發布日期：2022-05-20 點擊率：37
引言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是一種通過無線電信號來識別并讀取特定目標信息的通信技術。射頻識別系統主要包括3部分：標簽、讀寫器、天線。讀寫器與標簽之間通過天線傳輸射頻信號。RFID作為物聯網關鍵應用技術之一，已成為市場關注的焦點，行業發展前景十分廣闊。按照標簽內部是否帶電源，可分為有源標簽和無源標簽;按照標簽的工作頻段，可分為低頻標簽、高頻標簽、超高頻標簽和微波標簽。隨著RFID技術的逐漸成熟，國際上制定了一些通信協議標準，標準中規定了讀寫器與標簽通信的物理介質、通信速率、編碼方式、調制方式等。目前經常使用ISO 14443系列、ISO15693系列和ISO 18000系列等標準。
如今RFID技術發展成熟，應用廣泛，標簽的種類繁多。但目前市面上RFID讀寫器的通信頻率固定，且一般只滿足某一種或者兩種ISO協議標準。頻率相同且遵循的通信協議相同，是標簽和讀寫器能正常通信的必要條件。對于工作在某種頻段并符合某種通信協議的標簽，只能選用滿足這種頻率和這種通信協議的讀寫器才能讀取。目前，市場上那些頻段固定、通信協議單一的射頻讀寫器已經不能滿足實際生產的需求了。
基于此，本文所設計的RFID讀寫器可根據待讀取標簽的頻率及協議的不同，調整自身的參數信息，以實現多種標簽的讀取。還可以提高讀寫器的利用率，減少RFID讀寫器的種類，降低讀寫器的成本，給使用者提供方便。
1 系統方案設計
RFID讀寫器選用STM32F103VET6芯片作為主控制器，與標簽通信的部分選用CC1101射頻收發模塊。讀寫器結構如圖1所示。
主控制器STM32F103VET6與射頻收發模塊CC1101之間通過SPI接口傳輸數據，CC1101負責與標簽通信。液晶顯示模塊用來顯示讀寫器系統的狀態和所讀取的標簽信息。讀寫器可以通過Wi—Fi無線收發模塊和其他設備無線通信，可以將讀取到的標簽信息傳送到遠端。
讀寫器在與標簽通信時，信號最終是以電磁波的形式傳播的。STM32F103VET6將要傳輸的數字信息編碼后傳輸給CC1101，經CC1101調制成高頻的射頻電磁波RF1傳播出去。標簽接收到RF1信號后，將自身的信息調制成RF2發送出去。讀寫器中的CC1101將RF2射頻信號解調，再經STM 32F103VET6處理器解碼，獲得標簽的數據信息。整個通信過程如圖2所示。
RFID讀寫器和標簽之間的信息能否準確地進行交換，與兩者的數據編解碼方式、數據格式、調制解調方式，以及傳輸速率有關，通信協議對此進行了規定，通信協議的結構框圖如圖3所示。
為實現對不同頻段、不同通信協議的標簽的讀取，RFID讀寫器需要解決頻率可調和通信協議可變兩大問題。對于頻率問題，讀寫器通過設置CC1101的頻率寄存器來設定頻率，這屬于系統軟件設計的內容;同時，通過改變CC1101外圍電路的元件參數值以匹配所設定的工作頻段，這屬于系統硬件設計的內容。對于協議問題，編解碼方式和數據格式可以通過在主控制器STM32F103VET6中編程實現，調制解調方式和傳輸速率都可以通過配置CC1101中的調制器配置寄存器實現，對協議的設置均屬于系統軟件設計的內容。
2 讀寫器系統硬件設計
讀寫器系統硬件部分包括STM32F103VET6主控器、CC1101射頻收發模塊、液晶顯示模塊、Wi—Fi收發模塊等。讀寫器通過CC1101射頻收發模塊與標簽進行通信，讀寫器硬件設計中最關鍵的是CC1101射頻收發模塊的外圍匹配網絡的設計。
2.1 射頻收發模塊
本設計中選用的CC1101射頻收發模塊可工作于300～348 MHz、387～464 MHz和779～928 MHz頻段，通過配置CC1101中的頻率寄存器可很方便地實現CC1101工作頻率的設定。圖4和圖5構成了整個CC1101射頻收發模塊。
圖4是CC1101的引腳連接圖，CC1101通過SPI與STM32F103VET6相連。圖5是連接CC1101的射頻端口和天線的匹配網絡圖。外圍匹配電路可以進行阻抗和頻率的匹配。當CC1101的頻率寄存器中值改變時，外圍匹配電路也需進行調整，才能適應CC1101設定的各工作頻率。
經CC1101的射頻端口RF_N與RF_P輸入、輸出的都是差分信號。與射頻端口相連的是一個巴倫轉換電路，實現差分信號和單端信號的轉換。與巴倫轉換電路的另一端相連的是兩個L型網絡，用來濾波和進行阻抗匹配。最末端連接的是天線，可以發送和接收電磁波。CC1101可以在發送模式和接收模式之間進行切換。
CC1101工作頻段較寬，一套固定的匹配網絡無法滿足工作頻段內的所有頻率。本設計中采用了兩套匹配網絡，分別對應300～410 MHz頻段和410～928 MHz頻段，從而覆蓋CC1101所有工作頻率。這兩套電路網絡只是元件參數值不同，它們的結構一致，均如圖5所示。兩套電路中均有可調電容與電感，通過改變可調電容C1和可調電感L1的值可設定對應頻段內的任意頻率點。圖6給出了頻率設定的仿真結果，其中各子圖的中心頻率分別設定為328 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz。
圖6中這4條曲線的最高點對應的就是匹配網絡的中心頻率。由仿真結果可知，圖5所示匹配網絡電路可以實現中心頻率可調，解決了與CC1101中設定的工作頻率的匹配問題。
讀寫器設計"/>2.2 液晶顯示模塊
液晶顯示模塊可顯示讀寫器的狀態信息及讀取到的標簽信息，本設計使用MG-12864型液晶顯示器。MG-12864是128(列)×64(行)點陣的液晶顯示模塊，點陣式液晶顯示具有顯示信息量大、功耗低、壽命長等特點。
MG-12864內含漢字字庫，顯示漢字時只需調用即可，十分方便。用MG-12864作為讀寫器的顯示終端，可實時顯示讀寫器當前狀態和讀取的標簽信息。
2.3 Wi-Fi收發模塊
Wi—Fi收發模塊選用Marvell公司的低功耗SoC88W8686芯片組成的WM-G-MR-09模塊。WM-G-MR-09模塊符合2.4 GHz的Wi—Fi標準，封裝尺寸小，與主控制器STM32F103VET6的SPI接口相連。
添加Wi—Fi收發模塊可以使讀寫器的工作范圍更廣。讀寫器可以做成便攜式，在讀取到標簽信息后通過Wi—Fi收發模塊將標簽數據經具有Wi—Fi標準的無線路由上傳給服務器，可以作為物聯網的終端使用。
3 讀寫器系統軟件設計
RFID讀寫器和標簽之間信息的交換遵循的協議和讀寫器中心頻率的調節可通過系統軟件設計來完成。圖7給出了整個系統的軟件流程圖。
CC1101可以完成信號的調制與解調。3種基本調制方式為頻移鍵控、幅移鍵控、相移鍵控。本設計中選用的CC1101芯片可以支持這3種調制方式，并能進行相應的解調。系統初始化時配置CC1101的MDMCFG2寄存器，可選擇與標簽一致的調制解調方式。
CC1101有可編程控制的數據傳輸率，最高可達500kbps，系統初始化時配置MDMCFG3寄存器和MDMCFG4寄存器，可實現設置任意數據傳輸率，從而匹配不同的標簽。
數據幀格式也可以通過編程實現。按照標簽符合的數據幀格式編排讀寫器欲發送的數據，為數據加上幀頭與幀尾，還可以根據數據編程生成CRC校驗碼。讀寫器接收標簽信息時，同樣根據標簽的數據幀格式，將數據包分解，還可以根據CRC校驗碼檢驗數據的正確性。
圖8給出了編程實現的二進制信號經FM0編碼后再進行FM0解碼的結果對照圖。
軟件編程的重點是實現多種數據編解碼方式。目前，RFID領域廣泛使用的數據編解碼方式有FM0編碼、PIE編碼和Manchester編碼等。而這些編解碼方式都可以容易地用編程實現。數據在主控制器中編解碼并按照一定的數據幀格式打包和分析，不受無線收發芯片對編解碼方式，以及數據幀格式的限制，設計出來的讀寫器可以滿足多種編解碼方式和數據格式的電子標簽。
從圖8中可以看出，原始信號經FM0編碼后再由FM0解碼的結果和原始信號一致，證明編程實現FM0編解碼很成功。其他編解碼方式類似，也可編程實現。
結語
本文給出了一種頻率可調、協議可變的RFID讀寫器的設計方案。讀寫器能實現工作頻率可調，支持多種通信協議，能與多種標簽通信等功能，且適應性強、成本低，給RFID的應用帶來了極大的方便。
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