电子标签识读终端的研究与设计

       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，数据编码时钟周期又固定为该参考时钟周期的64倍，将Tn设置为每隔64个载波周期中断1次，在Tn中断服务程序中读P1．0上的数据。 

       根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个存在如下差别：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，数据编码时钟周期又固定为该参考时钟周期的64倍，将Tn设置为每隔64个载波周期中断1次，在Tn中断服务程序中读P1．0上的数据。 

       根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个“1”，找到后，按顺序接收其余55bit数据，并按标签中数据结构重新组织数据。然后通过奇校验程序计算各段数据的奇校验，再与接收到的奇校验位进行比较，判断数据是否正确性。 

       5 结束语 

       无线射频识别具有信息量大、高效便捷、安全的特点，是自动识别的主流技术。低成本、高可靠的便携式电子标签识读终端的研究开发．有很大的实际意义。本文在研究分析系统作用原理及解调输出波特征的基础上，设计了硬件实现方案，并以射频参考时钟为参照，提出了一种解决Manchester码倒译问题的软件解码方法。系统结构和成本合理，可靠性已得到试验验证．有较好的应用价值。 

       本文作者创新点：充分利用工业通用单片机的丰富资源设计主控模块，解决了系统便携化和低成本难题；以射频参考时钟为参照的Manchester码软件解码方法，提高了解码的准确性．也使系统具有良好的功能扩充和升级能力。 

       参考文献 

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       [2]胡建簧，何艳丽，闵吴．无源射频电子标签模拟前端的设计与分析[J]．半导体学报，2006，27(6) 
      [3]Klaus Finkenzeller．射频识别RFID技术[M]．北京：电子工业出版社．2001．刘冬生，邹雪城．高频RFID读写器射频模拟前端的实现[J]．半导体技术，2006，31(9) 

       作者简介：徐精华(1966一)，男(汉族)，江西南昌市人，南昌航空大学讲师，硕士，1989年浙江大学研究生院毕业，主要从事测试技术、无线通讯技术研究。