基于物流倉儲(chǔ)管理的RFID讀寫器設(shè)計(jì)

　　RFID(Radio Frequency ldentification、射頻識(shí)別)技術(shù)是一種利用無線射頻通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。與現(xiàn)代物流領(lǐng)域普遍使用的條碼技術(shù)相比，它在讀寫距離、保密性、智能化、環(huán)境適應(yīng)能力以及使用壽命方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)。

　　目前，世界范圍內(nèi)針對(duì)RFID的物流應(yīng)用存在兩種編碼體系，一種是日本UID(Ubiquitous ID)中心提出的UID編碼體系，另一種是美國(guó)EPC(Electmnic Production Code．電子產(chǎn)品代碼)環(huán)球協(xié)會(huì)提出的EPC電子產(chǎn)品編碼標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)在所使用的無線頻段、信息位數(shù)和  應(yīng)用領(lǐng)域等方面都有所不同。而我國(guó)還沒有自己正式的標(biāo)準(zhǔn)，但是有關(guān)RFID在900MHz頻段應(yīng)用的電磁檢測(cè)工作已經(jīng)基本完成，我國(guó)最為關(guān)心的是IS018000 6標(biāo)準(zhǔn)。本質(zhì)上EPC標(biāo)準(zhǔn)和IS018000并不矛盾，對(duì)于物流應(yīng)用，EPC標(biāo)準(zhǔn)則更為完善。

　　另外，對(duì)于物流應(yīng)用來說，成本是企業(yè)最關(guān)心的問題。在滿足需要的前提下，選擇最低成本是首當(dāng)其沖的。UHF(915MHz)射頻工作距離大概在10m左右，已經(jīng)能夠滿足物流應(yīng)用的需求，而且成本要比微波段低得多。特別是UHF射頻允許采用相對(duì)較小的方向性天線，這將使讀寫器的輻射波束定向到一個(gè)特定的區(qū)域，這種特點(diǎn)使讀寫器能夠抵御來自于其他讀寫器或發(fā)射機(jī)的潛在干擾。

　　鑒于上述情況，為了促進(jìn)RFID系統(tǒng)在我國(guó)物流倉儲(chǔ)管理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，本文提出了一種基于物流倉儲(chǔ)管理應(yīng)用的讀寫器設(shè)計(jì)方泫。該讀寫器的設(shè)計(jì)參照EPC標(biāo)準(zhǔn)，采用915MHz工作頻率．以某公司的RFID標(biāo)簽芯片的讀寫為目標(biāo)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活．生產(chǎn)成本低廉。

　　1標(biāo)簽功能簡(jiǎn)介

  本設(shè)計(jì)所采用的標(biāo)簽為工作在860MHz～960MHz的長(zhǎng)距離無源標(biāo)簽，符合ISO18000- 6標(biāo)準(zhǔn)，工作距離可達(dá)8．4m(具體視天線情況而定)，尤其適用于美國(guó)物流供應(yīng)鏈管理和后勤保障系統(tǒng)。該標(biāo)簽主要有如下特點(diǎn)：

　　(1)通過RF前端的模擬電路將天線接收能量部分轉(zhuǎn)化為電量．為內(nèi)部電路供電。

　　(2)內(nèi)部包含有16位CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))編碼，具有很高的數(shù)據(jù)完整性。

　　(3)擁有快速防沖突機(jī)制，運(yùn)用自身防沖突算法實(shí)現(xiàn)了真正的內(nèi)部沖突判斷以及防沖突。

　　(4)采用64位EPC編碼，且內(nèi)部包含2,16字節(jié)用戶自定義存儲(chǔ)空間。

　　當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入RF區(qū)域后，標(biāo)簽被激活。如果RF區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)簽工作能量的需要，則標(biāo)簽進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)，等待接收讀寫器發(fā)送的指令。標(biāo)簽接收以及發(fā)送的數(shù)據(jù)都將經(jīng)過CRC進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)。同時(shí)．還通過曼徹斯特編碼以及FM0編碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的保護(hù)，  以此來保證數(shù)據(jù)的安全性。讀寫器通過外部命令結(jié)合標(biāo)簽內(nèi)部防沖突算泫來實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的同時(shí)讀取與寫入。

　　2  RFID讀寫器設(shè)計(jì)

　　2．1硬件設(shè)計(jì)

　　RFID讀寫器應(yīng)用在倉儲(chǔ)管理中．除完成簡(jiǎn)單的射頻信號(hào)收發(fā)處理之外，還需要連接上層倉庫管理系統(tǒng)(Warehouse Management System．WMS)，將接收到的標(biāo)簽信息傳送到WMS中，以便于系統(tǒng)完成倉庫的入庫、盤點(diǎn)、出庫管理等操作。同時(shí)，將物品的貨位等信息通過WMS寫入物品標(biāo)簽。所以讀寫器總體結(jié)構(gòu)包括四個(gè)模塊：接收／發(fā)送模塊、控制模塊、對(duì)外接口模塊和供電管理模塊。射頻電路的發(fā)送和接收模塊均由射頻信號(hào)形成和信號(hào)處理兩個(gè)單元組成，射頻功率放大器對(duì)已形成的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大．線性放大器對(duì)所接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行線性放大。所選芯片如表1所示。

　　在射頻電路設(shè)計(jì)中，防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，是非常重要的環(huán)節(jié)。要選擇介電常數(shù)公差小的基材，并對(duì)電路的射頻部分和數(shù)字部分進(jìn)行分塊處理。射頻部分應(yīng)盡量使用SMT(表帖式)元件，減少過孔，并在表面加接地金屬屏蔽層。各模塊具體設(shè)計(jì)如下所述。

　　2．1．1接收／發(fā)送模塊

　　接收／發(fā)送模塊功能框圖如圖1所示。收／發(fā)及調(diào)制解調(diào)芯片選用TI公司的TRF6901，功率放大芯片選用Freescale半導(dǎo)體器件公司的MW4IC915GMBR芯片，線性信號(hào)放大芯片選用RF微器件公司的RF2132。TRF6901芯片內(nèi)部集成了完整的射頻接收和發(fā)送電路，可以組成一個(gè)半雙工射頻收發(fā)電路。其工作頻率可以通過編程進(jìn)行微調(diào)， 頻率范圍為860MHz～930MHz。MW4IC915是為GSM應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款寬頻帶功率放大芯片，它采用了Freescale公司最新的大電壓LDMOS IC技術(shù)，可以工作在750MHz～1000MHz頻段內(nèi)，線性性能幾乎覆蓋整個(gè)應(yīng)用頻段。RF2132是砷化鎵異質(zhì)結(jié)器件(HBT)，能夠很好地滿足射頻電路對(duì)放大功率、效率以及供電電壓的要求。

　　本設(shè)計(jì)中各芯片工作頻率為915MHz。TRF6901調(diào)制方式為OOK，這可通過將內(nèi)部B寄存器第4位置零來實(shí)現(xiàn)。TRF6901將所需發(fā)送信號(hào)通過PA引腳送至MW4IC915的RFIN引腳，對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大之后，由天線發(fā)射出去；天線接收來的信號(hào)通過RF2132對(duì)其進(jìn)行線性信號(hào)放大，之后送TRF6901的LNA引腳，由TRF6901對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，完成讀寫器前端的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。

　　2．1．2對(duì)外接口模塊

　　圖2所示的對(duì)外接口模塊為電平轉(zhuǎn)換電路，主要器件為ICL232。ICL232芯片完成讀寫器內(nèi)部TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換，通過連接標(biāo)準(zhǔn)9針串口與外部計(jì)算機(jī)連接。它是一款符合EIA  RS-232標(biāo)準(zhǔn)和V28規(guī)范的雙向RS-232發(fā)送／接收接口芯片，負(fù)責(zé)完成電路的  TTL／CMOS電平到標(biāo)準(zhǔn)串口電平的轉(zhuǎn)換，并能通過滯后改善數(shù)據(jù)接收的噪聲抑制。引腳1與3之間接1μF電容，引腳2通過1μF電容接5V電源，三個(gè)引腳構(gòu)成+5V電平到+10V電平的轉(zhuǎn)換電路；引腳4與5之間接1μF電容，引腳6通過1μF電容接地，三個(gè)引腳構(gòu)成+10V電平到－10V電平的轉(zhuǎn)換電路。

　　2．1．3控制模塊

　　控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。讀寫器內(nèi)部控制任務(wù)主要由W77E58芯片完成，它是一款兼容8051的8位CMOS快速M(fèi)CU。同8051相比，它減少了機(jī)器指令執(zhí)行時(shí)間以及存儲(chǔ)周期，降低了功耗。它包含32KB Flash EPROM，支持無外部存儲(chǔ)元件的片上1KB SRAM，節(jié)約了更多的I／O引腳。它擁有四個(gè)8位I／O端口和一個(gè)附加的4位I／O口以及等待狀態(tài)控制信號(hào)，三個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，12個(gè)兩中斷優(yōu)先級(jí)的中斷源，兩個(gè)加強(qiáng)型全雙工串行通信端口以及可編程看門狗定時(shí)器；只需外加復(fù)位、晶體振蕩電路和供電電路即可。

　　本設(shè)計(jì)中，W77E58工作頻率為40MHz。它的P1口連接TRF6901各個(gè)控制引腳，完成對(duì)收發(fā)芯片的控制并提供數(shù)據(jù)傳輸所需時(shí)鐘信號(hào)等；串口1連接TRF6901的數(shù)據(jù)收發(fā)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通信。  MCU串口0連接芯片ICL232，通過異步通信完成數(shù)據(jù)傳輸，只要設(shè)定W77E58串口1工作在方式1，選擇與計(jì)算機(jī)同樣的波特率即可。該部分設(shè)計(jì)主要集中在程序設(shè)計(jì)部分，將P1口當(dāng)作普通I／O口用即可。