0  前  言

射頻識(shí)別(即 Radio Frequency Identification，以下簡(jiǎn)稱RFID)技術(shù)是從九十年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。與磁卡、IC卡等接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽和讀寫器之間無(wú)須物理接觸就可完成識(shí)別，因此它可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，可在更廣泛的場(chǎng)合中應(yīng)用。本文研制的射頻識(shí)別系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法是對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)的一次成功嘗試。

1  射頻識(shí)別原理

典型的RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(Tag)，讀寫器(Read/Write Device)以及數(shù)據(jù)交換、管理系統(tǒng)等組成。電子標(biāo)簽也稱射頻卡，它具有智能讀寫及加密通信的能力。讀寫器由無(wú)線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。射頻識(shí)別是無(wú)源系統(tǒng)，即電子標(biāo)簽內(nèi)不含電池，電子標(biāo)簽工作的能量是由讀寫器發(fā)出的射頻脈沖提供。電子標(biāo)簽接收射頻脈沖，整流并給電容充電。電容電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后作為工作電壓。數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯。控制邏輯接受指令完成存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)或其它操作。EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)電子標(biāo)簽的ID號(hào)及其它用戶數(shù)據(jù)。

2  射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前各大芯片廠商都開(kāi)發(fā)了用于射頻識(shí)別的ASIC（數(shù)字模擬邏輯混合型專用電路），本文研制的射頻識(shí)別系統(tǒng)是基于德州儀器公司的TMS3705基站芯片，由基站芯片設(shè)計(jì)基站發(fā)射和接收電路，同時(shí)設(shè)計(jì)基站天線。基于TMS3705基站芯片搭建射頻基站,臺(tái)灣聯(lián)陽(yáng)電子提供了基于TMS3705的射頻基站模塊RFM001.

圖1  基站芯片及射頻基站模塊

射頻卡發(fā)射數(shù)據(jù)后由射頻基站天線接收，由基站處理后經(jīng)基站的輸出腳把得到的數(shù)據(jù)流發(fā)給微處理器的輸入口?；局煌瓿尚盘?hào)的接收和整流工作，而信號(hào)的解調(diào)解碼的工作由微處理器來(lái)完成。微處理器要根據(jù)輸入信號(hào)在高電平、低電平的持續(xù)時(shí)間來(lái)模擬時(shí)序進(jìn)行解碼操作。現(xiàn)在比較流行的編碼方法有Mancheester編碼，Biphase編碼。

本系統(tǒng)是基于TMS3705基站芯片的射頻識(shí)別系統(tǒng)，所采用的射頻卡是RFM001讀寫卡，要想正確的完成射頻識(shí)別系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，必須了解所使用的射頻卡的讀寫特性。這些特性包括：EEPROM的存儲(chǔ)分配、卡的同步信號(hào)、發(fā)射頻率、卡控制邏輯、寫卡以及其他卡操作的命令格式等。

2.1  數(shù)據(jù)在RFM001射頻卡中的存儲(chǔ)格式

包含Start byte共有14bytes數(shù)據(jù)

用戶數(shù)據(jù)區(qū)共有10個(gè)字節(jié)，建議采用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，故建議第2-9 byte為用戶數(shù)據(jù)區(qū)，第10、11 byte為CRC校驗(yàn)碼。

以下給出基站讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序(如圖2)，由射頻卡發(fā)出的數(shù)據(jù)采用FSK調(diào)制。

圖3  1個(gè)字節(jié)的傳輸格式

每個(gè)Byte的格式如圖3，由10 bits組成，第一個(gè)bit是START bit 固定為 HI，最后一個(gè)bit是Stop bit 固定為L(zhǎng)OW，第2-9 bit 實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)(最先收到的bit為L(zhǎng)SB)，由于是負(fù)邏輯數(shù)據(jù)需要反相處理 (LOW=1、HI=0).

2.2  RFM001射頻卡寫入格式

要將用戶數(shù)據(jù)寫入RFM001射頻卡，必須遵循下列格式。

用戶數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)可由用戶完全決定，但建議采用2 byte校驗(yàn)碼的CRC校驗(yàn)來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)。所以對(duì)于10個(gè)byte的用戶數(shù)據(jù)，前面8個(gè)字節(jié)作為用戶數(shù)據(jù)，后面2個(gè)字節(jié)作為用戶數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼。

對(duì)于一位的寫入采用的是脈寬調(diào)制，根據(jù)占空比的不同來(lái)確定是寫入1還是寫入0，具體占空比見(jiàn)圖4.

圖4  位寫入方式

2.3  射頻識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別系統(tǒng)主要硬件組成是由單片微處理器構(gòu)成射頻信號(hào)的解碼模塊，其主要構(gòu)成如下框圖，其中通過(guò)RS232串行通訊將數(shù)據(jù)交給PC機(jī)進(jìn)行處理。

圖5  射頻識(shí)別系統(tǒng)硬件框圖

2.4  射頻識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，其核心部分是射頻卡發(fā)出的射頻信號(hào)的讀取和用戶數(shù)據(jù)的寫入射頻卡。

2.4.1  射頻信號(hào)的讀取

將TXCT置為L(zhǎng)ow，Delay 50 ms后，再將TXCT恢復(fù)成High.

此時(shí)約過(guò)3 ms，SCIO開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)，第一個(gè)Byte即為START Byte，總共輸出14 Bytes數(shù)據(jù)。見(jiàn)圖6.

圖6  射頻信號(hào)讀取控制

2.4.2  射頻信號(hào)的寫入

根據(jù)射頻信號(hào)的寫入格式，按照如下的寫入時(shí)序，即可將數(shù)據(jù)寫入射頻卡內(nèi)。見(jiàn)圖7.

圖7  射頻卡寫入控制

3  CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法

CRC校驗(yàn)是為了檢查信息字段是否傳送正確而設(shè)置的，它是信息字段的函數(shù)。建議采用CCITT推薦的16位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC－CCITT），其生成多項(xiàng)式為：G(x)=X¹⁶＋X¹²＋X⁵＋1.CRC 校驗(yàn)碼由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，驗(yàn)錯(cuò)率高，因而在許多通訊場(chǎng)合廣泛采用。本文采用的CRC－CCITT，能檢測(cè)出所有的雙錯(cuò)、奇數(shù)位錯(cuò)、突發(fā)長(zhǎng)度不大于16的突發(fā)錯(cuò)以及99.997%的突發(fā)長(zhǎng)度為17的突發(fā)錯(cuò)和99.998%的突發(fā)長(zhǎng)度大于或等于18的突發(fā)錯(cuò)。CRC校驗(yàn)碼的數(shù)學(xué)原理本文在此不作介紹。本文在這里說(shuō)明怎樣實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)碼的運(yùn)算可以用移位寄存器和半加器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如附圖8所示。

圖8  CRC校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原理

發(fā)送端的校驗(yàn)過(guò)程：

1）先設(shè)定CRC校驗(yàn)碼(2個(gè)bytes) 的初始值為00H，00H(000000000000000).(圖8中0-15表示CRC的bit0-15).

2）CRC校驗(yàn)碼全部右移一位，由A處與要進(jìn)行CRC校驗(yàn)的數(shù)據(jù)的第1個(gè)Bit作XOR運(yùn)算。

3）步驟2運(yùn)算后A處的結(jié)果為1時(shí)，反相MSB(Bit15)，檢查MSB是否為1，是為1時(shí)則反相Bit13和Bit10，不是則轉(zhuǎn)到步驟4.

A處的結(jié)果為0時(shí)，檢查MSB是否為1，是為1時(shí)則反相Bit3和Bit10，不是則轉(zhuǎn)到步驟4.

4）檢查A處是否已做64次，不是，重復(fù)步驟2到4.

5）重復(fù)2-4，做CRC運(yùn)算，所得最后數(shù)值就是CRC校驗(yàn)碼。

接收端校驗(yàn)的過(guò)程，其實(shí)就是所有信息碼加上CRC校驗(yàn)碼作為一個(gè)整體，再求一次CRC校驗(yàn)的過(guò)程，如果最后結(jié)果是全零，則表示CRC校驗(yàn)正確，否則表示錯(cuò)誤。由于和發(fā)送端實(shí)現(xiàn)原理相同，這里就不再重復(fù)。

雖然上面是以一種硬件實(shí)現(xiàn)的方法為例說(shuō)明，但按照其中描述的數(shù)據(jù)流向卻可以輕松的由軟件實(shí)現(xiàn)。由于所討論的射頻識(shí)別系統(tǒng)的傳輸速率不大，建議在這里不用專門硬件而用軟件方式實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)，其計(jì)算量是很小的。限于篇幅，未列出源程序。

4  結(jié)  論

本文研制的射頻識(shí)別系統(tǒng)已成功應(yīng)用于投幣式洗衣機(jī)的替代產(chǎn)品，具有較好的實(shí)際使用效果。射頻卡中存有使用洗衣機(jī)的次數(shù)，射頻識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到合法卡后，洗衣機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，射頻卡中的使用次數(shù)相應(yīng)減少，從而替代了投幣。