實(shí)驗(yàn)3、UHF特高頻RFID實(shí)驗(yàn)

1、 實(shí)驗(yàn)三 UHF特高頻RFID實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1 掌握UHF特高頻通訊原理1.2 掌握UHF特高頻通訊協(xié)議1.3 掌握讀卡器操作流程1.4 了解UHF特高頻應(yīng)用二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件：RFID實(shí)驗(yàn)箱套件，電腦等。軟件：Keil。三、 實(shí)驗(yàn)原理3.1特高頻RIFD系統(tǒng)典型的特高頻UHF（Ultra-High Frequency）RFID系統(tǒng)包括閱讀器（Reader）和電子標(biāo)簽（Tag，也稱(chēng)應(yīng)答器Responder）。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3.1所示。工作步驟如下：閱讀器發(fā)射電磁波到標(biāo)簽；標(biāo)簽從電磁波中提取工作所需要的能量；標(biāo)簽使用內(nèi)部集成電路芯片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)調(diào)制并反向散射一部分電磁波到閱讀器；閱讀器

2、接收反向散射電磁波信號(hào)并解調(diào)以獲得標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。電子標(biāo)簽通過(guò)反向散射調(diào)制技術(shù)給讀寫(xiě)器發(fā)送信息。反向散射技術(shù)是一種無(wú)源RFID電子標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)回讀寫(xiě)器時(shí)所采用的通信方式。根據(jù)要發(fā)送的數(shù)據(jù)的不同，通過(guò)控制電子標(biāo)簽的天線阻抗，使得反射的載波幅度產(chǎn)生微小的變化，這樣反射的回波就攜帶了所需的傳送數(shù)據(jù)?？刂齐娮訕?biāo)簽天線阻抗的方法有很多，都是基于一種稱(chēng)為“阻抗開(kāi)關(guān)”的方法，即通過(guò)數(shù)據(jù)變化來(lái)控制負(fù)載電阻的接通和斷開(kāi)，那么這些數(shù)據(jù)就能夠從標(biāo)簽傳輸?shù)阶x寫(xiě)器。讀寫(xiě)器 天線 Tag圖 3.1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3.2電子標(biāo)簽存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特高頻標(biāo)簽的工作頻率在860MHz960MHz之間，可分為有源標(biāo)簽與無(wú)源標(biāo)簽兩類(lèi)

3、。工作時(shí)，射頻標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場(chǎng)為無(wú)源標(biāo)簽提供射頻能量，將無(wú)源標(biāo)簽喚醒。目前UHF頻段的標(biāo)簽芯片制造商主要有Alien、IMPINJ、TI、NXP、STM等，標(biāo)簽制造商通過(guò)設(shè)計(jì)天線并制作封裝而生產(chǎn)出標(biāo)簽。標(biāo)簽的封裝是各種各樣，下圖3.2是幾種標(biāo)簽的外形。不同廠商的標(biāo)簽天線規(guī)格不同，同時(shí)天線的諧振頻率點(diǎn)也不完全相同，這樣當(dāng)使用固定頻點(diǎn)的讀寫(xiě)器讀一類(lèi)標(biāo)簽時(shí)的效果很好，而讀另一類(lèi)標(biāo)簽的效果卻會(huì)很差。電子標(biāo)簽芯片中的存儲(chǔ)器EEPROM一般分為4個(gè)區(qū)，分別為保留內(nèi)存(Reserved區(qū))、EPC存儲(chǔ)器(EPC區(qū))、TID存儲(chǔ)器(

4、TID區(qū))、用戶(hù)存儲(chǔ)器(USR區(qū)).有的標(biāo)簽可能沒(méi)有USR區(qū)，而且標(biāo)簽的EEPROM存儲(chǔ)器的大小會(huì)不同。比如有的標(biāo)簽的TID是8字節(jié)，有的是10個(gè)字節(jié)，其它區(qū)也一樣。標(biāo)簽內(nèi)部存儲(chǔ)器具體結(jié)構(gòu)如下圖3.3所示，3.2 幾種標(biāo)簽外形圖 3.3標(biāo)簽內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) l 保留內(nèi)存：保留內(nèi)存包含滅活口令(殺死口令)和訪問(wèn)口令。滅活口令為存儲(chǔ)在保留內(nèi)存 00h 至 1Fh 的32 位數(shù)值，MSB 優(yōu)先，默認(rèn)(未編程時(shí))值為零。詢(xún)問(wèn)機(jī)可以使用標(biāo)簽的滅活口令滅活標(biāo)簽，使其不對(duì)詢(xún)問(wèn)機(jī)做任何響應(yīng)。但如果標(biāo)簽的滅活口令為零，則標(biāo)簽不會(huì)執(zhí)行相關(guān)滅活操作?？赡苡行?biāo)簽沒(méi)有保留內(nèi)存區(qū)，不含有滅活口令。對(duì)這類(lèi)標(biāo)簽操作時(shí)，可以認(rèn)為

5、其內(nèi)部有初始化為零值的滅活口令，且該口令被永久的讀鎖定和寫(xiě)鎖定。訪問(wèn)口令為存儲(chǔ)在保留內(nèi)存 20h 至 3Fh的 32 位數(shù)值，MSB 優(yōu)先，默認(rèn)(未編程時(shí))值為零。訪問(wèn)口令非零的標(biāo)簽在轉(zhuǎn)為保護(hù)狀態(tài)之前要求詢(xún)問(wèn)機(jī)發(fā)出正確的訪問(wèn)口令?？赡苡行?biāo)簽沒(méi)有保留內(nèi)存區(qū)，不含有訪問(wèn)口令。對(duì)這類(lèi)標(biāo)簽操作時(shí)，可以認(rèn)為其內(nèi)部有初始化為零值的訪問(wèn)口令，且該口令被永久的讀鎖定和寫(xiě)鎖定。l EPC存儲(chǔ)器：EPC 存儲(chǔ)器包含在 00h 至 0Fh 存儲(chǔ)位置的 16 位 StoredCR在 10h 至 1Fh 存儲(chǔ)地址的協(xié)議控制字(StoredPC)和在 20h 開(kāi)始的 EPC。有些標(biāo)簽還包含地址從 210h 開(kāi)始的長(zhǎng)為一

6、個(gè)或兩個(gè)字節(jié)的擴(kuò)展協(xié)議控制字(XPC)。StoredCRC、StoredPC、EPC 應(yīng)優(yōu)先存儲(chǔ) MSB (EPC 的 MSB 應(yīng)存儲(chǔ)在20的存儲(chǔ)位置）。StoredCRC 是標(biāo)簽為了保護(hù)在盤(pán)存操作期間反向散射的 StoredPC 位和 EPC 而使用的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)。上電后，表親啊計(jì)算EPC存儲(chǔ)器的末端，但必須直至StoredPC中的length field規(guī)定的EPC的末端），并將所有計(jì)算的CRC-16映射到EPC存儲(chǔ)器00h值1FH中，MSB優(yōu)先。StoredPC 被劃分成 10h 至 14h 存儲(chǔ)位置的 EPC 長(zhǎng)度、15h 存儲(chǔ)位置的用戶(hù)存儲(chǔ)區(qū)標(biāo)識(shí)(UMI）、16h 存儲(chǔ)位置的擴(kuò)展協(xié)

7、議控制字 XPC 標(biāo)識(shí)(XI)和在 17h 至 1Fh 存儲(chǔ)位置的系統(tǒng)編號(hào)標(biāo)識(shí)(NSI)。StoredPC 默認(rèn)(未編程時(shí))值為 0000h。l TID存儲(chǔ)器：TID 存儲(chǔ)器應(yīng)包含 00h 至 07h 存儲(chǔ)位置的 8 位 ISO/IEC 15963 分配類(lèi)識(shí)別(E0h 或 E2h)。07h以上存儲(chǔ)位置的存儲(chǔ)值由分配類(lèi)識(shí)別的不同而不同。但一般包含制造商號(hào)和標(biāo)簽序號(hào)，同時(shí)還包含了足夠的信息以保證讀寫(xiě)器對(duì) TID 存儲(chǔ)區(qū)的正常操作。l 用戶(hù)存儲(chǔ)器：用戶(hù)存儲(chǔ)器允許存儲(chǔ)用戶(hù)指定數(shù)據(jù)。該存儲(chǔ)器組織為用戶(hù)定義。如果標(biāo)簽用戶(hù)存儲(chǔ)器未被編程，則其第一個(gè)字節(jié)的低五位(存儲(chǔ)位置為 03h07h)應(yīng)該為 0。注意所有

8、存儲(chǔ)體的邏輯尋址均從零(00h)開(kāi)始，在一個(gè)邏輯存儲(chǔ)體中的操作不應(yīng)訪問(wèn)另 一存儲(chǔ)體內(nèi)的存儲(chǔ)位置，物理內(nèi)存映象圖為提供商指定。訪問(wèn)存儲(chǔ)器的命令需包含選擇存儲(chǔ)體類(lèi)型的 MemBank 參數(shù)和以 EBV 格式選擇該存儲(chǔ)體內(nèi)特定存儲(chǔ)位置的地址參數(shù)。更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考EPC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3.3 UHF讀寫(xiě)器協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介特高頻讀寫(xiě)系統(tǒng)使用ISO18000-6c或EPC class1Generation2標(biāo)準(zhǔn)。讀寫(xiě)器工作頻段是840Mhz960Mhz。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)UHF模塊采用后者作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。EPC Class1 Generation2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定高的空中接口的基本標(biāo)準(zhǔn)有：l 讀寫(xiě)器發(fā)送命令編碼采用

9、脈沖間隔編碼PIE（Pulse-Interval Encode）。它采用脈沖時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)表示數(shù)據(jù)0或1。l 閱讀器到標(biāo)簽的發(fā)射信號(hào)調(diào)制方式為DSB-ASK，SSB-ASK，或PR-ASK，調(diào)制深度最小為80%l 電子標(biāo)簽返回信號(hào)編碼方式FM0，Miller-2，Miller-4，或Miller-8l 電子標(biāo)簽返回信號(hào)調(diào)制方式ASK或者PSK（由標(biāo)簽芯片制造商決定）l 標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了整個(gè)讀寫(xiě)標(biāo)簽的時(shí)序，標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖等。同時(shí)各國(guó)家根據(jù)其國(guó)情而規(guī)定了具體使用的頻段和有效的發(fā)射功率，在我國(guó)頻率使用的相關(guān)規(guī)定有：l 工作頻段840845Mhz和920925Mhzl 載波頻率容限20e-6l 信道帶寬

10、（99%的能量）250Khzl 臨道功率泄露比為40dB（第一鄰道），60dB（第二鄰道）l 發(fā)射功率2WE 3.3.2 標(biāo)簽狀態(tài)EPC Class1 Gen2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了使用的命令集，命令可以分為通用命令、可選命令、以及定制命令，比如Select，Query，QueryRep，Ack，Req_RN，Read，Write等。讀寫(xiě)器可以發(fā)送不同的命令，標(biāo)簽芯片根據(jù)接收到的不同命令轉(zhuǎn)換其狀態(tài)，標(biāo)簽有7種狀態(tài)（圖3.4），Ready，Arbitrate，Reply，Acknowledge，Open，Secured，Killed。UHF讀寫(xiě)器通過(guò)發(fā)送不同命令，讓標(biāo)簽在這7種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。標(biāo)簽在不同

11、的狀態(tài)，會(huì)對(duì)寫(xiě)器發(fā)出的相同命令有不同的反應(yīng)，時(shí)序表現(xiàn)也不盡相同。例如在標(biāo)簽進(jìn)入了Open或Secured狀態(tài)后，無(wú)論等多長(zhǎng)時(shí)間，發(fā)送訪問(wèn)命令都會(huì)在這個(gè)狀態(tài)，而在其它狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)超時(shí)并進(jìn)入Arbitrate狀態(tài)。就緒（Ready）狀態(tài)，就緒可以被視為通電標(biāo)簽被滅活或標(biāo)簽正參與某盤(pán)存周期的保持狀態(tài)。進(jìn)入激勵(lì)射頻場(chǎng)后，未滅活的標(biāo)簽應(yīng)進(jìn)入就緒狀態(tài)。標(biāo)簽應(yīng)保持其就緒狀態(tài)直至收到其已盤(pán)參數(shù)(Query 命令規(guī)定的通話的已盤(pán)參數(shù))和 sel 參數(shù)與其當(dāng)前標(biāo)記值匹配的 Query 命令。匹配標(biāo)簽應(yīng)從其 RNG 中抽出 Q 位數(shù)，將該數(shù)字載入其槽計(jì)數(shù)器內(nèi)，若該數(shù)字非零則轉(zhuǎn)換到仲裁狀態(tài)，若該數(shù)字為零則轉(zhuǎn)換到應(yīng)答狀

12、態(tài)。若處于除被滅活之外任何狀態(tài)的標(biāo)簽電源斷電，則應(yīng)在恢復(fù)電源后即返回就緒狀態(tài)。仲裁（Arbitrate）狀態(tài)，仲裁可以被視為參與當(dāng)前盤(pán)存周期但其槽計(jì)數(shù)器數(shù)值非零的標(biāo)簽的“保持狀態(tài)”。處于仲裁狀態(tài)的標(biāo)簽每次收到其通話參數(shù)與當(dāng)前盤(pán)存周期通話匹配的 QueryRep命令后使其槽計(jì)數(shù)器減值，當(dāng)槽計(jì)數(shù)器達(dá)到 0000h 時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)換到應(yīng)答狀態(tài)。以0000h 的槽值轉(zhuǎn)換到仲裁狀態(tài)(例如從應(yīng)答狀態(tài)轉(zhuǎn)換)的標(biāo)簽應(yīng)使其槽計(jì)數(shù)器在下一個(gè)QueryRep 時(shí)從 0000h 減值到 7FFFh，由于其槽值此時(shí)非零，因此仍然處于仲裁狀態(tài)。應(yīng)答（Reply)狀態(tài)，一旦進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)，標(biāo)簽應(yīng)反向散射 RN16。若標(biāo)簽收到有效確

13、認(rèn)(ACK)，則轉(zhuǎn)換到確認(rèn)狀態(tài)，反向散射其 PC、EPC 和 CRC-16。若標(biāo)簽未能接收到 ACK，或收到無(wú)效 ACK，則應(yīng)返回仲裁狀態(tài)。確認(rèn)（Acknowledge）狀態(tài)，處于確認(rèn)狀態(tài)的標(biāo)簽可以轉(zhuǎn)換到除滅活之外的任何狀態(tài)，視所收到的具體命令而定。保護(hù)（Secured）狀態(tài)，處于確認(rèn)狀態(tài)的，其訪問(wèn)口令為零的標(biāo)簽收到Req_RN命令后應(yīng)立即轉(zhuǎn)換成保護(hù)狀態(tài)，反向散射新的詢(xún)問(wèn)機(jī)應(yīng)在隨后的命令中使用的和標(biāo)簽在隨后的應(yīng)答中使用的RN16(標(biāo)為句柄)。處于開(kāi)放狀態(tài)的其訪問(wèn)口令非零應(yīng)在收到有效access命令即轉(zhuǎn)換到保護(hù)狀態(tài)，保持原來(lái)從確認(rèn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到開(kāi)放狀態(tài)時(shí)反向散射的句柄不變。處于保護(hù)狀態(tài)的標(biāo)簽可以執(zhí)行

14、所有訪問(wèn)命令。處于保護(hù)狀態(tài)的標(biāo)簽可以轉(zhuǎn)換到除開(kāi)放或確認(rèn)之外的任何狀態(tài)，具體情況視所到的命令而定。滅活（Killed）狀態(tài)，處于開(kāi)放狀態(tài)或保護(hù)狀態(tài)的標(biāo)簽應(yīng)在收到kill命令后以有效非零滅活口令和有效句柄進(jìn)入滅活狀態(tài)。進(jìn)入滅活狀態(tài)后，標(biāo)簽應(yīng)通知詢(xún)問(wèn)機(jī)滅活操作成功，此后不再對(duì)詢(xún)問(wèn)機(jī)作出響應(yīng)。被滅活的標(biāo)簽應(yīng)在所有情況下都處于滅活狀態(tài)，并在隨后的開(kāi)啟電源的操作中立即進(jìn)入滅活狀態(tài)。滅活操作具有不可逆性。圖3.4 UHF標(biāo)簽狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖3.4 UHF讀寫(xiě)器特高頻RFID讀寫(xiě)器利用PIE編碼的DSB-ASK、SSB-ASK或PR-ASK調(diào)制射頻載波，與一個(gè)或一個(gè)以上的標(biāo)簽通信。讀寫(xiě)器采用圖 3.4 所示的三個(gè)基

15、本操作管理標(biāo)簽群。每個(gè)操作均由一個(gè)或一個(gè)以上的命令組成。這三個(gè)基本的操作定義如下：1) 選擇：讀寫(xiě)器通過(guò)該命令選擇標(biāo)簽群以便于存盤(pán)和訪問(wèn)。讀寫(xiě)器可以以一個(gè)或一個(gè)以上的select命令則存盤(pán)之前選擇特定的標(biāo)簽群。2) 存盤(pán)：讀寫(xiě)器識(shí)別標(biāo)簽的過(guò)程。讀寫(xiě)器在四個(gè)通話的其中一個(gè)通話中傳輸Query命令，開(kāi)始一個(gè)盤(pán)存周期。一個(gè)或一個(gè)以上的標(biāo)簽可以應(yīng)答。詢(xún)問(wèn)機(jī)查詢(xún)某個(gè)標(biāo)簽的應(yīng)答，請(qǐng)求該標(biāo)簽發(fā)出StoredPC、EPC和StoredCRC。同時(shí)只在一個(gè)通話中進(jìn)行一個(gè)盤(pán)存周期。3) 訪問(wèn)： 讀寫(xiě)器與各標(biāo)簽交易的過(guò)程。訪問(wèn)前必須要對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，訪問(wèn)由多個(gè)命令組成。更多協(xié)議細(xì)節(jié)請(qǐng)閱讀相關(guān)資料。3.5 實(shí)驗(yàn)箱ZH

16、D型UHF RFID模塊常用指令：IOT-L02-03型RFID實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)使用的UHF RFID模塊為ZHD900+ UHF RFID模塊，它 和上位機(jī)的通信協(xié)議詳細(xì)介紹請(qǐng)參考配套光盤(pán)附件超高頻資料 ZHD通信接口定義20121016.pdf。在本實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)幾個(gè)常用指令進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作l 讀取模塊狀態(tài)命令示例：l 讀取功率命令示例：l 設(shè)置功率命令示例(將功率設(shè)置為1A既26dB)：l 單標(biāo)簽查詢(xún)示例：該命令啟動(dòng)標(biāo)簽識(shí)別循環(huán)，對(duì)單張標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別時(shí)使用該命令。l 標(biāo)簽查詢(xún)防沖撞指令：該命令啟動(dòng)標(biāo)簽識(shí)別循環(huán)，對(duì)多張標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別時(shí)使用該指令。l 標(biāo)簽識(shí)別單步識(shí)別指令：該命令識(shí)別單張標(biāo)簽，與單標(biāo)簽識(shí)別

17、和防沖撞識(shí)別不同的是該命令不啟動(dòng)識(shí)別循環(huán)。四、 實(shí)驗(yàn)步驟4.1為實(shí)驗(yàn)箱上電，將低頻模塊旁的S14 DB9選擇開(kāi)關(guān)撥打至中間檔，此時(shí)，UART1號(hào)DB9接頭與節(jié)點(diǎn)11上的特高頻模塊通信。將實(shí)驗(yàn)箱配套的特高頻讀卡器天線接到特高頻模塊的SMA接頭上4.2 將PC機(jī)的串口與UART1 DB9串口相連，在PC機(jī)上打開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)RFID實(shí)驗(yàn)箱配套光盤(pán)物聯(lián)網(wǎng)綜合RFID實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)用程序 目錄下的ComAssistan.exe應(yīng)用軟件，選擇正確的端口號(hào)并進(jìn)行如圖3.5所示的配置，并“打開(kāi)串口”圖3.54.3 讀取特高頻模塊工作狀態(tài)在串口調(diào)試助手上十六進(jìn)制發(fā)送數(shù)據(jù)“AA 02 00 55”，如果有十六進(jìn)制字樣“AA

18、03 00 00 55”返回，證明特高頻讀卡模塊正常工作，如圖3.6所示。圖3.64.4 單標(biāo)簽循環(huán)讀取操作在串口調(diào)試助手上十六進(jìn)制發(fā)送數(shù)據(jù)“AA 02 00 55”，首先返回十六進(jìn)制字樣“AA 03 10 01 55”返回，再進(jìn)行刷卡操作，將不斷有數(shù)據(jù)返回，一張標(biāo)簽被讀了多次，如圖3.7所示。圖3.7在本例中返回的卡號(hào)是“AA 11 10 00 30 00 E2 00 20 64 85 15 00 51 05 20 DC 4C 55”，之后是不斷的重復(fù)該號(hào)碼。4.5 單標(biāo)簽單步讀取操作在串口調(diào)試助手上十六進(jìn)制發(fā)送數(shù)據(jù)“AA 02 18 55”，再進(jìn)行刷卡操作，此時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)返回。如果想要讀取卡號(hào)，必須先將特高頻標(biāo)簽置于天線的可讀范圍內(nèi)，再次發(fā)送命令“AA 02 18 55”，才會(huì)有數(shù)據(jù)返回，效果如圖3.8所示。S圖3.8做到這里大家是否已經(jīng)觀察和意識(shí)到了4.4節(jié)和4.5節(jié)讀卡操作的不同。4.4節(jié)的操作時(shí)上位機(jī)告訴讀卡器不停的監(jiān)視天線范圍內(nèi)的標(biāo)簽并