超高频射频识别系统读写器设计

第28卷　第3期2005年9月　电　子　器　件

Chinese Journal of Electro n Devices

Vo l.28No.3

Sep.2005

Design of UHF RFID Interrogator

ZH A NG X iao-p eng1,2,ZH U Yun-long1,L UO H ai-bo1

1.S heny ang Institute o f Au tomation,Chinese A cad emy o f S ciences,S henyang110016,China;

2.G radu ate S chool of the Chine se A cad emy o f S ciences,B eij ing100039,China

Abstract:UH F RFID system is becom ing more w idespread due to its advantag e,such as fast read-w rite speed,large m em ory,long recog nition distance and simultaneous read-w rite multi-tag.This paper intro-duces the characteristic and structure and principle and r ead-wr ite method of an UHF RFID tag accorded w ith ISO18000-6Standard,and presents the solution of its interr ogator,ex patiates hardw are design of in-terro gator and flow of softw are prog ram.Its has m er its of fast read-w rite speed(single tag64bit/6ms) and hig h reco gnition rate,and long recog nition distance(≥4m)prove out as a result of practical applica-tio n.

Keywords:RFID;tag;interrog ato r;UHF

EEACC:7210

超高频射频识别系统读写器设计

张晓鹏1,2,朱云龙1,罗海波1

(1.中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳110016;2.中国科学院研究生院,北京100039)

摘　要:超高频射频识别系统具有读写速度快、存储容量大、识别距离远和同时读写多个标签等特点,已经在物流等领域得到越来越广泛的应用。介绍了符合I SO18000-6标准的超高频R FID电子标签主要特点、结构、工作原理及读写方法,提出了相应读写器的解决方案,重点阐述了读写器的硬件设计及软件程序流程。实际应用结果表明该读写器读写速度快(单个标签64bit/6ms)、识别率高,识别距离远(≥4m)。

关键词:射频识别;标签;读写器;超高频

中图分类号:TM931 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2005)03-0542-04

射频识别(RFID,Radio Frequency Identifica-tio n)技术是一种新兴的自动识别技术。它是利用无线射频方式进行非接触双向数据通信,以达到目标识别并交换数据的目的。可用来跟踪和管理几乎所有的物理对象,在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪及军事等众多领域都有广泛的应用前景。按照工作频段的不同,RFID系统还可以分为低频(135kHz以下)、高频(13.56M Hz)、超高频(860～960MHz)和微波(2.4GHz以上)等几类[1～2]。目前大多数RFID系统为低频和高频系统,但超高频(U HF)频段的RFID系统具有操作距离远、通讯速度快、成本低、尺寸小等优点,更适合未来物流、供应链领域的应用,也为实现“物联网”提供了可能。因此超高频RFID系统的发展是当前RFID系统

收稿日期:2005-01-30

基金项目:中科院先进制造基地创新项目(F040210)

作者简介:张晓鹏(1979-),女,硕士研究,研究方向为RFI D软硬件系统及其应用,zhang xp@;

朱云龙(1967-),男,研究员,博士生导师,中科院沈阳自动化研究所先进制造技术实验室主任,主要研究方向为CIM S、分布式智能技术、协同制造理论与方法以及SCM/ERP/CRM系统管理软件的开发等;

罗海波(1967-),男,研究员,硕士生导师,主要研究方向为模式识别与图像处理、DSP系统设计、实时信号处理系统。

发展的重点。本文介绍了符合ISO 18000-6标准的超高频RFID 电子标签主要特点、结构、工作原理及读写方法,提出了相应读写器的解决方案,重点阐述了读写器的硬件设计及软件程序流程。实际应用结果表明该读写器具有以下特点:读写速度快(单个标签64bit /6ms)、识别率高,识别距离远(≥4m )。

1　标签工作原理及特性

1.1　工作原理

RFID 系统一般由读写器和标签(或称应答器、电子标签、智能标签)及天线组成。本文采用某公司的U CODE H SL 标签,符合ISO 18000-4与ISO 18000-6标准,本身无电源,靠读写器的射频场获得能源,采用负载调制方式,工作频段为U HF 或2.45GHz 。工作原理如图1所示。

PC 机通过RS232接口远程控制读写器。读写器接到命令后,通过天线发送射频命令实现对标签的操作,同时接收标签返回的数据。标签靠其偶极子天线获得能量,并由芯片(IC )控制接收、

发送数据。

图1　工作原理

1.2　IC 结构

标签IC 主要由模拟、数据处理及EEPROM 三个模块构成,如图2

所示。

图2　标签IC 结构

模拟RF 接口模块为IC 提供稳定电压,并将获得的数据解调后供数据模块处理,同时将数据调制后返回给读写器。数字处理模块包括状态转换机、读写协议执行、与EEPROM 的数据交换处理等功能。1.3　存储特性

标签内置2048bit 的EEPROM ,分成64块(block ),每块32bit 。其中8byte 为ID 存储空间,216byte 为用户存储空间。每字节都有相应的锁定位,该位被置“1”就不能再被改变。可以通过LOCK

命令将其锁定,通过Query lock (查询锁定)命令读

取锁定位的状态,锁定位不允许被复位。Byte 0～7被锁定,为标签的标识码(Unique ID)。64bit U ID 包含50bit 的独立的串号,12bit 的边界码和一个两位

的校验码。By te 8～219是未锁定空间,供用户使用。Byte 220～223也是未锁定的,作为写操作完毕的标志bit 或者用户空间。

2　标签的读写

2.1　命令格式

2.1.1　读写器的命令格式

读写器的命令格式如下:

帧头探测段帧头开始符命令地址字节掩码数据CRC

帧头探测段是一个至少持续400 s 的稳定无调制载波(相当于16bit 数据的传输);帧头是9bit 的

NRZ 格式的manchester “O ”,即:010101010101010101;开始符是用来标记有效数据,原返回率采用5位的开始符(1100111010),4倍返回率采用开始符(11011100101);CRC 采用16bit 的CRC 编码。2.1.2　标签的应答格式

标签的应答格式如下:

静默(Quiet)

返回帧头

数据C RC

静默是标签持续2byte 的无反向散射(40kb/s

的速率下相当于400 s 的持续时间);返回帧头是:“00000101010101010101000110110001”;CRC 采用16bit 的CRC 编码。2.2　防冲突机制

充电后的IC 有三种主要数字状态:准备(READY ,初始状态);识别(ID ,标签期望读写器识别的状态);数据交换(DAT E EXCHANGE,标签已被识别状态)。

图3　状态转换图

首先,标签进入读写器的射频场,从无电状态进入准备状态。读写器通过“组选择”和“取消选择”命令来选择工作范围内处于准备状态中所有或者部分的标签,来参与冲突判断过程。为解决冲突判断问

题,标签内部有两个装置:一个8bit 的计数器;一个0或1的随机数发生器。标签进入ID 状态的同时把它的内部计数器清“0”。它们中的一部分可以通过接

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