基于物流仓储管理的RFID读写器设计 - 通信/网络 - 电子工程

RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术是一种利用无线射频通信实现远距离识别的非接触自动识别技术。与现代物流领域普遍使用的条码技术相比，它在读写距离、保密性、智能化、环境适应能力以及使用寿命方面都有显著的优势。
　　
目前，世界范围内针对RFID的物流应用存在两种编码体系，一种是日本UID(Ubiquitous ID)中心提出的UID编码体系，另一种是美国EPC(Electronic Production Code，电子产品代码)环球协会提出的EPC电子产品编码标准。这两种标准在所使用的无线频段、信息位数和应用领域等方面都有所不同。而我国还没有自己正式的标准，但是有关RFID在900MHz频段应用的电磁检测工作已经基本完成，我国最为关心的是I

SO18000~6标准。本质上EPC标准和 IS018000并不矛盾，对于物流应用，EPC标准则更为完善。
　　
另外，对于物流应用来说，成本是企业最关心的问题。在满足需要的前提下，选择最低成本是首当其冲的。UHF(915MHz)射频工作距离大概在10m左右，已经能够满足物流应用的需求，而且成本要比微波段低得多。特别是UHF射频允许采用相对较小的方向性天线，这将使读写器的辐射波束定向到一个特定的区域，这种特点使读写器能够抵御来自于其他读写器或发射机的潜在干扰。
　　
鉴于上述情况，为了促进RFID系统在我国物流仓储管理领域的大规模应用，本文提出了一种基于物流仓储管理应用的读写器设计方法。该读写器的设计参照 EPC标准，采用915MHz工作频率，以某公司的RFID标签芯片的读写为目标，电路设计简单，应用灵活，生产成本低廉。
　　
1 标签功能简介
　　
本设计所采用的标签为工作在860MHz～960MHz的长距离无源标签，符合IS018000-6标准，工作距离可达8.4m(具体视天线情况而定)，尤其适用于美国物流供应链管理和后勤保障系统。该标签主要有如下特点：
　
(1)通过RF前端的模拟电路将天线接收能量部分转化为电量，为内部电路供电。
  
(2)内部包含有16位CRC(循环冗余校验)编码，具有很高的数据完整性。
  
(3)拥有快速防冲突机制，运用自身防冲突算法实现了真正的内部冲突判断以及防冲突。
  
(4)采用64位EPC编码，且内部包含216字节用户自定义存储空间。
　　
当标签进入RF区域后，标签被激活。如果RF区域信号强度达到标签工作能量的需要，则标签进入准备工作状态，等待接收读写器发送的指令。标签接收以及发送的数据都将经过CRC进行差错校验。同时，还通过曼彻斯特编码以及FM0编码对数据进行进一步的保护，以此来保证数据的安全性。读写器通过外部命令结合标签内部防冲突算法来实现多个标签数据的同时读取与写入。
　　
2 RFID读写器设计
　　
2．1 硬件设计
　　
RFID读写器应用在仓储管理中，除完成简单的射频信号收发处理之外，还需要连接上层仓库管理系统(Warehouse Management System，WMS)，将接收到的标签信息传送到WMs中，以便于系统完成仓库的入库、盘点、出库管理等操作。同时，将物品的货位等信息通过WMS写入物品标签。所以读写器总体结构包括四个模块：接收/发送模块、控制模块、对外接口模块和供电管理模块。射频电路的发送和接收模块均由射频信号形成和信号处理两个单元组成，射频功率放大器对已形成的射频信号进行功率放大，线性放大器对所接收到的射频信号进行线性放大。所选芯片如表1所示。


　　
在射频电路设计中，防止和抑制电磁干扰，提高电磁兼容性，是非常重要的环节。要选择介电常数公差小的基材，并对电路的射频部分和数字部分进行分块处理。射频部分应尽量使用SMT(表帖式)元件，减少过孔，并在表面加接地金属屏蔽层。各模块具体设计如下所述。

1 接收/发送模块
　　
接收/发送模块功能框图如图1所示。收/发及调制解调芯片选用TI公司的TRF6901，功率放大芯片选用Freescale半导体器件公司的 MW4IC915GMBR1芯片，线性信号放大芯片选用RF微器件公司的RF2132。TRF6901芯片内部集成了完整的射频接收和发送电路，可以组成一个半双工射频收发电路。其工作频率可以通过编程进行微调，频率范围为860MHz~930MHz。MW4IC915是为GSM应用而设计的一款宽频带功率放大芯片，它采用了Freeseale公司最新的大电压LDMOSIC技术，可以工作在750MHz～1000MHz频段内，线性性能几乎覆盖整个应用频段。RF2132是砷化镓异质结器件(HBT)，能够很好地满足射频电路对放大功率、效率以及供电电压的要求。


　　本设计中各芯片工作频率为915MHz。TRF6901调制方式为OOK，这可通过将内部B寄存器第4位置零来实现。

TRF6901将所需发送信号通过 PA引脚送至MW4IC915的REIN引脚，对信号进行功率放大之后，由天线发射出去；天线接收来的信号通过RF2132对其进行线性信号放大，之后进 TRF6901的LNA引脚，由TRF6901对接收信号进行处理，完成读写器前端的数据交换任务。
　　
2．1．2 对外接口模块
　　
图2所示的对外接口模块为电平转换电路，主要器件为ICL232。ICL232芯片完成读写器内部TTL电平与RS-232电平的转换，通过连接标准9针串口与外部计算机连接。它是一款符合EIA RS-232标准和V28规范的双向RS-232发送，接收接口芯片，负责完成电路的TTL/CMOS电平到标准串口电平的转换，并能通过滞后改善数据接收的噪声抑制。引脚l与3之间接1μF电容，引脚2通过1μF电容接5V电源，三个引脚构成+5V电平到+1OV电平的转换电路；引脚4与5之间接1μF 电容，引脚6通过lμF电容接地，三个引脚构成+IOV电平到-10V电平的转换电路。

　　
2．1．3 控制模块
　　
控制模块结构如图3所示。读写器内部控制任务主要由W77E58芯片完成，它是一款兼容8051的8位CMOS快速MCU。同8051相比，它减少了机器指令执行时间以及存储周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持无外部存储元件的片上1KBSRAM，节约了更多的I/O引脚。它拥有四个8位I/O端口和一个附加的4位I/O口以及等待状态控制信号，三个16位定时，计数器，12个两中断优先级的中断源，两个加强型全双工串行通信端口以及可编程看门狗定时器；只需外加复位、晶体振荡电路和供电电路即可。

　　
本设计中，w77E58工作频率为40MHz。它的P1口连接TRF6901各个控制引脚，完成对收发芯片的控制并提供数据传输所需时钟信号等；串口1连接TRF6901的数据收发端，实现数据的串行通信。MCU串口0连接芯片ICL232，通过异步通信完成数据传输，只要设定w77E58串口1工作在方式l，选择与计算机同样的波特率即可。该部分设计主要集中在程序设计部分，将Pl口当作普通I/O口用即可。
　　
2．1．4 供电管理模块
　　
供电管理模块电路原理图如图4所示。LM317T是一个三端电压调节装置，通过改变可变电阻R6的值，可提供1.2V～37V的供电电压。同时提供IC负载过电保护。供电管理模块电路的输入端与输出端均并联一个适合于滤除低频噪声的钽电容和一个适合于滤除高频噪声的独石电容，以提高电源的品质。

　　
2．2 软件设计
　　
读写器软件设计主要包括主程序设计和标签读写防冲突程序设计两部分。
　　
2．2．1 主程序设计
　　
读写器应用在物流储管理中，需要连接上层WMS系统，所以读写器工作在PC机监控之下，PC机与读写器以主从方式通信。如图5所示，本设计中由于收发芯片内部工作方式通过外部引脚连接MCU对内部寄存器编程进行控制，所以主程序中还包含工作方式修改程序，提高了读写器应用的灵活性；同时还包括RSSI (信号强度检测)，大大改善了读取数据的正确性。MCU在完成了正常的上电复位以及初始化过程之后，PC机提示用户是否要进行内部工作方式设定及修改，如果需要，则转去处理工作方式修改程序，否则MCU进入准备工作状态，准备接收PC机发送的相关执行指令。MCU接收到指令后转去处理相关程序。处理完毕，返回结果信息并再次进入等待状态。


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2010-7-12 14:13:11 上传
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2．2 防冲突程序设计
　　
防冲突程序设计是读写器程序设计中的一个重要组成部分。当读写器进入工作状态时，在其天线覆盖范围内的所有标签将被激活，处于等待状态，随时准备响应读写器指令操作，这就造成了标签读写冲突。为了解决这一问题。标签内部设计了自带防冲突机制，只需利用相关的指令集辅助设计一种防冲突程序即可。防冲突程序流程图如图6所示。当处于激话状态的标签接收到读写器SELECT命令时，便发送自身UID给读写器。此时如果有一个以上的标签同时发送UID，则读写器翔定冲突发生，发送FAIL命令给标签，标签通过内部防冲突算法对自身相关参数值进行修改。之后，符合条件的标签将再次发送UID给读写器，由读写器判定冲突，重复上述操作，直到只有一个标签符合条件，则跳出防冲突程序，进入标签后续处理程序，同时，剩余标签自动修改自身相关数值，为下一次读取做准备；如果此时没有符合条件的标签，则读写器发送SUCCESS命令，标签修改自身参数，等待读写器检测命令。


　　
本文在深入分析当前RFID系统在物流仓储管理领域应用背景的基础上，提出了一种基于物流仓储管理的读写器设计方法。该读写器设计简单，应用灵活，生产成本低廉。今后将在实际的物流仓储管理中应用该读写器，并针对实际应用中出现的读写速度、距离、保密性等方面的一些问题，对读写器设计做进一步的改进，以使其总体性能有大幅度的提高，促进RFID系统在我国物流仓储管理领域的大规模应用。

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