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摘要：在国际上运用的较为管饭的识别技术莫过于超高频射频识别系统，该抗干扰性强、穿透性强、读写速度快、标识速度快等优势受到各个领域的青睐，尤其是物流行业。
关键词：RFID；超高频；读卡器
引言：RFID技术（Radio Frequency Identification），又被称为无线射频识别技术，是目前全球先进通信技术中的一种。RFID产业是全球关注的热点产业之一，其中UHF频段RFID系统设计是其中的核心部分，该技术具有尺寸小、抗干扰性强、穿透性强、读写速度快、标识速度快等优势受到各个领域的青睐，尤其是物流行业。
一、读卡器
读卡器一般由射频信号处理模块、基带信号处理模块、控制单元以及和外部设备连接的接口模块等组成。射频信号处理模块主要实现三大功能：一是通过天线发射足够功率的射频电磁波，以激发电子标签并为其提供能量；二是对发射信号进行调制，然后将已调制的信号数据转化为电磁波传送给标签；三是接收并解调来自电子标签的射频信号。为了处理往来于应答器的两个方向上的数据流，射频信号处理模块有两个不同的信号通道，传送到电子标签中去的数据通过发射电路分支，而来自于电子标签的数据通过接收电路分支处理。
控制单元的主要功能：与上层应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编码与解码。对于某些特定系统还有以下的附加功能：执行防碰撞算法；对电子标签与读卡器之间要传送的数据进行加密和解密；进行电子标签和读卡器之间双向的身份验证。
二、RFID读写器的硬件设计
2.1 RFID读写器的发射部分
RFID读写器发射部分工作流程如下：首先，将ARM微处理器的工作频率设定在合适的数值内，锁相环频率合成器便会向功率分配器传输指令进行控制。功率分配器在接受带传输指令后，便会将信号转化为本振频率（Local Oscillator）的若干分路，将其中的一条分路发送至混频器，另一分路发送至系统的接收电路，接收电路的信号转化为变频的本振信号。随后FPGA编码读取指令，同时向混频器传输 序列的编码器（encoder）信号。其次，混频器完成信息源和载波信号编码工作，从而形成调制低频信号，带通滤波器对调制低频信号进行滤波处理后发送至功率放大器，由于ARM需求设置功率要求需要将功率放大器对调制低频信号进行放大处理。最后通过环形器将信号放大后发送至天线并发射出，而环形器在经过滤波整流后将信号转化为直流信号传送至FPGA从而完成功率检测程序。
2.2 RFID读写器的接收部分
RFID读写器的接收部分工作流程如下：指令发送至天线后，指令信号经由环形器传输至带通滤波器，带通滤波器完成指令信号进行滤波处理后，将指令信号传输至小信号放大器，指令信号被放大后输送至功分器。随后，混频器将混合本振频率和载波信号，对相移键控中的相关平率信号进行解调处理，设置适合的电压，通过放大器再放大后传输到滤波器，滤波器将信号中残留的载波清理完毕。最后，通过电压比较器在比较信号电压和基准电压后设定电压值，在还原成标签处理后传输至基带信号，从而发送至FPGA完成处理。
2.3 RFID读写器的主控部分
该系统的主控部分主要负责各个部分的协调工作，避免指令之间出现冲突，RFID读写器主控部分设计原理如图2所示。ARM微型处理器会协调读写器内部的各项功能，读写器内部主要工作如下：第一，在系统启动时将配置数据发送至FPGA，完成FPGA的初始化工作。第二，保障读写器与计算机之间的信息流通，同时对信号发送的功率进行控制。第三，通过电压比较器在比较信号电压和基准电压后设定电压值，来控制系统灵敏度。第四，在标签读取中将标签制定传输至FPGA，从而保证在中断的状态下对FPGA完成启动接收，实现防冲突标签信息的处理。
三、RFID读写器的软件设计
由于技术指标、系统运行、外部接口等要求，该软件具备了以下功能：第一，主控制器接收指令，然后辨别命令的的类型与内容，接收指令后由主控制器完成基带编码。第二，主控制器完成基带编码传送后将信号发送至调制解调器，调制解调将完成对信号的调整、编码、滤波功能等程序。第三，在该软件的功率放大模块中完成指令的放大处理与天线相适应，在指令的发送和接收都是由天线完成。在多有指令操作完成后，在接收射频信号的过程由上述的反过程完成。
四、读卡器软件设计
4.1 读卡器固件设计。读卡器固件一方面对外提供通信接口协议，另一方面在内部完整封装18000-6C协议，同时还完成对ADF7020的初始化及读写控制。外部接口协议层完成读卡器同上位机之间的通信，本方案中，读卡器与上位机之间通过USB接口通信。无线通信控制层对射频模块进行初始化，并控制射频模块的收发功能，完成与标签之间的无线通信。而固件中封装的ISO18000-6C协议定义了读卡器与标签之间的工作流程及各种接口参数，包括编解码、调制解调、防碰撞机制等等。
4.2 读卡器工作流程。主控系统在上电复位之后，对各寄存器进行配置，初始化射频模块，然后开中断，等待上位机的命令。当上位机发送识别命令时，主控系统则产生中断依据命令执行相应功能，即开始进入标签识别流程。
4.3 USB通信。在实现单片机8051F340同电脑之间的USB通信的工作中，按照USB2.0协议规范，在VS2005开发环境下，编写MFC应用程序，实现单片机同电脑之间USB通信的连接建立，以及数据交换的部分功能。另外，可将应用程序同数据库连接，以便存储主控系统传送到上位机的标签信息。如此，在终端机上则构成了一个完整的读卡系统。
当单片机没有与电脑通过USB相连时，USB状态为“Disconnected”。当单片机同电脑之间成功建立USB连接后，USB状态转变为“Connected，Idle”，但此时单片机处于Idle（闲置）状态，仅表示单片机与电脑之间已成功建立USB连接，但不接受电脑除“Connect”之外的任何命令。当点击“Connect”按钮后，USB状态将转变为“Connected，Active”，即表示单片机被激活，此时可与电脑进行正常通信。
五、超高频RFID存在的问题
虽然超高频RFID已经普遍，但在我国，目前应用领域主要是在低频段射频技术上，在交通，物流等超高频段的工程领域仍然未能得到广泛应用。其问题主要有：1）性能问题。RFID标签所发出的电波具有方向性及讯号容易被金属或者液体阻断。即使问题已发展处解决的方式，但是未来仍有更多的RFID技术发展的挑战。2）标准问题。由于国内尚无统一的RFID国家标准，EPC，ISO，UIC等主要标准之间竞争日益强烈，标准的同一问题严重制约着我国RFID的发展。3）隐私泄密问题。由于RFID标签本身具有被追踪的功能，倘若标签没有被适时关闭或者使用者不知道有标签存在时，容易在使用过程中让个人隐私曝光。4）成本问题。在技术不断改善、使用者不断增加之下，RFID技术的未来价格势必降低，但这将会考验企业如何使用技术能够被善用到流程之中，使整体效率大幅提升。
六、案列
（1）自动识别技术在近几十年中取得了长足的发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条（卡）技术、射频技术、光字符识别技术、生物识别技术、远距离读写器等集计算机、光、机、电、通讯等技术为一体的高新科技技术。
通常，远距离读写器标签内部所需要的能量比阅读器小得多，这就要求阅读器的接收灵敏度很高。在某些系统中，远距离读写器中的接收和发射相互独立，特别是上行信号和下行信号频率不同时经常采用这样的结构。
技术上讲，有可能选择对不同应用全合适的功率值，但有时必须服从一些人为的限制。通常100mW~500mW的发射功率适用于各种RFID远距离读写器系统。在不同的地区、不同领域远距离读写器必须服从无线电电波管理委员会的规定。
SOLID-399X远距离读写器具有多协议兼容、读取速率快、多标签识读、线极化天线、防水型外观设计等优点，可广泛的应用于各种RFID系统中，非常适合客户基于该硬件平台做二次开发。
SOLID-399X远距离读写器典型的应用场合有：
物流和仓储管理：物品流动与仓储管理以及邮件、包裹、运输行李等的流动管理；
智能停车场管理：停车场的管理与收费自动化；
生产线管理：生产工序定点的识别；
产品防伪检测：利用标签内存储器写保护功能，对产品真伪进行鉴别；
其它领域：在俱乐部管理、图书馆、学生学籍、消费管理、考勤管理、就餐管理、泳池管理等系统都得到了广泛的使用。
解决说明
当远距离读写器上电并连接上PC后，PC上位机软件将能够识别到读写器，此时代表读写器已经正常工作，当标签接近远距离读写器时，上位机软件将显示该标签的信号强度及标签ID。本RFID读写器可以同时读取多个标签ID。
该远距离读写器使用射频感应读取标签数据，使用读写器时应尽量避免与金属接近，当读写器靠近金属时，射频电波将被金属吸收屏蔽，而会导致读写器读卡距离缩短。同时读写器安装位置应远离马达（电机）、变压器等设备，以减少对读写器的影响。
该远距离读写器可根据实际应用需要，配合合适增益的定向天线（5.5dBi、8dBi等）发挥最优的性能。
（2）案列二
超高频射频识别系统采用的频率主要位于ISM频段，基于ISO18000-6标准的射频识别系统的频率主要位于860~930MHz，常用频率为915MHz.在该频段下，电子标签的识别距离一般能达到1~10m，而电子标签的识别距离取决于读写器的输出功率，识别距离越远，其被识别的准确率越高，但同时读写器输出功率越高，其造价及技术难度将越高，实际应用中，一般根据系统要求来确定实施案列。
2.1读写器的编解码模型设立
在RFID中，为了使读写器在读取数据时能很好地解决同步的问题，往往不直接使用数据的NRZ码对射频进行调制，而是将数据的NRZ码进行编码变换后再对射频信号进行调制。在ISO18000-6TypeB协议下，使用的是曼彻斯特编码。其编码原则是，当原始数据为“1”将其编码为“10”；当原始数据为“0”，将其编码为“01”。这种编码的特点是每个码元中间都有跳变，低频能量较少，便于接收端提取时钟信息。
仿真实现时，用一个频率为原始数据发送频率2倍的矩形波与原始数据做异或运算即可实现曼彻斯特编码。对曼彻斯特编码进行解码的目的是从接收到的曼彻斯特码流中恢复出原始信号，仿真实现时可以使用和编码相反的方法，即用一个频率为原始码流一半的矩形波与原始数据做异或运算即可实现曼彻斯特解码，其仿真模型如图2所示，仿真结果如图3所示。曼彻斯特编解码后的输出信号与原始信号保持一致，符合要求。
2.2读写器的调制解调建模
按照从读写器到电子标签的传输方向，读写器中发送的信号首先需要经过编码，然后通过调制器调制，最后传送到传输通道上去，基带数字信号往往具有丰富的低频分量，因此必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。2ASK调制是基于ISO18000-6标准下RFID系统最常用的调制方式，其原理利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。
2ASK信号可以表示成具有一定波形的二进制序列与正弦波的乘积，即：
式中：A为振幅；Ts为码元持续时间；g（t）为持续时间为Ts的基带脉冲波形，为简便起见，通常假设g（t）是高度为1、宽度等于Ts的矩形脉冲。解调和调制的实质一样，均是频谱搬移。调制是把基带信号搬移到载波位置，这一过程可以通过一个相乘器来实现。解调则是调制的反过程，即把在载频位置的已调信号的频谱搬回到原始基带位置，因此同样可以用相乘器与载波相乘来实现。
结束语
超高频读写器对系统的要求比较高，它要求数据传输和处理速度快，增强了数据的处理速度的同时也适应不断增加的 RFID标签和读写器之间数据传递量。另外，作为控制器其处理速度快，接口资源丰富，可扩展性强，为以后在实际应用中读写器的升级扩展打下良好的基础。经过测试该读写器在同类型产品设计中具有一定优势，各项性能都符合系统设计要求。
参考文献：
[1]肖菊兰，张红雨.超高频FRID读写器设计 2013.9
[2]王晓华，周晓光，孙百生.超高频射频识别读写器设计 2015.2
[3]尚 锐.一种超高频 RFID读写器的设计 2014.7
论文作者:殷文聪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/11
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