摘  要： 介绍了基于DSP实现RFID超高频(UHF)射频识别系统的方法，该系统采用TMS320F2812 DSP作为主控芯片，AS3991作为无线收发模块，基于EPC GEN2协议实现RFID读写器对标签的识别、读写等操作。DSP的使用简化了射频系统的复杂度，使得该系统具有低成本、通信稳定、操作简单等优点，应用前景十分广阔，对RFID 的推广具有一定的指导意义。
关键词： DSP；RFID；标签；EPC；GEN2

    射频识别RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触的自动标识技术，它利用射频信号和空间耦合来实现对物体的自动识别。与其他的识别方式相比，射频识别技术能对移动的多个目标识别，特别是随着物联网的提出，RFID技术的优势更加突显，其应用领域更加广泛。例如，RFID标签中有足够的存储空间，可以存放物品的有用信息，能够真正实现让物品“开口说话”[1，2]。
    本文利用TI公司TMS320F2812 DSP 处理器作为主控芯片，设计实现了一套基于EPC GEN2协议标准的射频识别系统，通过USB与上位机通信。
1 RFID系统原理
    一个典型的RFID系统是由读写器、标签和天线等组成。读写器用来读写标签上的数据，标签是存储数据的记忆芯片，天线则用来传输读写器和标签之间的射频信号。读写器首先从上位机得到指令，然后对指令进行编码调制并通过天线发送出去，处在读写器工作范围内的标签接收命令并通过改变能量强度发射响应信号，读写器通过天线接收响应信号并对其解调解码后传输到上位机做进一步处理。
    EPC GEN2标准定义了UHF射频识别系统的通信协议，其工作频率范围为860 MHz～960 MHz，采用ITF通信方式，包括物理层和标签识别层两部分。
    阅读器发往标签的信息可以采用双边带幅度键控（DSB-ASK）、单边带幅度键控（SSB-ASK）或者反向相位幅度键控（PR-ASK）的方法进行调制载波，数据编码方式采用脉冲间隔编码（PIE）。标签从其未调制波中获取工作能量，要发送的信息通过反向散射调制载波的相位或者幅度，编码方式采用双向间隔码（FM0）编码或者Miller调制副载波。阅读器和标签之间的通信是半双工的，阅读器可以通过发送选择（Select）、盘存（Inventory）和访问（Access）命令来对标签进行读写等操作[3]。
    本系统通过主控芯片来发送命令/数据和接收处理过的数据，射频模块完成协议的操作和数据的编、解码，并通过主控芯片USB与上位机进行数据交互。
2 RFID硬件设计
2.1 主控芯片
    本系统的主控芯片使用TI公司TMS320F2812。该DSP芯片采用高性能静态CMOS技术，具有低功耗、高速度的特点。其内核依靠1.8 V供电，I/O口则是3.3 V供电，主频高达150 MHz，单指令周期仅为6.67 ns。另外该芯片还提供了SPI接口，并支持JTAG边界扫描，方便了代码的开发[4]。芯片的高速运算能力和短指令周期，保证了信息不会丢失，且有效减少了干扰信号，提高了系统的稳定性和可靠性。
    本系统采用SPI串行口与射频模块进行通信，F2812中SPI接口还支持一个16级的发送接收FIFO，从而保证了信息的可靠，减少了CPU的损耗，如图1所示。

2.2 电源模块
    采用TI公司的TPS767D318作为电压的转换芯片，可同时为DSP提供1.8 V和3.3 V电压，满足内核和I/O口的供电要求。
2.3 射频模块
    射频模块采用的是奥地利微系统公司研制的用于超高频RFID读写器的专用芯片AS3991，其封装形式为64脚QFN，原理如图2所示。该芯片具有集成度高的特点，芯片内集成了接收电路、发送电路、协议处理单元、连接MCU的并行接口或者SPI串行接口等。支持两种工作模式——完全支持EPC GEN2协议和兼容IS0 18000-6A/B协议[5]。本系统采用的是EPC GEN2协议。

    需要发送给RFID的命令和数据信号经编码、调制、射频放大后输出到天线。由天线接收到的RFID响应信号送到芯片输入端，经由IQ MIXER得到两路的中频信号IQ，再由增益、滤波、数字化转换就得到了相应的数据信号，之后由芯片的协议处理模块进行解码、CRC校验后存入FIFO中，此时再由DSP根据SPI协议读取数据。
3 RFID软件设计
3.1 防碰撞算法
    本系统所采用的防碰撞算法是EPC GEN2协议的概率分槽防碰撞算法。根据EPC GEN2协议，算法流程如图3所示。

    读写器开始一个查询周期，向标签群发送一个Query()命令，在这个命令中有一个参数Q，当处在读写器的工作区内时，标签会产生一个0~2Q-1之间的随机数，并将此随机数放入槽计数器中。当处在工作区中的标签的随机数为0时，返回RN16给读写器，进行应答；当有多个标签发送RN16时，发生冲突，可以在下一轮的搜索中通过命令QueryAdjust()进行Q值调节，重新进行搜索；当没有标签应答时，可以发送QueryRep()命令将槽计数器中的值减一，直至有标签应答出现。
3.2 读标签
    读标签操作可以分为单标签和多标签读操作，由于单标签读操作是多标签读操作的特例，本文只介绍多标签读操作。首先使用函数GEN2SelectTag()确定标签群，再使用GEN2QueryStandard()命令对标签开始盘存周期，然后使用QueryRep()和ACK()命令对选定标签群中标签逐个识别，并对正确识别的标签序列号进行存储，需要进行2Q-1次才能识别所有标签。如果发生冲突则需要重新设置Q值，然后重复上述操作。
3.3 标签的写操作
    读写器首先通过GEN2SelectTag()和GEN2QueryStandard()命令确定一个唯一的标签，然后判断是否进行了加密，如果没有，则直接进行写操作；否则，读写器需要发送Access()和Req_RN(16)命令来判断对标签是否具有写操作的权限。工作流程如图4所示。

    本文利用TMS320F2812 DSP和AS3991设计了一个RFID超高频系统，成功实现了对EPC GEN2电子标签的读写操作，并且可以通过USB与上位机实现通信。多标签读取时抗干扰性良好。本系统操作简单、传输可靠、应用方便，对RFID的推广有重要意义。
参考文献
[1] 物联网关键技术[EB/OL].[2010-7-5].http：//www.yzkx.org/reada.asp?id=2966.
[2] 什么是RFID[EB/OL].[2009-9-17].http：//finance.ifeng.com/stock/special/wlbk/gmxx/20090917/1250660.shtml.
[3] EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz～ 960 MHz.Version 1.1.O.2005.
[4] 孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社，2008.
[5] Austria Micro Systems.AS3990/AS3991 UHF RFID Single Chip Reader EPC ClasslGen2 Compatible.Datasheet.  ReviSion 1.4[S].2010.