硅谷杂志：基于STM32的UHF RFID读写器基带编解码的实现 |
| 2012-12-13 14:31 作者：王成 李文钧 王彬 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，为实现低成本的符合EPCC1G2的UHF读写器，将编解码部分的实现放到STM32中，前端经过比较器。发送部分编码采用的是PIE编码，通过定时间准确定位定时间隔，从而实现方波的输出。接收部分采用的是FM0编码，因为射频前端采用的是IQ两个通道，所以预先用ADC采样，来选取其中一个通道来解码，然后通过STM32的定时器捕获功能，将每个脉冲的脉宽采样回来，最后与0，1标准脉宽比较实现解码。
0引言
RFID（radiofrequencyidentification）技术是指以识别和数据交换为目的，利用感应、无线电波或微波进行非接触双向通信的自动识别技术，利用这种技术可以实现对所有物理对象的追逐和管理[1-2]。作为一项高新技术，射频识别技术在国外尤其是发达国家的发展可谓非常迅猛，在各行各业都出现了应用。中国作为世界第二大经济体和世界经济发展的主要推动力已成为RFID技术最具潜力的市场，新兴的市场对新兴科技的需求是强烈的，因此我国也在大力的进行RFID技术的发展。射频识别技术根据载波频率的不同可以分为低频、高频、超高频等频段。其中，UHF射频识别技术是现在发展的前沿，具有读写距离远、读取速度快、标签成本低和体积小等特点。2006年EPCglobal（全球产品电子代码管理中心）纳入ISO/1EC18000-6C标准，批准了新标准EPCGen2，用于900MHz的UHF的RFID技术规范[3]，现在作为我国第1类第2代UHFRFID860MHz-960MHz通信协议标准。
目前该技术虽然已经在一些领域有了不错发展，但是UHFRFID的读写器成本还很高，在一定程度上阻碍了技术的普及，一些大公司例如Impinj，其读写器产品售价数万元。国内的一些企业如远望谷和瑞福科技等公司的读写器产品售价也都在五千元上下。因此需要在保证一定性能的情况下进一步降低成本将在一定程度上推动UHF射频识别技术的普及。
本文介绍的一种UHF频段的低成本RFID读写器设计，单片机采用的是STM32F207来实现，因为射频前端采用的是分离器件实现的，所以具有成本低灵活度高的优点，但同时通信中繁重的编解码任务交给单片机来完成，本款单片机主频可以达到120MHz，ADC采样率达到了1MHz，很好的满足了我们的要求。本文先简单介绍了EPCGen2标准通信协议，然后介绍了读写器平台硬件设计的基本框架图，最后重点对数据基带处理部分（包括PIE编码和FM0解码）做了详细介绍。
EPCGen2标准规定：工作频率在860MHz-960MHz之间的读写器，发送部分采用的是PIE编码，接收部分采用FM0编码。
1EPCGen2标准通信协议
1.1EPCGen2标准通信协议简介
EPCGen2标准通信协议规定了读写器与标签之间通信的物理和逻辑要求，采用读写器先发言的形式。读写器在与标签通信过程中，主要通过Select、Inventory、和Access这三条命令来实现对标签的操作。
EPCGen2标准规定：工作频率在860MHz-960MHz之间的读写器，发送部分采用的是PIE编码，接收部分采用FM0编码。
1.2PIE编码原理
EPCGen2标准通信协议规定从读写器到标签（R=>T）的前向链路基带部分应采用PIE编码，信息格式如图1所示。其中，Tari由读写器发送信号到标签，用于标签解码使用的参考时间，也是数据0（data-0）持续时间。协议中物理层规定使用发送CW连续载波代表高电平，而发送衰减的连续载波代表低电平。脉冲宽度PW对于数据0（data-0）与数据1（data-1）是相同的。根据高电平持续的时间的不同来表示数据0和数据1。
图1
1.3FM0编码原理
FM0编码全称为双相间隔码编码。标签通过直接调制由读写器发送过来的射频能量并反射回读写器，从而实现将标签到读写器的反向链路通信。
FM0编码的信息格式：图2分别显示了FM0编码的基本格式和生成状态图。FM0在每个脉宽周期倒转基带相位，而数据0脉宽中间会有附加相位倒转。S1-S4状态标记代表四种可能的FM0编码格式，代表个FM0可能出现的基本格式的相位关系。这些状态标签之间的数字代表当传输波形由一个状态转换到另一个状态时，需要键入的数据类型（data0或data1）。由于FM0编码序列选择依赖于先前比特波形，由此FM0编码需要存储器来存储前一编码比特的波形。
图2
2读写器硬件基本框架
在读写器设计中，射频前端的采用分离原件搭建，发射通路通过调制PA实现幅度调试，接收通路通过微带线分离发射的干扰，然后通过I、Q相干解调得到基带信号。其系统硬件设计结构如3所示。
图3
3PIE编码
基于PIE编码高电平采用不同的脉宽，而低电平是确定值，所以我们设置了低电平的脉宽为一个定值，即PW，data1为一个长得定时间隔，data0为短的定时间隔。基于PIE编码的特性，每个数据之前都会实现高低电平的翻转，所以我们采用定时间的翻转模式，这样没到达定时长度时，电平实现翻转。根据bit位为data0还是data1来实现定时器定时间隔为长得定时间隔还是短的定时间隔，直到所有比特位输出完为止，程序流程图如4所示。
图4
4FM0编码
接收部分采用的是FM0编码的模式，根据硬件系统架构图知道，接收回来的IQ信号，同步并行的一路进步ADCpin，一路通过比较器进入定时器外部捕获管脚。在进行解码之前，先通过ADC采用，捕捉两路信号，通过计算捕获的两路信号的幅度的均方差，选取均方差大的那路作为解码使用。因为ADC采样采用的是DMA控制，所以在ADC采样的同时，IQ信号也通过比较器到达了MCU，MCU主控制也在捕获这通过比较器的脉宽长度。通过ADC采用判断出I信号和Q信号哪个更好一点，来选取哪一路进行解码。因为在读写器发送的时候，已经确定了反向链路频率，因此可以估计一个数据的脉宽。通过比较脉宽在哪一个数值范围，同时再遇到比较模糊的范围的时候，可以继续通过比较下一个捕获脉冲的范围，来确定这次捕获脉冲为数据0还是数据1，从而实现解码。程序流程图如5所示。
图5
5结束语
在实现低成本的UHF读写器的时候，由于节省成本，所以把编解码部分放到MCU中来处理，MCU任务加重。通过本文叙述的方法可以很好的实现编解码，在7米范围内解码率可以达到90%，从而很好的配合了射频前端的分离器件的功能，这种实现方法在读写器设计中起到了至关重要的作用。
感谢浙江省重点科技创新团队“智能识别关键技术与应用”（2010R50010）对项目的支持，感谢扬州稻源微电子有限公司系统集成部的同事的帮助与合作。
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