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电子标签识读终端的研究与设计 (1)

  电子标签和识读终端是构成射频识别系统的基本条件。本文对低频电子标签与识读终端之间的作用基理进行了研究分析,据此提出了以基站芯片EM4095为射频接口的识读终端硬件设计,并对解码程序设计中的关键问题进行了具体论述。

  1 引言

  射频识别(RFID)是利用无线方式对电子数据载体(电子标签)进行识别的一种新兴技术。与接触式Ic卡和条形码识别等系统比较,它有着巨大的优势。利用射频识别技术,能有效实现对数量大、分布区域广的信息进行智能化管理,达到高效快捷运作的目的,特别是在物流、交通航运、自动收费、服务领域等方面有着广泛的应用前景。

  针对工作频率为100kHz一150kHz的电子标签EM4100.本文提出了其识读终端的设计。

  2 无源射频芯片EM4100工作基理

  EM4100系列为微型低功耗电子标签芯片,工作频率范围为100kHz~ 150kHz,主时钟及工作电源取自识读器发射的信号。作为接收天线的线圈和微芯片已连好并封装在一起。内部电路分模拟模块和数字模块2大部分。模拟模块包括:全波整流电路,时钟提电路,调制电路;数字模块包括:

  序列发生器,只读存贮器.数据编码器。

  无源电子标签与识读器之间的作用距离满足关系r<<λ(工作波长),根据天线理论,属于天线近区场(即感应场)。因此,电子标签天线与识读终端天线之间的作用是基于电磁感应原理,等效电路见图1。其中,Ll为识读器发射天线电感,L2为电子标签线圈电感,R2为电子标签线圈的内阻,R L为电子标签谐振回路的等效负载。

  

  

  互感M在 L2上产生的电压 作为 L2回路的信号源,由等效电路可推得回路的输出电压表达式:

  在其他因素不变时,若识读终端发射的信号频率与该谐振电路的谐振频率(

  ) 相等,则输出电压最大;偏离谐振频率时,电压将快速减小。谐振信号经整流滤波后作为片工作电源,当该电压值达到EM4100的要求时,芯片启动工作。该谐振电路的输出电压值取决于Q值、交变磁场强度及频率。显然,电子标签与识读终端之间的距离直接影响该电压值。

  在时钟提取电路从线圈感应信号提取的主时钟作用下,序列发生器发出存储器寻址、数据串行输出控制、数据编码控制等信号。芯片内存贮有唯一的64bit代码:9bit起始位、40bit信息位、14bit校验位、lbit停止位。代码经编码后控制调制器中的电流开关.实现对f0=125kHz载波进行调幅。每bit数据的时间宽度与载波周期的比率有3种选择:64、32、16。数据信号控制应答器天线负载的接通和断开.识读器天线上电压将跟随变化,实际是应答器(电子标签)数据对识读器天线电压进行振幅调制,实现了应答器数据向识读器的传输。这就是所谓的负载调制。在识读终端有效作用范围内,电子标签循环发送64bit代码数据,实现数据向识读终端的传送。

  3 识读终端硬件系统设计

  3.1功能分析

  根据上述识读终端与无源电子标签作用过程.识读终端应实现以下功能:1.发射射频信号。信号频率应等于电子标签接收回路的谐振频率,信号有足够的强度.以启动电子标签工作并满足对作用距离的要求。2.接收电子标签发射的射频信号,并解调出其中的数据。3.数据解码及后续处理。终端硬件系统实现前2项功能,第3项功能由识读终端软件系统实现。

  3.2射频接口电路设计与实现

  射频接口电路实现启动电子标签和信号解调。系统采用RFID专用无线基站芯片EM4095设计了电子标签与识读终端主控模块之间的射频接口电路。EM4095功能原理见图2。

  

  

  EM4095兼容多种传输协议(如EM4OOX、EM4150等),利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率,而不需外接晶振,工作频率100kHz一150kHz,具有睡眠模式,与微控制器的接口简单,采用调幅同步解调技术,工作电压5V。芯片T作受输入信号SHD和MOD控制。MOD=0时。芯片工作于只读模式。

  SHD=I时,为睡眠模式。芯片供电之后,SHD应先为高电平,以对芯片进行初始化,然后再接低电平,芯片即发射射频信号;同时。解调模块将天线上AM信号中携带的数字信号取出,并由DEMOD— 0UT端输出。RDY/CLK端向微控制器提供芯片内部的状态以及与发射信号同步的参考时钟。SHD=I时,RDY/CLK端输出低电平;SHD由高电平变为低电平后,经过约35ms,RDY/CLK端输出同步时钟信号,该参考时钟信号的出现表示发射模块和接收模块已经启动。通过查询RDY/CLK端信号状态,微控制器即可确定从DEMOD—OUT端接收数据的时刻。

  锁相环PLL、天线驱动器、调制器组成射频信号发送模块。其中PLL由环路滤波器、相位比较器、压控制振荡器组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入DEMOD IN端,该信号与天线驱动器的输入信号由相位比较器进行相位比较,形成与相位差对应的电压,作为压控振荡器的控制信号,最终实现对天线发射信号频率的锁定。

  接收模块由采样保持器、滤波器、比较器组成。DE—MOD IN端输入的AM信号在VCO输出信号的同步控制下被采样,采样输出信号由端脚CDEC外接的电容隔离直和带通滤波采样(消除输出中的载频成分、高频和低频噪声)后,经异步比较得到对应的数字信号。

  3,3 主控模块

  微控制器负责启动EM4095并接收由EM4095解调的编码数据。采用AT89C52作为微控制器,其内部集成了8KB的Flash程序存贮器,256B的RAM, 具有低功耗工作模式。EM4095的DEMOD OUT端接P1.0,EM4095的SHD接P1.1EM4095输出的参考时钟信号RDY/CLK端接TO,用作解码的同步时钟。AT89C52从电子标签读取来的编码数据存贮在EEPROM芯片 AT24C64中。可司通过 MAX232进行电平转换,实现与上位机的通信。识读终端硬件原理见图3。

  

  

  AT89C52通过P1.1发出控制信号启动EM4095工作,若有效作用范围内有电子标签。电子标签接收EM4095发射的射频信号能量后发送经过调制的编码信号,AT89C52通过监测P1.0的状态,判断是否收到射频接口解调输出的数据,由软件完成数据的接收及后续的处理任务。

  4 软件设计分析

  终端软件要解决的关键问题是如何正确接收数据,并解码。本系统选用的电子标签为Manchester码型,电子标签编码器输出信号、EM4095解调输出信号的波形见图4。

  4.1解调输出波特点

  电子标签中的64bit数据以NRZ形式的波形串行送人编码器,经编码后输出Manchester码波形。其编码规则为:在一个编码时钟周期的中间以一个上跳变的波形表示二进制数据“1”:在一个编码时钟周期的中间以一个下跳变的波形表示二进制数据“0”。

  编码输出信号作负载调制的控制信号,编码输出波形中的低电平使标签发射天线线圈工作于高电流,编码输出波形中的高电平则使标签发射天线线圈工作于低电流。因此,标签发给EM4095的已调信号,经解调输出的波形与标签编码输出的波形为反相关系,即:时钟周期中间的下跳变表示二进制数据“1”,时钟周期中间的上跳变波形表示二进制数据“0”。根据图4的波形,连续“0”和连续“1”对应的波形是相似的,只是它们之间为反相关系。因此,如果简单地把上升沿或下降沿作为数据采样时刻,会出现“0”译为“1”或“1”译为“0”的错误。

  4.2解码软件设计思路

  解码程序要解决的主要问题是如何防止“0”与“1”之间的倒译。根据DEMOD OUT端输出波形。若DEMOD OUT端连续输出一个下跳变和一个上跳变,则肯定是解调输出的数据。

  只在以下2种情况会出现上跳变:数据“0”编码周期的中间:相邻数据都是“1”时,它们波形中间也出现上跳变。但这2种情况存在如下差别:上跳沿与前一个下跳沿之间的低电平持续时间不同。若该低电平维持时间大于32个载波周期,则是数据“o”编码周期中间时刻的上跳沿。因此,用指令查询P1.o的电平,先找一个下跳变,找到后立刻启动T0对RDY/CLK参考时钟计时,接着找到紧随其后的上跳变,若此时 的计时时间大于32个载波周期,该上跳变位于数据“0”编码周期中间时刻,该上跳变是接收数据的时间起点。由于每位数据对应波形中的高、低电平均为32个射频载波周期,以上跳时刻为起点延40个载频周期后接收第1个数据。然后重新启动计数器TO,RDY/CLK端输出的参考时钟周期等于射频载波周期,数据编码时钟

[1] [2]
编辑:ssb
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sape/mj/200802/article_17785.html





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