0  前  言

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

1  射頻識別原理

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。讀寫器由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。射頻識別是無源系統(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?？刂七壿嫿邮苤噶钔瓿纱鎯Αl(fā)送數(shù)據(jù)或其它操作。EEPROM用來存儲電子標(biāo)簽的ID號及其它用戶數(shù)據(jù)。

2  射頻識別系統(tǒng)設(shè)計

目前各大芯片廠商都開發(fā)了用于射頻識別的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)計基站發(fā)射和接收電路，同時設(shè)計基站天線?；赥MS3705基站芯片搭建射頻基站,臺灣聯(lián)陽電子提供了基于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。基站只完成信號的接收和整流工作，而信號的解調(diào)解碼的工作由微處理器來完成。微處理器要根據(jù)輸入信號在高電平、低電平的持續(xù)時間來模擬時序進(jìn)行解碼操作?，F(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別系統(tǒng)的開發(fā)，必須了解所使用的射頻卡的讀寫特性。這些特性包括：EEPROM的存儲分配、卡的同步信號、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個字節(jié)，建議采用對數(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個字節(jié)的傳輸格式

每個Byte的格式如圖3，由10 bits組成，第一個bit是START bit 固定為 HI，最后一個bit是Stop bit 固定為LOW，第2-9 bit 實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)(最先收到的bit為LSB)，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)來校驗(yàn)數(shù)據(jù)。所以對于10個byte的用戶數(shù)據(jù)，前面8個字節(jié)作為用戶數(shù)據(jù)，后面2個字節(jié)作為用戶數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼。

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

圖4  位寫入方式

2.3  射頻識別系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

圖5  射頻識別系統(tǒng)硬件框圖

2.4  射頻識別系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

2.4.1  射頻信號的讀取

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

此時約過3 ms，SCIO開始輸出數(shù)據(jù)，第一個Byte即為START Byte，總共輸出14 Bytes數(shù)據(jù)。見圖6.

圖6  射頻信號讀取控制

2.4.2  射頻信號的寫入

根據(jù)射頻信號的寫入格式，按照如下的寫入時序，即可將數(shù)據(jù)寫入射頻卡內(nèi)。見圖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），其生成多項式為：G(x)=X¹⁶＋X¹²＋X⁵＋1.CRC 校驗(yàn)碼由于其實(shí)現(xiàn)簡單，驗(yàn)錯率高，因而在許多通訊場合廣泛采用。本文采用的CRC－CCITT，能檢測出所有的雙錯、奇數(shù)位錯、突發(fā)長度不大于16的突發(fā)錯以及99.997%的突發(fā)長度為17的突發(fā)錯和99.998%的突發(fā)長度大于或等于18的突發(fā)錯。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)過程：

1）先設(shè)定CRC校驗(yàn)碼(2個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Bit作XOR運(yùn)算。

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

A處的結(jié)果為0時，檢查MSB是否為1，是為1時則反相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)的過程，其實(shí)就是所有信息碼加上CRC校驗(yàn)碼作為一個整體，再求一次CRC校驗(yàn)的過程，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)，射頻識別系統(tǒng)識別到合法卡后，洗衣機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，同時，射頻卡中的使用次數(shù)相應(yīng)減少，從而替代了投幣。