CN103729668A - 一种支持多接口协议通信的超高频rfid读写器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持多接口协议通信的超高频RFID读写器，包括超高频读写模块、接口转换模块和电源模块。超高频读写模块用于实现超高频RFID读写功能，主要由RFID收发器、功率放大器、处理器、射频天线组成；接口转换模块用于将超高频读写模块输出的串行数据转换成符合RS232或RS485或以太网/无线网接口格式的数据，主要由AVR单片机、模拟多路复用器1和2、电平转换模块1和2、网口转换模块、网络变压器、以太网接口和WI-FI天线组成。本发明的超高频RFID读写器不但可以方便地进行信息读写，还可以直接进行接口模式切换，支持多种主流通信接口，在一定程度上拓宽了超高频读写器的应用范围。

Description

一种支持多接口协议通信的超高频RFID读写器

技术领域

本发明属于自动识别领域技术，尤其涉及一种支持多接口协议通信的超高频RFID读写器。

背景技术

无线射频技术RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式自动识别技术，无需识别系统与识别目标之间建立机械或光学接触即可通过射频信号的空间发射进行传输信息。将RFID技术标签化后，可以呈现出许多实用性很强的性能特点，比如：扫描速度快、体型小巧、抗污染性强、穿透性强、记忆容量大、内容安全等。鉴于以上特点，基于RFID的读写技术越来越广泛地应用于医疗卫生、工业控制和交通运输行业，尤其是物流领域。RFID读写技术是传统传感网的技术基础，而传感网又是物联网产业的基础，因此随着物联网产业发展的突飞猛进，RFID读写技术也会与时俱进地在各种技术指标方面有发展的需求和空间。

融合RFID技术的读写器按照不同频率数量级可以细分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW）四类。低频（LF）和高频（HF）技术下的读写器一般采用电磁耦合原理，分别工作在125KHz和13.54MHz左右，但是此种频率下的RFID读写器存在许多缺陷，比如：读写距离短、传输速度慢、应用领域窄、安全保密性差等。而超高频（UHF）技术下的读写器一般采用电磁发射原理，工作在902～928MHz之间，符合ISO18000-6C协议，相比之下其优势为：读写距离长，可达10m以上；传输速度快，每秒可读取170余张电子标签、数据存储量大；应用领域宽；支持多标签读取；安全保密性强等。

由于RFID技术的需求量逐渐增加，相关的研究和发明也有了一定的成果。申请号为200810231545.8的专利公开了一种RFID多协议读写器切换方法极其控制切换系统，该发明通过上位机发送软件命令控制改变硬件参数来切换RFID射频收发时所遵循的通信协议，该切换协议的过程主要通过混频电路改变收发频率，来满足射频通信协议的切换功能。

通过以上现状分析可以看出，虽然目前很多开发者在RFID读写方面的研究重心放在兼容多频段、多射频通信协议方面而忽略了数据接口的多元化，因此对于简化超高频读写器的工作流程，在确保读写过程顺利完成的基础上，进一步实现数据接口协议的转换及传输，仍然需要有进一步的拓展性研究。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种支持多接口协议通信的超高频RFID读写器。用户不但可以方便地利用本发明进行高速超高频RFID信息读写操作，还可以利用本发明直接进行接口模式切换，支持多种主流通信接口，在一定程度上拓宽了超高频读写器的应用范围。

一种支持多接口协议通信的超高频RFID读写器，包括超高频读写模块和电源模块。超高频读写模块用于实现超高频RFID读写功能，主要由RFID收发器、功率放大器、处理器、射频天线组成。处理器完成对数据的编码和解码，超高频读写模块发射时，处理器完成基带编码，编码方式为脉冲宽度编码PIE（Pulse interval Encoding），并由串口送到RFID收发器；超高频读写模块接收时，处理器对由RFID收发器送来的接收数据进行解码，解码方式支持双向间隔码编码FM0（Bi-PhaseSpace）和延迟调制码Miller两种方式。RFID收发器用来接收和发射数据，发射时，对处理器串口送来的基带数据进行ASK调制，内部混频器产生840～960MHz的频率，由功率放大器进行超高频信号放大后，通过射频天线进行发射；接收时，对接收数据进行解调，支持ASK和PSK两种方式，解调后的数据送入处理器。电源模块用于提供电路工作需要的直流电源。主要由开关电源转换芯片、线性调压器以及稳压滤波电路组成。

其特征在于，所述超高频RFID读写器还包括接口转换模块，用于将超高频读写模块输出的串行数据转换成符合RS232或RS485或以太网/无线网接口格式的数据。主要由AVR单片机、模拟多路复用器1和2、电平转换模块1和2、网口转换模块、网络变压器、以太网接口和WI-FI天线组成。其中，

AVR单片机接收上位机的指令，并通过串口传输对超高频RFID读写器的控制指令，控制系统工作在不同模式，在接口转换模式时，根据上位机的指令选择正确的数据接口。单片机的TXD端接模拟多路复用器1的一个复选端Y1，对应的公共端Y接超高频读写模块处理器的RXD端，用于传输指令；单片机的RXD端接电平转换模块1的ROUT端，用于接收上位机的指令；单片机的两个输出端口与模拟多路复用器1的地址端相连，用于选择不同的通道，完成工作模式的切换；另外两个输出端口与模拟多路复用器2的地址端相连，用于选择不同的通道，切换不同的数据接口；还有一个输出端口接电平转换模块2的传输方向控制端控制RS485数据的传输方向。

模拟多路复用器1和2均为双4通道多路复用器，用于在AVR单片机控制下选择不同的通道。模拟多路复用器1、2的地址端分别与单片机的两个输出端口相连，控制选择不同的通道。模拟多路复用器1的公共端X与模拟多路复用器2的公共端Y相连，复选端X0与读写模块处理器的TXD相连；模拟多路复用器1的公共端Y与读写模块处理器的RXD相连，复选端Y1接单片机的TXD，复选端Y2接模拟多路复用器2的公共端X。模拟多路复用器2三路复选端Y2、Y0、Y3分别接电平转换模块1、2和网口转换模块的串行信号TTL电平输入端；复选端X0接电平转换模块2的串行信号TTL电平输出端。

电平转换模块1和2用于进行串行信号TTL电平与RS232和RS485信号电平之间的互相转换。电平转换模块1和2均有两路转换通道，它们的TTL电平信号输入端分别与模拟多路复用器2的复选端Y2、Y0相连，输出端分别接RS232接口和RS485接口；电平转换模块2的RS485电平输入输接RS485接口，输出端与模拟多路复用器2的复选端X0相连。

网口转换模块用于进行串行信号TTL电平与以太网络传输或无线基带传输信号电平之间的互相转换。网口转换模块的串行信号TTL电平输入端与模拟多路复用器2的复选端Y3相连，输出以太网格式信号的管脚分别与网络变压器的输入管脚相连；无线信号输出管脚与WI-FI天线相连，自行启动无线网络传输模式。

网络变压器将以太网信号进行放大并增强抗干扰能力。信号输入端与网口转换模块输出以太网格式信号的管脚相连，输出端接以太网接口。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1．本发明可以使用户快速进行RFID标签的超高频读写，并对所获取的数据进行初步数据处理。

2．本发明通过增加接口转换模块，可以在读取RFID数据后方便地选择RS232接口、RS485接口或以太网接口以及无线网络发送格式进行初步处理后的RFID数据传输，使本发明所述的超高频RFID读写器可以进行多种协议的通信。

附图说明

图1为本发明所述读写器的总体结构图；

图2为AVR单片机连接图；

图3为模拟多路复用器1连接图；

图4为模拟多路复用器2连接图；

图5为电平转换模块1连接图；

图6为电平转换模块2连接图；

图7为网口转换模块连接图；

图8为网络变压器连接图；

图9为电源模块连接图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

支持多接口协议通信的超高频RFID读写器的总体结构图如图1所示，包括超高频读写模块、接口转换模块、电源模块三大部分。超高频读写模块通过串口与接口转换模块相连，经过接口转换模块的处理，可以有选择的转换为以太网接口、RS232接口、RS485接口以及无线发送格式。整个系统运行的最高控制层是用户上位机，上位机控制单片机进行操作指令的下发与地址选通，并以此来设置整个系统的工作模式。超高频读写模块封装为一个独立系统，超高频读写模块采用ImpinJ R2000技术，支持读写兼容ISO 18000-6C的RFID标签，功率调节范围为13～30dbm，频率范围为840～960MHz。

超高频读写模块主要RFID收发器、功率放大器、ARM7处理器、射频天线组成。上位机将下发的指令通过RS232接口传送给AVR单片机，再由AVR单片机的串口传送到超高频读写模块中的ARM7处理器，从而控制系统工作模式的转换。当超高频读写模块工作在发射模式时，ARM7根据PIE编码方式将暂存于其中的传输信息进行基带编码，然后通过超高频读写模块内部的串口直接传送给RFID收发器，RFID收发器进一步完成传输信息的ASK调制，使调制信号提升至900MHz的超高频频段，并启动功率放大器RFPA进行信号的放大，最后由射频天线发射出去，实现超高频发射功能；当超高频读写模块工作在接收模式时，ARM7处理器启动RFID收发器进行数据接收（支持ASK和PSK两种方式），RFID收发器自行对接收的超高频信号进行解调，然后通过内部串口直接发送给ARM7，ARM7处理器进行解码（支持FM0和Miller两种方式），解码后通过串口回传至接口转换模块等待进一步接口转化并传输。

接口转换模块主要由AVR单片机、模拟多路复用器1和2、电平转换模块1和2、网口转换模块、网络变压器、以太网接口、WI-FI天线组成。其中，

AVR单片机主要由ATMEGA32芯片组成，如图2所示，由电源模块输出的3.3V电压进行供电，外接11.0592MHz的晶振电路提供ATMEGA32的时钟信号。ATMEGA32的输出端口PA0和PA1两个管脚分别与模拟多路复用器1（CD4052_I）地址端A、B管脚相连，通过PA0和PA1管脚组合编码控制CD4052_I选择不同的通道，实现工作模式的切换。若工作在控制指令传输状态则通过组合编码选通通道1；若工作在接口转换模式则通过组合编码选通通道0。单片机输出端口PA4、PA5与模拟多路复用器2（CD4052_II）的地址端A、B管脚相连接，通过PA4、PA5组合编码控制模拟多路复用器2（CD4052_II）选择不同的通道，实现不同接口的切换。PB0管脚与电平转换模块2的一个三极管的基极相连，控制RS485信号的读写方向。

模拟多路复用器1和2各采用一片CD4052，分别为CD4052_I和CD4052_II，接线图分别如图3、4所示，均由电源模块提供的5V电压供电。

CD4052_I的A、B两管脚分别与AVR单片机的PA0和PA1管脚相连，用以接收从AVR单片机出发送的地址选通信号。CD4052_I的Y2与CD4052_II的X相连，Y与读写模块的RXD相连，Y1与单片机的TXD相连，X与CD4052_II的RXD相连，X0与读写模块的TXD相连。

CD4052_II的A、B两管脚分别与AVR单片机的PA4、PA5管脚相连接。其Y与CD4052_I的X相连，X与CD4052_I的Y2相连。Y2与电平转换模块1（MAX232ESA）相连，X0、Y0均与电平转换模块2（MAX487ESA）相连，Y3与网口转换模块（RM04）相连。

电平转换模块1采用MAX232AESA芯片，如图5所示，通过电源模块进行电压转换后的3.3V进行供电。T2IN管脚与CD4052_II的Y2相连，R2OUT管脚与单片机的RXD相连。MAX232AESA将串行信号进行相应的电平转换，通过瞬变抑制二极管防止电平转换后电流过大引起击穿，然后通过负载电阻将符合RS232的电平信号送入COM端口的相应针脚，实现串口与RS232接口的转换功能。

电平转换模块2采用MAX487ESA芯片，如图6所示，由电源模块进行电压转换后的3.3V进行供电。MAX487ESA的TTL电平信号输入端4接CD4052_II的Y0；TTL电平信号输出端1接CD4052_II的X0。MAX487ESA的RS485电平信号由管脚6输入，管脚7输出。AVR单片机上的PB0通过三极管Q5与MAX487ESA芯片的使能端相连，控制信号读写方向。通过电平转换后运算放大器的差分信号端的两路电平，经过瞬变抑制二极管，可以引出两路差分电平信号，实现串口与RS485接口的转换功能。

网口转换模块采用RM04芯片，如图7所示，通过电源模块提供的5V电压进行供电。RM04模块通过UART_RX管脚与CD4052_II的Y3相连，用于接收串行信号。当RM04模块接收串行信号以后，模块内部自行进行数据处理，形成符合以太网络传输的信息格式以及符合无线基带传输的信息格式。管脚RXIP1、TXOP1、RXIN1、TXON1、RXIP2、TXOP2、RXIN2、TXON2分别与网络变压器8个一次侧管脚相连接，用于传输初步转换后的以太网格式的信息。由于RM04模块自行启动无线网络传输模式，因此利用WLAN进行无线网络启动指示。

网络变压器采用两个20F001N芯片，如图8所示。RM04模块前述8个代表以太网接口的管脚分别根据正负信号的顺序与20F001N的一次侧线圈的两头相连，将携带信息的差模信号传送到了网络变压器的一次侧，进行增强信号和增强抗干扰能力的网络变压过程。由于变压器需要电压驱动，因此由VDD进行1.8V的供电。20F001N的二次侧按照顺序将通过变压的差模信号线与以太网的网口（图8中JP4的前8位管脚）相连，第9个管脚设置一个LED灯作为串口转以太网口的指示灯。通过上述两段处理过程，实现串口与以太网口的转换功能。

电源模块的组成如图9所示，主要包括开关电源转换芯片TPS5430、线性调压器LM1117以及稳压滤波电路。12～24V直流电通过抑制瞬时电流过大、滤波过程后，经过TPS5430进行降压操作，从BOOT端和PH端输出，经过LC滤波器，使输出电压稳定在5V左右，作为其它模块中相关元器件的电源。继而经过滤波电路将5V电压输出到LM1117，通过线性调压过程，使5V电压降至3.3V，作为其它模块相关元器件的电源。

超高频RFID读写器读卡时的工作过程如下：

系统上电后，单片机初始化状态为开启CD4052_I的Y1通道，等待控制指令的下发。上位机将控制指令下发给单片机，单片机将该信息封装成为带有帧头、校验的通信协议数据帧格式，通过串口发送给超高频读写模块的处理器ARM7，ARM7处理器根据指令运行。当RFID射频卡接近超高频读写模块时，RFID收发器感应并放大射频卡中的调制信号，并立即进行解调（ASK或者PSK）。解调后的基带信号回传至ARM7处理器，在处理器中进行信息解码（FM0或Miller）。解码后的信号通过串口将信息下发至接口转换模块的CD4052_I。单片机预先解析上位机指令时，按其中的指令进一步进行CD4052_II的地址选通工作，进行接口转换工作。接口转换模式的确定可以依据用户的需求，通过AVR单片机的A、B管脚将用户所需的接口转换类型控制字下发至CD4052_II中，根据该控制字继续之后的接口转换过程。若用户需要转换为RS232类型接口，则CD4052_II将串行信号传送到MAX232AESE电平转换模块中，该电平转换模块将串行信号转换为符合RS232数据格式的差分信号，并通过RS232串口输出；若用户所需转换为RS485类型接口，则CD4052_II将串行信号传送到MAX487ESA电平转换模块中，该电平转换模块将串行信号转换为符合RS485数据格式的差分信号，通过两根差分信号线输出；若用户需要转换为以太网类型接口，CD4052_II将串行信号直接传送到网口转换模块RM04，RM04模块将其转换为符合以太网的数据格式信号，并传送到网络变压器20F001N的一次侧相应管脚，20F001N通过变压线圈将以太网信号进行信号增强和抗干扰能力增强后，在二次侧将变压后的以太网差模信号直接送入以太网口中，实现以太网信息输出。在以太网转换的同时，开启无线WI-FI接口，可以在传送以太网数据同时通过无线网络方式传送无线基带信息。

超高频RFID读写器写卡时的工作过程如下：

上位机调用超高频读写模块发射驱动程序，并将其发送到超高频读写模块的ARM7处理器中，ARM7处理器根据驱动自动运行发射程序。用户将RFID射频卡接近超高频读写模块时，RFID收发器发射写卡信号，通过功率放大器放大后发射超高频电磁波，首先将射频卡中的信息擦出，继而写入所需发送的信息。

Claims (2)

1.一种支持多接口协议通信的超高频RFID读写器，包括超高频读写模块和电源模块；超高频读写模块用于实现超高频RFID读写功能，主要由RFID收发器、功率放大器、处理器、射频天线组成；处理器完成对数据的编码和解码，超高频读写模块发射时，处理器完成基带编码，编码方式为脉冲宽度编码PIE，并由串口送到RFID收发器；超高频读写模块接收时，处理器对由RFID收发器送来的接收数据进行解码，解码方式支持双向间隔码编码FM0和延迟调制码Miller两种方式；RFID收发器用来接收和发射数据，发射时，对处理器串口送来的基带数据进行ASK调制，内部混频器产生840～960MHz的频率，由功率放大器进行超高频信号放大后，通过射频天线进行发射；接收时，对接收数据进行解调，支持ASK和PSK两种方式，解调后的数据送入处理器；电源模块用于提供电路工作需要的直流电源，主要由开关电源转换芯片、线性调压器以及稳压滤波电路组成；

其特征在于，所述超高频RFID读写器还包括接口转换模块，用于将超高频读写模块输出的串行数据转换成符合RS232或RS485或以太网/无线网接口格式的数据；主要由AVR单片机、模拟多路复用器1和2、电平转换模块1和2、网口转换模块、网络变压器、以太网接口和WI-FI天线组成；其中，

AVR单片机接收上位机的指令，并通过串口传输对超高频RFID读写器的控制指令，控制系统工作在不同模式，在接口转换模式时，根据上位机的指令选择正确的数据接口；单片机的TXD端接模拟多路复用器1的一个复选端Y1，对应的公共端Y接超高频读写模块处理器的RXD端，用于传输指令；单片机的RXD端接电平转换模块1的ROUT端，用于接收上位机的指令；单片机的两个输出端口与模拟多路复用器1的地址端相连，用于选择不同的通道，完成工作模式的切换；另外两个输出端口与模拟多路复用器2的地址端相连，用于选择不同的通道，切换不同的数据接口；还有一个输出端口接电平转换模块2的传输方向控制端，控制RS485数据的传输方向；

模拟多路复用器1和2均为双4通道多路复用器，用于在AVR单片机控制下选择不同的通道；模拟多路复用器1、2的地址端分别与单片机的两个输出端口相连，控制选择不同的通道；模拟多路复用器1的公共端X与模拟多路复用器2的公共端Y相连，复选端X0与所述超高频读写模块处理器的TXD相连；模拟多路复用器1的公共端Y与超高频读写模块处理器的RXD相连，复选端Y1接AVR单片机的TXD，复选端Y2接模拟多路复用器2的公共端X；模拟多路复用器2三路复选端Y2、Y0、Y3分别接电平转换模块1、2和网口转换模块的串行信号TTL电平输入端；复选端X0接电平转换模块2的串行信号TTL电平输出端；

电平转换模块1和2用于进行串行信号TTL电平与RS232和RS485信号电平之间的互相转换；电平转换模块1和2均有两路转换通道，它们的串行信号TTL电平输入端分别与模拟多路复用器2的复选端Y2、Y0相连，输出端分别接RS232接口和RS485接口；电平转换模块2的RS485电平输入输接RS485接口，输出端与模拟多路复用器2的复选端X0相连；

网口转换模块用于进行串行信号TTL电平与以太网络传输或无线基带传输信号电平之间的互相转换；网口转换模块的串行信号TTL电平输入端与模拟多路复用器2的复选端Y3相连，输出以太网格式信号的管脚分别与网络变压器的输入管脚相连；无线信号输出管脚与WI-FI天线相连，自行启动无线网络传输模式；

网络变压器将以太网信号进行放大并增强抗干扰能力；信号输入端与网口转换模块输出以太网格式信号的管脚相连，输出端接以太网接口。

2.根据权利要求1所述的一种支持多接口协议通信的超高频RFID读写器，其特征在于，上电时AVR单片机与模拟多路复用器1地址选通端相连的两个输出端口被初始化为接通模拟多路复用器1的公共端Y和复选端Y1，AVR单片机由TXD端通过串口传输对超高频RFID读写器的控制指令。

Images