1．引言
無線射頻技術 RFID(radio frequency identification)是20 世紀90 年代興起的一種非接觸的自動識別技術，利用其射頻信號空間傳播的特性——通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息來實現對被識別物體的自動識別。識別過程不需要物理接觸，不需要人工管理即可完成標簽信息的寫入和讀取。采用RFID 技術，可以一次性實現對多個目標以及運動目標的識別。此外，電子標簽是可讀寫的，能儲存大量信息，安全性保密性強，并且不怕外部灰塵、污漬等，具有較強的環境適應能力。正是由于具有這些其它識別方式不具備的優勢，RFID 技術在物流、運輸、交通、生產、防偽等領域有著廣泛的應用和巨大的發展前景。
本文以 AS3990 芯片為核心設計一種以MSP430f149 芯片為控制器的超高頻RFID 手持式讀寫器。對于符合EPCGen2 標準的電子標簽，它能完成的所有讀寫及控制操作。其移動智能管理功能主要應用在物流、供應鏈、倉庫等場合。
2．系統概述及設計原理
在無線射頻識別系統中，RFID讀寫器是用來識別標簽并將采集到的數據信息送入后臺進行處理的關鍵設備，對保證RFID 系統的正確性和可靠性工作中具有關鍵作用。同時RFID讀寫器也可以對標簽進行寫操作，將信息存儲在標簽中。讀寫器的設計是完全以ISO/IEC18000-6C 標準協議為基礎的。
2.1 ISO/IEC18000 -6C 協議簡介
ISO/IEC18000-6C 協議規定在數據傳輸時, 先傳輸高字節, 并且其前向鏈路的調制方式都是采用ASK, 并用PIE 編碼, 防沖突算法是基于概率和分槽算法;其后向鏈路則是通過反向散射調制技術來實現數據傳輸, 可以選擇密勒編碼或者FM0 編碼。6C 標準采用了相對簡單的加密算法以防止在讀寫器獲取標簽信息的過程中, 把敏感數據擴散出去。此算法僅在讀寫器給標簽傳送數據時對信息進行加密, 而標簽傳送到讀寫器的數據信息是不加密的, 其實現過程是讀寫器將從標簽獲得一個16bit 寬隨機數與將要傳送的16bit 寬數據進行模2 和計算得到密文, 然后由標簽解密獲得讀寫器發送的原始數據。
2.2 防沖突機制
在標簽內具有一個16 位的隨機數發生器，以解決防沖突算法問題。查詢命令含有槽計數器參數Q。標簽在收到查詢命令后, 參與標簽應在 (0,2 Q -1 )范圍內挑選一個隨機數值, 并將該挑選的數值載入其計數器, 挑選數值為零的標簽會轉換成應答狀態, 并立即進行應答挑選數值非零的標簽則應轉換成仲裁狀態,并等待發出查詢調整或查詢命令。
詢問機采用的是三個基本操作來管理標簽群，即選擇、盤存、訪問。每個操作均由一個或一個以上的命令組成。三個基本操作的定義如下：
(1) 選擇: 讀寫器選擇標簽群以便于盤存和訪問的過程。詢問機可以用一個或多個的選擇命令在盤存之前選擇特定的標簽群。
(2) 盤存: 詢問機識別標簽的過程。詢問機在四個通話的其中一個通話中傳輸查詢命令,開始一個盤存周期, 一個或多個的標簽可以應答, 詢問機檢查某個標簽應答, 請求該標簽發出PC、EPC 和CRC-16。
(3) 訪問: 詢問機與各標簽交易的過程，即讀取或寫入標簽。訪問前必須要對標簽進行識別, 訪問由多個命令組成。若多個標簽應答，讀卡器通過檢測和解決波形的沖突, 可以解決其中一個標簽發來的16bit 密鑰, 其他未解決的標簽會收到錯誤的16bit 密鑰, 并返回仲裁狀態。發出查詢命令后將啟動一個盤存周期, 詢問機發出一個或多個的查詢調整或重復查詢命令。查詢調整命令只是重復以前的查詢命令, 可以令Q 增值或減值, 但不會將新的標簽引入該盤存周期。重復查詢命令則重復以前的查詢命令, 但參數不變, 也不會將新的標簽引入該盤存周期。處于仲裁或應答狀態的的標簽收到查詢調整命令后，首先調整 Q, 然后在(0,2 Q-1 )范圍內挑選一個隨機數值, 將該數值載到槽計數器內。挑選數值為零的標簽應轉換到應答狀態并立即應答; 挑選數值非零的標簽應轉換到仲裁狀態, 并等待下次命令。
3．系統硬件設計
3.1 主要芯片介紹
MSP430 采用了目前流行的精簡指令集（RISC）結構，一個時鐘周期可以執行一條指令，使MSP430 在8MHz 晶振工作時，指令速度可達8MIPS。其有多達 64KB 尋址空間包含ROM、RAM、閃存RAM 和外圍模塊。MSP430 系列單片機結合TI 地高性能模擬技術，各成都集成較豐富的片內外設。視型號不同可能組合有以下功能模塊：看門狗，模擬比較器A，定時器A，定時器B，串口0、1，硬件乘法器，液晶驅動器，10 位及更高精度ADC、DAC 等。同其它微控制器相比，MSP430 系列單片機可以大大延長電池的使用壽命，并且具有ESD 保護，抗干擾力強。
AS3990HUF 讀寫器芯片是一個具有集成模擬前端和交換協議系統的900M讀寫器系統。并且它符合ISO18000-6C（EPCGen2 專門用于物流管理）的標準。它具有低壓傳輸碼、低壓解碼器、CRC 碼效驗、可選擇的時鐘輸出，具有20mA 內的電壓輸出供外部設備使用，為RF 輸出階段提供電壓、具備 ASK（鍵控）和PR-ASK 調制（其中ASK 為可調式調制）、支持跳頻、斷電，待機和工作三種模式，還可以可以用USB 供電。
3.2 硬件設計
3.2.1 射頻模塊設計：射頻模塊部分以AS3990HUF 為核心芯片，外接功放使其功率滿足遠距離讀寫傳輸所需的必要條件。射頻部分是讀寫器最前端部分，當控制電路發送來收發指令時，射頻電路就會完成發送指令的載波調制并向射頻標簽發送載波，以及對返回的接收信號的解調處理并且將處理后的基帶信號傳送給控制電路。
3.2.2 數字模塊設計：數字部分設計是以MSP430 系列單片機為核心芯片，數字部分的主要功能包括實現發送到標簽命令的波形編碼、返回信號的解碼、讀寫命令流程控制、差錯控制、發送控制命令和接受數據，實現與上位機應用程序之間的接口協議，輸入和輸出信號的采集和處理、實現讀寫器功能的相關算法、控制射頻電路的工作模式等（包括對輸出功率，讀標簽方式，載波頻率等的控制）
圖1 讀寫器結構圖
3.2.3 天線設計：設計使用的天線主要是為了實現將電磁波輻射出去，并用于接收從標簽處返回的電磁波信號。通過采用圓極化微帶天線方案，可以實現增益為3db，尺寸大小為80mm*80mm*6 mm。
4．系統軟件設計
4.1 驅動軟件設計
硬件驅動軟件編寫程序采用C 語言，主要采用模塊化編程思想。系統主程序為一個完整的RFID 讀寫器系統，其用來控制硬件電路每個模塊的工作狀態和工作模式，協調整個讀寫器讀寫過程的工作。這個讀寫器硬件驅動的主程序主要可以分為以下幾個部分：串口通信程序，讀寫標簽程序，防沖突程序，數據處理程序等。圖 2 為讀寫電子標簽的主程序流程圖：
圖2 讀寫電子標簽的主程序流程圖
4.2 應用軟件設計
應用軟件位于上位機上，運行在windows 操作系統之上。因此，采用了C++語言編程，實現包括對電子標簽內數據的讀出與寫入，讀用戶數據，存儲用戶數據，對標簽加密解密及“不可修改”的操作，對讀寫器工作模式的設定等。圖3 為軟件系統的方框圖：
圖3 系統軟件方框圖
5．結語
本文設計的 RFID超高頻手持式讀寫器充分結合了軟硬件的優勢，可以實現對EPCGEN2電子標簽的讀寫操作。使用文中設計的天線，讀標簽距離可以到 1.4m，寫標簽距離可以到1m。多標簽使用時抗沖突性能良好，可以同時讀取20 個電子標簽。該讀寫器可以通過串口與上位機相連并傳輸數據。該讀寫器具有成本低、靈敏度高、通信穩定、信息可靠、操作簡單等優點，在各個行業的應用前景十分廣闊，對RFID 的推廣也具有重要意義。