一种多模式的低频RFID阅读器设计方案
现有的单通道低频rfid阅读器在组成大规模应用系统时非常不便，会使系统累赘、可靠性下降、成本增加。为了解决这些问题，有必要探讨多通道低频rfid阅读器的设计方法。
1 阅读器的组成
图1为多通道多模式低频rfid阅读器的结构框图。阅读器包含6个读取通道，每个通道包含一个em4095芯片，它们在同一个mcu的程序控制下工作。设计6个通道的目的是组成多种有效的工作模式，便于实际应用。阅读器每个通道的解码均由mcu的程序控制完成，这样可以大大地简化硬件设计、降低成本。阅读器通过can总线或rs485总线与上位机相连，进行数据通信，接受工作模式的设定指令和其他的控制指令，上传各通道读取的标签信息和阅读器本身的工作状态;同时也可构成集散型系统，便于大规模应用。
图1 多通道多模式低频rfid阅读器的结构框图
2 em4095芯片的用法
em4095是瑞士em microelectronic公司的一款用于rfid阅读器的专用芯片。图2为em4095的应用原理图。demod_out引脚为am解调信号的输出端;mod为调制控制端，低电平时没有调制，高电平时100%调制;rdy/clk输出端具有多个功能指示作用，或作为发送已准备好指示，或作为接收同步时钟信号输出指示。当芯片内部锁相环工作建立，接收电路开始工作时，rdy/clk端会输出连续的与demod_out端数据信号同步的时钟信号;shd为高电平时，em4095进入睡眠省电模式，rdy/clk也被置为低电平。
图2 em4095的应用原理图
3 数据接收解码方法
由于em4095只是提供了产生载波与am调制解调功能，因此阅读器数据发送编码与数据接收解码须由mcu完成。通常125 khz的rfid数据传输速率为2～3.2 kb/s。数据发送编码相对简单，只需要控制发送端口定时输出指定的数据位就可以了。数据的接收解码要复杂一些，下面以遵循iso11784/11785标准的数据通信协议为例说明采用mcu进行数据接收解码的方法。
3.1 标签信息数据帧的格式
图3为rfid标签在收到阅读器发送的电磁波信号后，返回的信息数据帧格式。根据iso11785标准，数据帧(共128位)分为4个段，分别为帧头段、标识代码段、crc校验码段以及准备将来使用的扩展预留段。帧头段代码为00 0000 0000 1，包含有10个“0”。为了防止出现与帧头相同的代码，所有后续码段每8位数据插入1个控制位“1”。标识代码段内的标志位1为附加数据块标志，标志位2为动物标志。crc校验码段为ccitt 16位crc校验码。扩展预留段现在还没有使用，统一设为00000000 1 00000000 1 00000000 1，其中的“1”即控制位。
图3 rfid标签信息数据帧的格式
3.2 标签信息数据的编码
采用mcu进行接收数据帧解码的关键步骤是帧头段的捕获。图4为rfid标签回馈给阅读器的信息比特流的编码方式。mcu检测到em4095芯片rdy/clk引脚端产生时钟信号时，进入帧头段的捕获状态。
图4 标签信息数据编码方式
在没有信号输入时，em4095的输出端demod_out为低电平，根据帧头的代码与编码方式，输入到mcu的帧头段信号波形如图5所示。考虑到rfid标签的频率125 khz会有一定的误差，且数据传输率也不会精确地为2 kb/s或3.2kb/s，所以帧头的捕获包括两个方面的含义：一是帧头段的识别，即帧头代码的判断;二是波特率的确定，即信号跳变的时间间隔△t的测量。帧头捕获的目的是为帧信号后续代码段的检测解码提供依据。
图5 输入到mcu的帧头段信号波形
3.3 标签信息数据的程序控制解码方法
考虑到数据的传输率不会大于3.2 kb/s，根据图4所示的数据调制编码方式可知，信息数据输出端口(如图2的demod_out引脚)的信号变化频率不会大于6.4khz。在硬件实现的异步串行通信解码接口中，通常选择采样频率为信号变化频率的16倍、32倍或更高。在这里由mcu程序控制进行串行数据解码的方法是：对接收的编码信号脉冲跳变的时间间隔进行测量。由图4的编码方式(曼彻斯特编码)可知，表示数码0的时间间隔是表示数码1的时间间隔的1/2，因此测得信号脉冲跳变的时间间隔，通过程序判断比较就可解码出数据0或1。要测量信号脉冲跳变的时间间隔就需要有参考时钟信号，在这里，当参考时钟信号频率为被测信号最高频率的32倍时，其值为204.8 khz。大多数mcu的定时器/计数器都能对这一频率的信号进行计数测时。若采用lpc214x的定时器/计数器捕获功能就可以实现这一点。
将需要解码的信号(图2的demod_out引脚输出)接入到mcu定时器的捕获端口，当没有接收信号时，接收端口保持为低电平。当rfid阅读器发送出阅读命令后，接收程序准备就绪，同时启动定时器计数。一段延时后接收信号到来，输入信号每次发生跳变时，捕获定时器的计数值，读取并保存。设第0次跳变的捕获保存值为t0，第n次跳变的捕获保存值为tn，相邻上次捕获的保存值为tn-1，从第1次跳变开始，计算差值△tn：
△tn=|tn-tn-1|(n≥1)
如果连续18次以上的差值△t相同(即△t1、～△t18相同)，则帧头段捕获成功。考虑到接收信号放大检波带来的误差以及mcu定时器/计数器存在有计数误差，判定差值相同的依据为：
|△tn-△tn-1|≤2
式中，1≤n≤20，即相互之间的误差不大于2。
差值的平均值为：
△t=(△t1+△t2+…+△tn)/n(18≤n≤20)。
△t为后续数据段解码的检测周期;如果后续码段信号产生跳变的时间间隔等于平均值△t，则解码为数据0;如果跳变的时间间隔值为平均值△t的2倍，则解码为数据1。据此，就可以对接收的整个标签信息数据帧进行解码。
4 阅读器多通道、多模式的用法
阅读器包含6个通道，可以根据应用需要配置出几种典型的工作模式，如6通道轮循工作模式、6通道同步工作模式等。6通道轮循工作模式可用于静态(如仓储、图书馆等)物品的监管，其轮循的周期时长可根据要求设置;6通道同步工作模式，可用于每个通道所对应的位置对系统时间响应都有严格要求的场合;6通道独立工作模式主要针对一些需求少于6通道的场合，它可以灵活地关闭或开启其中任意几个通道;双3d工作模式，则是将6通道分成2组，每组3个通道监测同一个位置，3个通道的天线波束指向分别为前后、左右、上下3个相互垂直的方向(3d)，确保进入监控位置的rfid标签不会因摆放方向的差异而出现漏读。另外，这种模式可同时对2个位置进行3d监测，当rfid标签分别通过这两个被监测的位置时，阅读器能根据rfid标签信号出现的时间先后判断出rfid标签移动的方向。
结语
设计的多通道、多模式低频rfid阅读器具有组态方式灵活、应用范围广的特点，且阅读器的多通道集中控制可以有效地降低通道之间的串扰。实际应用表明，多通道、多模式低频rfid阅读器具有良好的稳定性和可靠性。
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图1 多通道多模式低频rfid阅读器的结构框图
2 em4095芯片的用法
em4095是瑞士em microelectronic公司的一款用于rfid阅读器的专用芯片。图2为em4095的应用原理图。demod_out引脚为am解调信号的输出端;mod为调制控制端，低电平时没有调制，高电平时100%调制;rdy/clk输出端具有多个功能指示作用，或作为发送已准备好指示，或作为接收同步时钟信号输出指示。当芯片内部锁相环工作建立，接收电路开始工作时，rdy/clk端会输出连续的与demod_out端数据信号同步的时钟信号;shd为高电平时，em4095进入睡眠省电模式，rdy/clk也被置为低电平。
图2 em4095的应用原理图
3 数据接收解码方法
由于em4095只是提供了产生载波与am调制解调功能，因此阅读器数据发送编码与数据接收解码须由mcu完成。通常125 khz的rfid数据传输速率为2～3.2 kb/s。数据发送编码相对简单，只需要控制发送端口定时输出指定的数据位就可以了。数据的接收解码要复杂一些，下面以遵循iso11784/11785标准的数据通信协议为例说明采用mcu进行数据接收解码的方法。
3.1 标签信息数据帧的格式
图3为rfid标签在收到阅读器发送的电磁波信号后，返回的信息数据帧格式。根据iso11785标准，数据帧(共128位)分为4个段，分别为帧头段、标识代码段、crc校验码段以及准备将来使用的扩展预留段。帧头段代码为00 0000 0000 1，包含有10个“0”。为了防止出现与帧头相同的代码，所有后续码段每8位数据插入1个控制位“1”。标识代码段内的标志位1为附加数据块标志，标志位2为动物标志。crc校验码段为ccitt 16位crc校验码。扩展预留段现在还没有使用，统一设为00000000 1 00000000 1 00000000 1，其中的“1”即控制位。
图3 rfid标签信息数据帧的格式
3.2 标签信息数据的编码
采用mcu进行接收数据帧解码的关键步骤是帧头段的捕获。图4为rfid标签回馈给阅读器的信息比特流的编码方式。mcu检测到em4095芯片rdy/clk引脚端产生时钟信号时，进入帧头段的捕获状态。
图4 标签信息数据编码方式
在没有信号输入时，em4095的输出端demod_out为低电平，根据帧头的代码与编码方式，输入到mcu的帧头段信号波形如图5所示。考虑到rfid标签的频率125 khz会有一定的误差，且数据传输率也不会精确地为2 kb/s或3.2kb/s，所以帧头的捕获包括两个方面的含义：一是帧头段的识别，即帧头代码的判断;二是波特率的确定，即信号跳变的时间间隔△t的测量。帧头捕获的目的是为帧信号后续代码段的检测解码提供依据。
图5 输入到mcu的帧头段信号波形
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4 阅读器多通道、多模式的用法
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结语
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