACK 信息,则转为确认状态,返回标签的 PC、EPC 和 CRC16 信 息。如果没有接收到 ACK 或者收到错误的 ACK,标签返回就绪状态。 (4)确认状态 处于确认状态的标签可以转到除灭活状态之外的任何状态。转到何种状态取决于阅读器 发送的命令。 (5)开放状态 当标签处于确认状态,收到一条
31、Req_RN 命令时,如果标签存在访问密码,则会从确认 状态转换为开放状态。同时标签回应一个新的 RN16,称之为柄,以后读写器就以此柄作为标 识来对标签进行除 Lock 之外的任何操作, 处于开放状态的标签可以转到除确认以外的任何一 个状态,取决于读写器发送的命令。 (6)安全状态 当标签处于确认状态,收到一条 Req_RN 命令时,如果标签访问密码为零,则会从确认 状态转换为安全状态。处于开放状态的标签,收到一条合法的 Access 命令,如果密码非零, 则会从开放状态转换到安全状态,处于安全状态的标签可以接受任何命令的操作,具有最高 的权限。该状态可以转换为除确认和开放状态以外的任何状态
32、。 (7)灭活状态 标签在开放或安全状态时,收到一条合法的 Kill 命令,即会进行灭活操作。灭活后标签 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统基础理论 RFID 9 会返回给读写器灭活成功的回馈,灭活的标签将不再响应读写器的任何操作,被灭活的标签, 上电之后即进入灭活状态,灭活操作不可逆转,一旦灭活,标签将不再响应。 ? 读写器的基本命令 读写器的基本命令12如表 2-1 至 2-6 所示: 表 2-1 Query 命令 命令 码 DR M TRext Sel 节 标 记 Q 值 CRC5 位 数 4 1 2 1 2 2 1 4 5 命 令 说 明 1000 0:DR=8 1:DR=64/
33、3 00:M=1 01:M=2 10:M=4 0:No pilot tone 1:Use pilot tone 00:All 01:All 10:S1 11:SL 00:S0 01:S1 10:S2 11:S3 0:A 1:B 0-15 表 2-2 QueryRep 命令 命令码 节 位数 2 2 命令说明 00 00:S0 01:S1 10:S2 11:S3 表 2-3 ACK 命令 命令码 随机数(RN) 位数 2 16 命令说明 01 RN16/柄(handle) 表 2-4 Req_RN 命令 命令码 RN CRC16 位数 8 16 16 命令说明 11000001 RN16/柄(h
34、andle) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统基础理论 RFID 表 2-5 Read 命令 命令码 存储页 起始地址 字数 RN CRC16 位数 8 2 EBV 8 16 16 命令说明 11000010 00:保留区 01:EPC 区 10:TID 区 11:用户区 起始地址指针 读取字的个数柄 表 2-6 Write 命令 命令码 存储页 起始地址 数据 RN16 CRC16 位数 8 2 EBV 16 16 16 命令说明 11000011 00:保留区 01:EPC 区 10:TID 区 11:用户区 起始地址指 针 RN16 word 要写入 的数据 柄 ? 读写器会话流
35、程 标签的识读分为单标签识读和多标签识读,对于单标签识读,如图 2-3 所示,第一行的 框内为读写器发往标签的命令。 第二行的框内为标签向读写器返回的数据。 CW是读写器发往 标签的连续波,一是用来为标签提供能量,二是载波为数据传输提供载体13。在Query命令中 设定Q值为 0。 标签会从 02Q-1 的范围内随机选择一个数放入槽记数器。 因为设置的Q值为 0, 所以标签会从 00 范围内选择 0 放入槽记数器。 因为槽记数器中放入了 0, 所单标签收到Query 命立即响应,转为应签状态。图 2-3 中的T1、T2、T4 是链路的链接时间,读写器发送命令给 标签后,如果在T1 这段时间以后
36、仍没收到响应,即被认为链接丢失,读写器会重新发送命令 进行操作,如果标签回复读写器后,在T2 这段时间后仍没收到标签接下来的操作命令,也认 为连接丢失,标签会转入仲裁状态。T4 为Select命令和Query命令之间的最小间隔。当读写器 发送Req_RN命令, 标签转到开放或安全状态后, 不受此链接定时限制。 只要还在磁场范围内, 链接会保持一直有效。 10 图 2-3 单标签识读链接定时图 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统基础理论 RFID 标签和读写器的具体通信过程14如图 2-4 所示。具体步骤如下: (1)读写器发送 Query 命令主动发起会话,Query 命令设置了该通话所
37、处的节、通信类 型、Q 值设定等信息,该命令通过电磁波向空间中发射来盘存空间中的标签。因为是单标签 通信,所以设置 Q 值为 0。 (2)空间的的单个标签收到 Query 命令,向槽计数器中放入 0,转为应答状态。然后向 读写器返回一个 16 位的随机数 RN16。 (3)读写器收到空间中标签回应的 RN16,然后回复给标签一个确认信号 ACK。ACK 命 令即为刚收到的 RN16 挂上命令码 01 组成。 (4) 标签收到 ACK 命令后, 转为确认状态, 随即回复自身的 PC+EPC+CRC16 给读写器。 (5)读写器接下来发送 Req_RN 命令给标签,向标签请求新的随机数柄。 (6)
38、标签收到 Req_RN 命令后,向读写器返回一个新的 16 位随机数,称为柄。以后读写 器对标签的操作命令都要携带这个柄作为标识。标签如果有加密则转为开放状态,如果没有 加密则转为安全状态。安全状态和开放状态的区别在于安全状态具有更高的权限,在开放状 态需要加上密码才能进行对标签的某些操作。开放状态的标签可以通过 Access 命令转换到安 全状态。 (7)读写器可以向标签发送读、写、锁定、灭活等命令对标签进行操作。标签转为开放 或安全状态后,不受链接定时的限制。 (8)标签根据读写器的命令,进行相应的操作并向读写器进行应答。 图 2-4 读写器与单标签通信过程 11 南京邮电大学硕士研究生学
39、位论文第二章系统基础理论 RFID ? 防碰撞与多标签识读 多标签识读取面临的一个问题是在同一个频率上,有多个标签需要被识读时,就会产生 所谓的碰撞现象。由于碰撞的产生,使得读写器的吞吐率大大降低。因此,为了解决这个问 题,有两种方法可以采取,一种方法是通过特定的方法来降低碰撞率,另一种方法是通过扩 大频带宽度来增大读取数量。因为 RFID 的频带是有限的,因此通常是采用各种防碰撞算法 降低碰撞率来增大吞吐率。 通常所说的的碰撞包括以下三种形式15。 (1)标签的碰撞 一个读写器的范围内有多个标签时,读写器读取空间中标签的 ID。标签分别返回自己的 ID,此时就会产生多种 ID 的碰撞。 (2
40、)读写器的相互干扰 空间中存在几台读写器,他们采用相同的频率,相同的命令格式。因此在同时进行读取 时,空间中的信号会相互干扰,产生碰撞。 (3)标签的相互干扰 空间中某个标签处于几个读写器的磁场范围内。当多个读写器同时读取该标签时,就会 通信异常,产生碰撞。 为了解决这些问题,人们采取了各种防碰撞算法。主要的算法如图 2-5 所示,有空分多 路法 SDMA(Space Division Multiple Access)、码分多路法 CDMA(Code Division Multiple Access)、频分多路法 FDMA(Frequency Division Multiple Access)
41、 和时分多路法 TDMA(Time Division Multiple Access)。 图 2-5 几种常见的防撞算法 (1)空分多路法 空分多路法是指通过天线空分技术。使多路天线分别对准不同的空间,从而实现多路的 12 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章系统基础理论 RFID 13 读取,天线空分技术要求频率在 850MHz 以上,因此使用场合受到一定的限制,另外复杂的 天线阵列对成本的要求也会较高。因此空分多路法只适用于一些特定的场合。 (2)码分多路法 码分多路法是基于扩频技术将信号伪随机编码,使频带远大于信号初始频带,然后接收 端用同样的方式进行接收解码,码分多路法分为扩频和码分两
42、部分。扩频完成带宽的扩展和 数据传输,码分完成基站与用户的标识。码分多址技术在通信领域得到广泛的应用,但由于 技术的复杂性,很难应用于 RFID 系统。 (3)频分多路法 频分多路法是指多路通信采用不同的频率进行同时的传输,应用到 RFID 系统中就是不 同的标签信息在不同的载波频率上传输,这就要求读写器要产生不同的频率带与标签通信, 另外还需要在不同的频率上进行接收,读写器的成本比较高,因此频分多路法也仅用于某些 特定的场合。 (4)时分多路法 时分多路法是将时间分为若干时隙,将不同时隙分配给不同的标签进行通信,时分多路 法在通信系统中已经得到广泛的应用。考虑其成本、功率、系统复杂程度等,在
43、 RFID 系统 中采用时分多路法是一种最普遍的形式。 在 EPC C1G2 协议中采用多节会话与时隙多路法相结合来解决防碰撞问题。 协议中规定了标签具有四个节S0、S1、S2 和S316。如 2.2.4 节所示,同一标签通过独立 的各节可以同时独立与多个读写器进行会话而不相互干扰。 对于多标签的碰撞,采用Q值随机数法17,即读写器的Query命令向标签发送命令时携带 Q值。空间中的标签会从 02Q-1 范围内选择一随机数放入槽计数器,槽计数器中放入 0 的标 签进行响应,其它标签等待,处于仲裁状态,该标签通信完成后,读写器发送QueryRep命令, 各标签的槽计数器中数值均减 1,减到 0
44、的响应,依次类推,直到所有标签都响应完毕。当 空间中的标签较少时,应选取较小的Q值,这样可以减少QueryRep发送的次数,提高读卡的 效率,而当空间中标签较多时,应选取较大的Q值,从而减小槽计数器同时为 0 的机率,减 小碰撞。为了提高系统效率,EPC C1G2 协议中提供了一种Q值的自适应调整算法,如图 2-6 所示,Qfp为符点数,round为取整函数,C的取值范围为 0.1 T 导引头和帧同步头。 每一个R=T导引头应包含一固定长度的分隔符,一个data-0 数据符号,一个R=T校准符 号(RTcal) , 还应有一个T=R校准符号(TRcal) 。R=T校准符号(RTcal)为发送速
45、率的校 准符, 长度为一个数据 0 和一个数据 1 的长度之和, 我们取的数据 0 为 1Tari, 数据 1 为 2 Tari, 20 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章 基带部分分析与设计 因此RTcal的长度为 3 Tari。 T=R校准符号 (TRcal) 用于标签返回速率的校准。 标签根据RTcal 来决定返回数据的速率23,我们取RTcal为 1.33TRrcal,即 4Tari。 后向散射频率(LF:Link Frequency)定义如公式(3-2)所示。其中划分比(DR:Divide ratio)用来帮助定义 LF。 TRcal DR =LF (3-2) 以取Tari的值为1
46、2.5us为例,介绍返回链路速率: RTcal = 3Tari = 12.5us*3 = 37.5us, TRcal = 1.33RTcal = 4Tari = 12.5us*4 = 50us, 在Query命令中设置DR=8,将以上数据代入公式(1)中,即可得到 LF = 8/50us = 1.6*102KHz, 返回最小脉宽为: T=1/1.6*102KHz=6.25us。 图 3-7 R=T 导引头和帧同步 3.3.3 PIE编码设计 编码中我们以0.5Tari为基本单位,高电平编码为1,低电平编码为0。则数据0编码为1 个高电平1个低电平,数据1编码为3个高电平1个低电平24。例如待编
47、码数据为111001, 则编码后的码为11101110111010101110。具体的编码过程如图3-8所示,首先获取待发送的 命令码,判断该命令是否为Query命令,如果是则生成导引头编码001011111011111110,否则 21 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章 基带部分分析与设计 生成帧同步编码0010111110。然后开始进行编码,遇到0编为10,遇到1编码为1110,直到 编码完成。编码完成以后,就是以0.5Tari为基本单位的码形。 获取待发送命令 挂帧同步头 是否Query命令 挂导引头 编码是否完成 读取命令下一位 该位为0或1 编码为10,存入buffer编码为1110,存入buffer 结束 开始 Y Y 01 N N 图 3-8 PIE 编码流程 在基本的编码完成之后,就要将编码后的数据通过发送端口发送向射频端,发送的具体 过程如图3-9所示, 首先要读取预设的链路速率, 通过速率计算出Tari的数值, 接下来以Tari/2 为基准时长初始化定时器,然后启动定时器开始数据的发送,依次读取编码后的数据,如为 1则在定时单位时间内置端口为高电平,如为0则在定时单位时间内置端口为低电平。循环 执行发送过程,直至将数据全部发送完毕。 22 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章 基带部分分析与设计 图 3-9 PIE 发送流程 下面以
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