CN104966113B - Rfid读写系统及其标签返回信号的解码和冲突处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别技术领域，具体地说是一种基于ISO18000‑3mod3协议，通过硬件电路设计和嵌入式编程，实现具体MOD3协议的RFID感应识别和信息处理功能的RFID读写系统及其标签返回信号的解码和冲突处理方法，其特征在于设有ARM微处理器，DSP微处理器，射频发射电路，射频接收电路，射频切换电路，所述射频发射电路包括依次串联的载波生成及调制电路、发射运算放大电路、一级匹配电路、移相电路、二级匹配电路、射频天线，其中载波生成及调制电路与DSP微处理器相连接；本发明相对于现有技术，具有效率高，速度快，精确度高等显著的优点。

Description

RFID读写系统及其标签返回信号的解码和冲突处理方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，具体地说是一种基于ISO18000-3mod3协议，通过硬件电路设计和嵌入式编程，实现具体MOD3协议的RFID感应识别和信息处理功能的RFID读写系统及其标签返回信号的解码和冲突处理方法。

背景技术

当前的RFID领域高频频段(HF, High Frequency，载波频率13.56MHz)执行的空中接口协议为ISO18000-3协议，其具体分为ISO18000-3M1(mod1), ISO18000-3M2(mod2)和ISO18000-3M3(mod3)等子协议，各个子协议虽然都使用中心频率为13.56MHz的载波，但是都使用独立的信息编码、信号调制和冲突处理机制，也各自具备自己的优缺点。

其中mod1为当前广泛应用的ISO15693协议，已被国内外很多厂家实现和应用。mod1由于技术已经成熟，使得其应用成本较低，而且读取性能稳定，目前在人员通道、智能书架等领域已经占有一席之地。但是在技术层面，mod1协议除了从硬件上提高抗噪性能和信噪比之外，很难再有突破；而且由于其采用的编码方式冗余性较大，导致mod1协议的检卡速度被限制在50枚/秒，这成为mod1在大批量盘点应用中的时间瓶颈，很大程度上影响用户体验。

基于mod2协议的技术也已经成熟，并且在读取速度方面都要优于另外两种子协议。但是目前mod2的专利技术掌握在国外厂家(Magellan)手中，我们只能通过购买专利使用权的方式进行开发，使得开发和应用成本非常高昂。

mod3协议本身已经相对完备，读取速度mod2相当（PJM模式），并且已有NXP等RFID巨头进行推动。但是目前只有国外少数几个厂家（FEIG，TAGSYS，OEM）宣称已经开发出符合ISO18000-3M3协议的读写器，但是基本上仍处于样机或概念阶段，并没有开始批量供货，而国内目前还没有厂商推出mod3读写器或样机；应用方面目前除了美国拉斯维加斯的赌场的筹码盘点，也极少有mod3读写器的应用案例。

Mod3协议支持多种标签编码方式，不同编码方式有各自的传输速度和抗噪性能，直接体现在标签读取速度和读取距离上。但是从总体上说mod3读写器的应用场景为近场的大批量重叠标签的快速读取。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种速度快、效率高，基于ISO18000-3mod3协议，通过硬件电路设计和嵌入式编程，实现具体MOD3协议的RFID感应识别和信息处理功能的RFID读写系统及其标签返回信号的解码和冲突处理方法。

本发明通过以下措施达到：

一种RFID读写系统，其特征在于设有

ARM微处理器，用于完成接机接口控制、参数的设置保存、与上位机的通信以及射频命令的处理转发；

DSP微处理器，用于完成射频识别功能并将数据上报给ARM微处理器；

射频发射电路，与DSP微处理器相连接；

射频接收电路，与DSP微处理器相连接；

射频切换电路，与DSP微处理器相连接；

所述射频发射电路包括依次串联的载波生成及调制电路、发射运算放大电路、一级匹配电路、移相电路、二级匹配电路、射频天线，其中载波生成及调制电路与DSP微处理器相连接；

所述射频接收电路包括两路射频信号接收回路，分别与射频发射电路中的一级匹配电路、二级匹配电路相连接，所述射频信号接收回路设有依次串联的接收运放电路、检波电路、三级滤波电路、限幅电路，其中接收运放电路的控制端与DSP微处理器相连接，检波电路的输入端与射频发射电路中的匹配电路相连接，限幅电路的输出端经A/D转换电路与DSP微处理器相连接。

本发明还设有分别与ARM微处理器相连接的FLASH模块、人机界面模块、状态检测单元、DSP指令处理模块，其中DSP指令处理单元经DSP通信单元获得DSP微处理器上传的数据。

本发明所述ARM微处理器可以与上位机相连接，并通过网路通信模块或串口通信模块完成外设配置。

本发明还设有与DSP微处理器相连接的FLASH单元、人机界面模块、ARM指令处理模块、ARM通信模块，其中ARM通信模块经ARM指令处理模块与DSP微处理器相连接。

本发明还提出了一种上述RFID读写系统的标签返回信号的解码和冲突处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：启动AD转换器、uPP接口及其DMA功能，获取标签返回信号，并存储至DMA缓存；

步骤2：判断DMA缓存是否存在溢出，如果存在，重复步骤1，否则进入步骤3；

步骤3：判断缓存中是否有足够的数据，若存在足够数据，进入步骤4，否则等待直至获得足够的数据；

步骤4：调用有效信号捕获函数对缓存中的数据进行处理，如果获取到有效信号，则调用解码函数进入步骤5，否则进入步骤2，在DMA缓存溢出或超时前形成获取有效信号的循环；

步骤5：判断缓存中是否有足够的数据，若无则等待直至数据量满足要求，若有足够数据，则通过设置无效数据宽度，滤除噪声引起的尖刺，获取有效极大值；

步骤6：在数据传输、存储的同时（由uPP接口和DMA完成）计算所有相邻极大值的宽度；

步骤7：判断步骤6所获得的宽度是否小于下阈值，若小于下阈值则当作高电平，计数变量加1，否则当作低电平；

步骤8：当步骤7中结果为低电平时，判断编码违例标志位是否为1，若为1则进入编码违例判决流程，否则进入非违例解码流程后回到步骤5。

本发明当步骤7中结果为高电平时，判断计数是否大于5，若大于5，则编码违例标志置1并获取该位置，然后回到步骤5；若计数小于等于5，则直接回到步骤5。

本发明步骤8所述编码违例判决流程包括以下步骤：

判断帧头标志位是否为0，若为0，进行帧头判断，否则进行帧尾判断；其中帧头判断是指判断此处是否为帧头，若是，则帧头标志位置1，进入下一个有效极值点的获取，否则认定为帧头出错，结束解码，返回错误码；帧尾判断是指判断此处是否为帧尾，若是，则帧尾标志位置1，结束解码，返回解码结果，否则认定为帧尾出错，结束解码，返回错误码。

本发明步骤8所述非违例解码流程包括以下步骤：

非违例解码流程开始后，极性标志位在帧头确认后复位为0，之后随解码更新，判断低电平宽度是否大于上阈值，若是，则判断高电平计数是否大于3，当高电平计数大于3时，该段解码为“1,0”，否则该段解码为“0”，解码完毕后极值标志位置为1，进入下一个有效极值点的获取；若低电平宽度不大于上阈值，则判断极值标志位是否为1，若是，则该段解码为1，并将极值标志位置为“1”，否则该段解码为0，并将极值标志位置为0，解码完毕后进入下一个有效极值点的获取。

本发明还包括冲突处理方法，所述读写系统在发送盘点命令Query（Q），其中包含的Q值决定本轮检测的最大时隙数t=2^Q-1，每个标签在0~t之间随机选取一个值作为自己的时隙数，时隙数为0的标签本轮应答，否则不应答，同时应答的标签视为冲突；时隙数不为0的标签每次在收到NEXTSLOT（不改变Q值）命令后，将自己的时隙数减1，当减为0时进行应答，同时应答的标签视为冲突，也就是说，在不改变Q值及最大时隙数和标签处于相同的接收条件下，冲突的标签会始终冲突，因此需要在冲突处理机制中加入改变Q值的命令，使标签重新选取自己的时隙随机数，直到没有冲突为止；

冲突处理的本质是在冲突出现后，能够有效识别，并采取相应的措施，在下一轮盘点中降低冲突出现的概率，直到结果中不再出现冲突为止。在这类选择随机数进行应答的机制中，增大随机数的选取范围是降低冲突概率的最直接有效的方法，而以步长对Q值进行增减的方式也可以达到很高的效率。

本发明所述冲突处理方法对该方式做了改动：对冲突和空检的步长设置不同——出现3次冲突则Q值+1，出现4次空检Q值-1，即Q值的增减步长分别为0.33和0.25；每一条盘点命令之后，对采样-AD转换-缓存的数据进行运算和解码，解码完成后（无论对错）输出结果，结合CRC校验得到解码状态——正确、冲突或空检，正确的话，结合解码得到的CRC16调制发送ACK，对ACK命令理论上标签是一定会应答且没有冲突的，此时再次对缓存获取的采样数据进行运算解码，正确的话即可得到标签的UII；

每一次盘点作为一个相对独立的任务（函数），分别包括盘点命令、CRC16解码、解码状态确定、发送ACK命令和UII解码（可能截止到最后两条之前），同时解码状态又通过冲突计数和空检计数联系在一起，按照冲突处理机制执行；正确解码得到的UII则直接存储到对应的全局变量。在执行完冲突处理流程之后，为了防止还有没有应答的标签，增加了几轮针对少量标签的空检，此时如果有标签应答的话，会继续进行正常的标签盘点交互。

本发明与现有技术相比，主要的优点是速度快，效率高：本申请相比mod1协议，命令发射信号和标签返回信号的编码方式冗余小，码率高。在标签返回信号方面，mod1协议采用副载波调制的曼彻斯特编码方式，根据使用的副载波个数不同，同样分为高速和低速模式，数据传输速率分别在6.7Kbps和26.6Kbps左右；而本申请的标签返回信号有多种编码方式，其中低速的曼彻斯特8副载波和米勒编码方式的数据速率约为106Kbps，中速的曼彻斯特4编码方式的数据速率约为212Kbps，而高速的FM0编码方式的数据传输速率高达848Kbps，目前采用的中速处理方式，返回信号数据速率为mod1协议高速模式的8倍；在冲突处理方面，mod1和mod2的处理方式不同，mod1采用增减掩码长度的方式，处理效率受多标签UID重合度影响，冲突处理时间跨度较大；而mod3采用增减时隙随机数的方式，冲突受标签自取随机数影响，在标签数量很大时前期需要多个时隙数调整自适应过程，而冲突处理后期会迅速收敛。根据实际测试对比，mod1协议的标签读取速度在50枚/秒以下，而本申请的读取速度能达到200枚/秒以上（只计算开磁场后到检测完成时的时间）。

附图说明：

附图1是本发明射频发射以及射频接收机构的结构框图。

附图2是本发明的系统框图。

附图3是本发明中标签返回信号的解码和冲突处理方法流程图。

附图4是本发明中编码违例判决流程图。

附图5是本发明中非违例解码流程图。

附图6是本发明中冲突处理流程图。

附图说明：ARM微处理器1、DSP微处理器2、载波生成及调制电路3、发射运算放大电路4、一级匹配电路5、移相电路6、二级匹配电路7、射频天线8、接收运放电路9、检波电路10、-三级滤波电路11、限幅电路12、AD转换电路13、上位机指令处理模块14、DSP指令处理模块15、DSP通信模块16、FLASH模块17、ARM指令处理模块18、人机界面模块19、状态检测模块20、ARM通信模块21、网络通信模块22、串口通信模块23、射频发射电路24、射频接收电路25、射频切换电路26。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，本发明提出了的基于mod3协议的RFID读写系统，工作时，由ARM微处理器1完成人机接口控制、参数的设置保存、与上位机的通信以及射频命令的处理转发；DSP微处理器2完成射频识别功能，以及将数据上报给ARM微处理器1，包括射频命令的PIE编码、AD转换后数据的接收处理、返回信号的解码、冲突处理和UID上报等；载波生成及调制电路3负责生成13.56MHz标准载波，以及将DSP编码后的射频命令进行调制放大后输送到发射端；发射端包括运算放大电路4、一级匹配电路5、移相电路6、二级运放电路7和射频天线8构成，完成调制信号的放大、发射电路的匹配等功能；

射频信号接收端包括射频天线8、接收运放电路9、检波电路10和三级滤波电路11等，完成对标签返回信号的接收放大、包络检波和基带滤波；限幅电路12和AD转换电路13完成对硬件处理后的标签返回信号的限幅、量化、采样和模数转换，AD转换完成后的数据通过并行接口进入DSP执行处理。

如附图2所示为本发明的系统框架图，本发明所述ARM微处理器1和DSP微处理器2都连接各自的FLASH模块17和人机界面模块19；ARM微处理器1通过上位机指令处理模块14完成与上位机的网络通信或串行通信的数据解析和协议处理，其中网络通信模块22和串口通信模块23完成两种通信模式的外设配置功能；

ARM微处理器1通过状态检测模块获取系统参数20；ARM微处理器1通过DSP指令处理模块15完成与DSP通信的数据解析和协议处理，通过DSP通信模块16完成与DSP通信接口的外设配置；对应的所述DSP微处理器2通过ARM指令处理模块18完成与ARM通信的数据解析和协议处理，通过ARM通信模块21完成对应接口的外设配置；

DSP微处理器2通过射频发射模块24完成对射频命令的编码、输出，通过射频接收模块25获取AD端采样数据后，进行解码、冲突处理、UID过滤上报等功能，通过26-射频切换模块完成对多天线的时分复用。

附图3-5为标签返回信号的曼彻斯特解码流程。曼彻斯特解码采用捕获极值进行宽度判断的方式，通过阈值还原编码之前的信号高低电平。由于是全速采样+实时处理，因此对于DSP微处理器2的要求很高，主要体现在并行接口获取数据的速度和均衡性，以及DSP处理数据的速度。所采用的DSP微处理器使用uPP接口时钟速度可达30MHz，对于424KHz曼彻斯特编码信号5MSPS左右的采样率有较大的余量；而360MHz的主频在当前的也位于前列。

附图6是本发明中冲突处理流程示意图。所述读写系统在发送盘点命令Query（Q），其中包含的Q值决定本轮检测的最大时隙数t=2^Q-1，每个标签在0~t之间随机选取一个值作为自己的时隙数，时隙数为0的标签本轮应答，否则不应答，同时应答的标签视为冲突；时隙数不为0的标签每次在收到NEXTSLOT（不改变Q值）命令后，将自己的时隙数减1，当减为0时进行应答，同时应答的标签视为冲突。也就是说，在不改变Q值及最大时隙数和标签处于相同的接收条件下，冲突的标签会始终冲突，因此需要在冲突处理机制中加入改变Q值的命令，使标签重新选取自己的时隙随机数，直到没有冲突为止。

冲突处理的本质是在冲突出现后，能够有效识别，并采取相应的措施，在下一轮盘点中降低冲突出现的概率，直到结果中不再出现冲突为止。在这类选择随机数进行应答的机制中，增大随机数的选取范围是降低冲突概率的最直接有效的方法，而以步长对Q值进行增减的方式也可以达到很高的效率。

本发明所述冲突处理流程在编程中对该方式做了少许的改动：对冲突和空检的步长设置不同——出现3次冲突则Q值+1，出现4次空检Q值-1，即Q值的增减步长分别为0.33和0.25。每一条盘点命令之后，对采样-AD转换-缓存的数据进行运算和解码，解码完成后（无论对错）输出结果，结合CRC校验得到解码状态——正确、冲突或空检。正确的话，结合解码得到的CRC16调制发送ACK，对ACK命令理论上标签是一定会应答且没有冲突的，此时再次对缓存获取的采样数据进行运算解码，正确的话即可得到标签的UII。

每一次盘点作为一个相对独立的任务（函数），分别包括盘点命令、CRC16解码、解码状态确定、发送ACK命令和UII解码（可能截止到最后两条之前）。同时解码状态又通过冲突计数和空检计数联系在一起，按照冲突处理机制执行；正确解码得到的UII则直接存储到对应的全局变量。在执行完冲突处理流程之后，为了防止还有没有应答的标签，增加了几轮针对少量标签的空检，此时如果有标签应答的话，会继续进行正常的标签盘点交互。

本发明与现有技术相比，主要的优点是速度快，效率高：本申请相比mod1协议，命令发射信号和标签返回信号的编码方式冗余小，码率高。在标签返回信号方面，mod1协议采用副载波调制的曼彻斯特编码方式，根据使用的副载波个数不同，同样分为高速和低速模式，数据传输速率分别在6.7Kbps和26.6Kbps左右；而本申请的标签返回信号有多种编码方式，其中低速的曼彻斯特8副载波和米勒编码方式的数据速率约为106Kbps，中速的曼彻斯特4编码方式的数据速率约为212Kbps，而高速的FM0编码方式的数据传输速率高达848Kbps，目前采用的中速处理方式，返回信号数据速率为mod1协议高速模式的8倍；在冲突处理方面，mod1和mod2的处理方式不同，mod1采用增减掩码长度的方式，处理效率受多标签UID重合度影响，冲突处理时间跨度较大；而mod3采用增减时隙随机数的方式，冲突受标签自取随机数影响，在标签数量很大时前期需要多个时隙数调整自适应过程，而冲突处理后期会迅速收敛。根据实际测试对比，mod1协议的标签读取速度在50枚/秒以下，而本申请的读取速度能达到200枚/秒以上（只计算开磁场后到检测完成时的时间）。

Claims (5)

1.一种RFID读写系统的标签返回信号的解码和冲突处理方法，所述RFID读写系统设有ARM微处理器，用于完成接机接口控制、参数的设置保存、与上位机的通信以及射频命令的处理转发；

DSP微处理器，用于完成射频识别功能并将数据上报给ARM微处理器；

射频发射电路，与DSP微处理器相连接；

射频接收电路，与DSP微处理器相连接；

射频切换电路，与DSP微处理器相连接；

所述射频发射电路包括依次串联的载波生成及调制电路、发射运算放大电路、一级匹配电路、移相电路、二级匹配电路、射频天线，其中载波生成及调制电路与DSP微处理器相连接；

所述射频接收电路包括两路射频信号接收回路，分别与射频发射电路中的一级匹配电路、二级匹配电路相连接，所述射频信号接收回路设有依次串联的接收运放电路、检波电路、三级滤波电路、限幅电路，其中接收运放电路的控制端与DSP微处理器相连接，检波电路的输入端与射频发射电路中的匹配电路相连接，限幅电路的输出端经A/D转换电路与DSP微处理器相连接；

还设有分别与ARM微处理器相连接的FLASH模块、人机界面模块、状态检测单元、DSP指令处理模块，其中DSP指令处理单元经DSP通信单元获得DSP微处理器上传的数据；

所述ARM微处理器与上位机相连接，并通过网路通信模块或串口通信模块完成外设配置；

还设有与DSP微处理器相连接的FLASH单元、人机界面模块、ARM指令处理模块、ARM通信模块，其中ARM通信模块经ARM指令处理模块与DSP微处理器相连接；

其特征在于包括以下步骤：

步骤1：启动AD转换器、uPP接口及其DMA功能，获取标签返回信号，并存储至DMA缓存；

步骤2：判断DMA缓存是否存在溢出，如果存在，重复步骤1，否则进入步骤3；

步骤3：判断缓存中是否有足够的数据，若存在足够数据，进入步骤4，否则等待直至获得足够的数据；

步骤4：调用有效信号捕获函数对缓存中的数据进行处理，如果获取到有效信号，则调用解码函数进入步骤5，否则进入步骤2，在DMA缓存溢出或超时前形成获取有效信号的循环；

步骤5：判断缓存中是否有足够的数据，若无则等待直至数据量满足要求，若有足够数据，则通过设置无效数据宽度，滤除噪声引起的尖刺，获取有效极大值；

步骤6：在由uPP接口和DMA完成数据传输、存储的同时计算所有相邻极大值的宽度；

步骤7：判断步骤6所获得的宽度是否小于下阈值，若小于下阈值则当作高电平，计数变量加1，否则当作低电平；

步骤8：当步骤7中结果为低电平时，判断编码违例标志位是否为1，若为1则进入编码违例判决流程，否则进入非违例解码流程后回到步骤5。

2.根据权利要求1所述的一种RFID读写系统的标签返回信号的解码和冲突处理方法，其特征在于当步骤7中结果为高电平时，判断计数是否大于5，若大于5，则编码违例标志置1并获取位置，然后回到步骤5；若计数小于等于5，则直接回到步骤5。

3.根据权利要求1所述的一种RFID读写系统的标签返回信号的解码和冲突处理方法，其特征在于步骤8所述编码违例判决流程包括以下步骤：

判断帧头标志位是否为0，若为0，进行帧头判断，否则进行帧尾判断；其中帧头判断是指判断此处是否为帧头，若是，则帧头标志位置1，进入下一个有效极值点的获取，否则认定为帧头出错，结束解码，返回错误码；帧尾判断是指判断此处是否为帧尾，若是，则帧尾标志位置1，结束解码，返回解码结果，否则认定为帧尾出错，结束解码，返回错误码。

4.根据权利要求1所述的一种RFID读写系统的标签返回信号的解码和冲突处理方法，其特征在于步骤8所述非违例解码流程包括以下步骤：

非违例解码流程开始后，极性标志位在帧头确认后复位为0，之后随解码更新，判断低电平宽度是否大于上阈值，若是，则判断高电平计数是否大于3，当高电平计数大于3时，解码为“1,0”，否则解码为“0”，解码完毕后极值标志位置为1，进入下一个有效极值点的获取；若低电平宽度不大于上阈值，则判断极值标志位是否为1，若是，则解码为1，并将极值标志位置为“1”，否则解码为0，并将极值标志位置为0，解码完毕后进入下一个有效极值点的获取。

5.根据权利要求1所述的一种RFID读写系统的标签返回信号的解码和冲突处理方法，其特征在于冲突处理方法包括以下内容：所述读写系统在发送盘点命令Q，其中Q值决定本轮检测的最大时隙数t=2^Q-1，每个标签在0~t之间随机选取一个值作为自己的时隙数，时隙数为0的标签本轮应答，否则不应答，同时应答的标签视为冲突；时隙数不为0的标签每次在收到NEXTSLOT即不改变Q值的命令后，将自己的时隙数减1，当减为0时进行应答，同时应答的标签视为冲突，也就是说，在不改变Q值及最大时隙数和标签处于相同的接收条件下，冲突的标签会始终冲突，因此需要在冲突处理机制中加入改变Q值的命令，使标签重新选取自己的时隙随机数，直到没有冲突为止；对冲突和空检的步长设置不同——出现3次冲突则Q值+1，出现4次空检Q值-1，即Q值的增减步长分别为0.33和0.25；每一条盘点命令之后，对采样-AD转换-缓存的数据进行运算和解码，解码完成后无论对错输出结果，结合CRC校验得到解码状态——正确、冲突或空检，正确的话，结合解码得到的CRC16调制发送ACK，对ACK命令理论上标签是一定会应答且没有冲突的，此时再次对缓存获取的采样数据进行运算解码，正确的话即可得到标签的UII；每一次盘点作为一个相对独立的任务，分别包括盘点命令、CRC16解码、解码状态确定、发送ACK命令和UII解码，同时解码状态又通过冲突计数和空检计数联系在一起，按照冲突处理机制执行；正确解码得到的UII则直接存储到对应的全局变量，在执行完冲突处理流程之后，为了防止还有没有应答的标签，增加了几轮针对少量标签的空检，此时如果有标签应答的话，会继续进行正常的标签盘点交互。