基于Impinj R2000的超高频RFID读写器的设计与实现

>器件与设计ARTS & DESIGN文献引用格式:王冲，景为平.基于11^4取000的超高频尺?10读写器的设计与实现[1].电视技术，2018,42(7):57 -60.WANG C , JIIVG W P. Design and Implementation of UHF RFID Reader Based on Impinj R2000 [ J ]. ing, 2018, 42(7) ：56 -60.中图分类号：TN4 文献标志码：A DOI ：10.16280/j. videoe. 2018.07. 013基于Impinj R 2000的超高频RFID 读写器的设计与实现王冲，景为平(南通大学江苏省集成电路设计重点实验室，江苏南通226019)摘要：为了解决超高频射频识别读写器在碰撞时隙标签无法识别的问题，本文遵循IS018000 - 6C 协议标准设计了 一款高 性能的超高频读写器系统，并对读写器的主要性能指标进行了仿真与测试，最后验证了设计的可行性。

本系统采用模块 化设计，系统工作频率为860 - 960 MHz ，输出功率可达+ 30 dBm 。

通过引入新型防碰撞算法，使得读写器在碰撞时隙也可 以一一识别标签，相比于现有读写器，标签的识别时间降低了约29%，标签识别率提高了约25%。

关键词：超高频射频识别；IS018000 -6C ;防碰撞；识别时间；识别率Design and Implementation of UHF RFID Reader Based on Impinj R2000WANG Ch on g, JI NG W ei p in g(Jiangsu Key Laboratory of A SIC Design, Nantong University, Nantong 226019, China )Abstract ： In order to solve the problem that the UHF RFID reader can not be identified in the collision time slot, this paper de­signs a high - performance ultra high frequency reader system according to the ISO18000 - 6C protocol standard. The main per­formance indexes of the reader are simulated and tested, and the feasibility of the design is verified at the end of the last. The sys- tm adopts the idea of modular design. The system’s operating frequency is 860 - 960MHz and output power canBy introducing a new anti - collision algorithm, the reader can also identify the label one by one in the collision time slot. Com­pared with the existing readers, this design reduces the identification time of the tags by about 29% and improves the tag recogni­tion rate by about 25 % .Key words ： UHF RFID ； IS018000 -6C ; Anti - collision ； Recognition time ; Recognition rate射频识别技术（RadioFrequency Identification, R FID )作为物联网中的关键技术，从90年代开始逐 渐走向成熟[1]。

工作在860 MHz - 960 M H z 的超高 频（Ultra High Frequency，U H F )系统有着读取距离远、多标签阅读速度快、抗干扰能力强等优点，是目前国际上R F ID 技术发展的热点。

如今，国内外设计 超高频R F ID 读写器面临的两大问题主要是:一方面，设计出的读写器电路太过复杂，性能不稳定而且 为后期系统的改善与维护增加了难度;另一方面，国 内外对读写器防碰撞算法的研究主要集中在Q值的计算以及标签数目的估计，碰撞现象仍然存在，碰撞 时隙未得到进一步处理。

针对以上问题，本文提出 一种设计超高频读写器的新方案。

硬件上，本方案基金项目：江苏省科技成果转化专项资金项目（BA 2017065)采用模块化设计，大大简化了硬件电路，射频收发芯 片选用Impinj R 2000,该芯片内部集成了射频通信90%的离散元件，降低了射频电路的设计难度，同时，该芯片具有较高的接收灵敏度，使得系统集成方 便，工作稳定;软件上，引人新型算法对碰撞时隙进 行进一步处理，从而达到降低标签识别时间，提高标 签识别率的目的。

1读写器硬件设计1.1读写器硬件系统读写器系统的功能主要有两点。

一方面，用户 通过上位机控制读写器向标签发送命令，对标签进 行读写操作;另一方面，读写器可以把接收到的数据投稿网址http : //www . videoe . cn I 《电视技术》第42卷第7期（总第504期）57射频模块为了简化射频电路，降低设计难度，提高读写器的扩展性，读写器采用Impinj R 2000芯片作为收发 芯片。

Impinj R 2000读写器芯片是用于E P C G en2 /IS018000 -6C 应用的高度集成、高性能、低功耗的 SiGe BiCMOS 器件⑶。

1.3控制模块控制模块采用A tm el 公司的A T 91SA M 7S256芯片作为主控芯片，该芯片是32位A R M 的R S IC 处理器，具有256字节的高速F l a s h 和64字节的 SRAM [4]，能够满足射频识别系统的要求。

本系统中，主控芯片采用S S C 方式实现与 R 2000芯片的通信，因为S S C 有以下特点:包含独立的接收器、发送器及一个时钟分频器;每个发送器及 接收器有三个接口 ：针对数据的T D /R D 信号、针对 时钟的T IV R K 信号及针对帧同步的T F /R F 信号;最多可传输1个32位数据[]等，这些特点刚好与R 2000芯片匹配。

1.4功率放大模块Impinj R 2000芯片内部集成了功率放大器 (P A )，但输出功率只有+5 dB m ，使得读写距离达不到实际应用的需求。

因此，本读写器系统设计了外部功率放大模块， 用来提高射频电路的输出功率，提高后的输出功率 最大约为+ 30 dB m 。

本系统选用R F 5110G 芯片作读写芯片R2000IS018000-6C 协议处理器及数字接口 链路H D器件与设计r ARTS & DESIGN ________________________________返回上位机，并存储在计算机网络中。

读写器系统 的主要硬件结构包括:控制模块、射频模块和天线 等[2]。

主要结构如图1所示。

1/蟾_錢鱺W ideo Engineering为功放芯片，该芯片是一款高功率、高效率的功率放 大器模块，可在应用中提供高性能。

功率放大模块 电路如图2所示。

图2功率放大模块2软件系统设计2.1主程序软件设计系统主程序是在软硬件模块之间建立联系，使得读写器系统实现读写操作的功能。

系统主程序包 括系统初始化，获取上位机命令，解析指令并进行 CRC 校验，根据指令调用相应的18000 -6C 协议处 理程序[]，根据协议发送相关数据以及数据返回 处理。

2.2防碰撞算法改进大多数学者研究对防碰撞算法的改进是针对Q 值做分析，然而，读写器遇到标签碰撞时隙时却束手 无策，没有得到有效处理，增加了识别标签的时间， 同时也降低了标签的识别率。

如今，现有读写器的防碰撞算法即IS 018000 - 6C 协议算法。

此算法的缺点是，当有多个标签的时 隙计数器值为0，读写器根据检测和解决波形冲突， 可能解决一个标签发来的RN 16[7]并与之通信，未处 理的标签等待下一次的“Query ”命令。

这样，就降低 了标签的读写速度。

本系统采用新型防碰撞算法，具体流程如图3。

当有多个标签的时隙计数器值为0，并反向散射其随 机数RN 16时，读写器检测到碰撞。

随即进入到新 型算法中。

例如有3个标签时隙计数器值为0,3个标签的 随机数RN 16如下所示：图1读写器的主要硬件结构1.2射频收发模块M l解駄纖及触驗纖接口模块块模源觀觀行口串接I发射链路I I接收链路58 《电视技术》第42卷第7期（总第504期）I 投稿网址http: //W W W. videoe. cn器件与设计ARTS & DESIGN图3新型算法流程标签 a .........0 0 0 1 0标签b …0 10 0 1 标签c ……1 0 0 0 0当读写器检测到信号并发生碰撞时，便会向标签发送Select 』命令，其命令参数为S 。

S 的初值为 0,大小为0至1之间的整数。

时隙计数器为0的 标签，判断其R N 16的第S 位是否为0,如果RN16[S ]为0,则将自己的R N 16发送给读写器。

因为S 初值为0，当读写器第一次发送Select _0命令时，符 合条件的是RN16 [0]为0的标签，即标签a 和标签c 回应读写器，反向散射其R N 16。

此时，读写器又会 检测到碰撞，读写器继续发送Select _0命令，并调整 S 值，使得S = S + 1，继续判断标签a 和标签c 的 RN16 [ 1 ]是否为0，那么只有标签a 符合条件，参与 应答。

读写器继续发送S e le c t_0命令，S 恢复初值 0，R N [0]为0的标签只有标签c ，因此标签c 回应读 写器，S 恢复初值0。

之后标签b 发送R N 16时，无标 签碰撞，读写器便可以成功检测出标签b 。

到此为 止，3个标签被全部检测出。

当该时隙所有标签检 测完，读写器发送QUe y _R ep 命令[]，开始下一个时隙的识别。

新算法解决了IS018000 -6C协议算法对多个标签应答无法有效识别的问题，能够逐个筛选出符合条件的标签并—参与应答，做到在一个时隙中尽可能多的识别标签，从而减少了碰撞时隙，提高了 读写器系统的识别效率。