2021年01月10日 | ARM9的超高频读写器基带编解码设计

引言

普通的UHF读写器主控芯片使用FPGA较多，其优点是FPGA对时序逻辑处理速度快，使用HDL语言很容易实现协议的编码与解码，但FPGA芯片本身很少具备串口、网口等通信接口模块，功能扩展较麻烦。由于ARM9芯片集成了很多扩展接口，同时进行操作系统移植等更高层次的设计也变得很容易，但对时序逻辑处理较难。因而本文提出了基于ARM9的UHF RFID读写器基带编解码方法，并加以实现。

1 基本原理

UHF RFID国际标准协议规定读写器到电子标签的通信应采用DSB—ASK、SSB—ASK或者PR—ASK调制方式。本文使用ARM9芯片S3C2440的PWM(脉宽调制)控制模块进行PIE编码，通过编码信号控制射频开关实现OOK调制。电子标签接收到命令后反向散射副载波应答，经过射频模块的天线接收后被解调电路还原成MILLER2数据。构造MILLER2解码状态机，使用S3C2440的外部中断对MILLER2时序序列进行上升沿捕捉，捕捉到的两次中断的时间间隔作为状态机输入，进而解调出标签反射回来的数据。系统的硬件框图如图1所示。

读写器射频模块的工作流程为：发送命令时，PIE编码电平控制射频芯片开关，当开关开启时输出射频载波，关闭则不输出，以达到OOK调制载波的目的。接收机采用零中频接收机方案，直接对天线接收到的标签反向散射信号进行解调，解调完毕得到相位相差90°的I、Q两路信号，通过差分放大器放大处理后，输出到比较器，经过比较后电路输出MILLER2编码时序信号。

2 PIE编码

2．1 PIE码简介

EPC GNE2协议规定UHF读卡器向标签发送命令时，数据应采用PIE编码。PIE码通过高低电平的时间长度不同来规定数据是“1”还是“0”。协议使用Tari代表数据“0”，时间长度在6．25～25μs范围内，容差为±1％，数据“1”的宽度在为1．5Tari～2．5Tari，如图2所示。本次编码中，Tari值为6．4μs，数据“1”的长度为11．4μs，PW的长度为3．2μs。

协议规定，完整的PIE码需在有效数据前加上前同步码或帧同步码。前同步码由定界符、Tari、RTcal以及TRcal这4段组成，用在Query命令上。帧同步码省去了TRcal而直接由前三项组成，用在其他命令上。前同步码示意如图3所示。

2．2 PWM实现PIE编码

S3C2440有5个16位的定时器，其中定时器1～4具有PWM(脉宽调制)功能，定时器使用经过分频后的系统时钟PCLK作为时钟输入。本设计中100 MHz的PCLK经过2分频得到50 MHz频率的定时器输入时钟，定时器每计数一次耗时0．02μs。定时器使用两个16位的缓冲寄存器TCNTB和TCMPB来实现PWM功能，TCNTB为一次PWM输出计数次数，采用递减的方式计数，当计数减为TCMPB的时候，PWM输出电平反转。以数据“0”为例，其脉冲总宽度为6．4μs，低电平持续时间3．2 μs，则可计算出TCNTB=6．4／0．02=320次，TCMTB=3．2／0．02=160次。

为实现连续的PWM输出，需要让定时器工作在自动重载模式，即当定时器计数器减为0的时候，在定时器中断处理函数里更新TCNTB及TCNMPB，让定时器重新开始一次脉宽输出。定时器1初始化时经过以下步骤：

①TCNMB以及TCMPB寄存器赋非零初值；

②TCON中人工装载位配置为1，TCNTB和TCMPB更新到内部计数器；

③TCON中自动重载位配置为1，为实现连续的PWM功能；

④TCON中输出翻转位配置为1，脉冲以高电平开始；

⑤TCON置为启动位；

⑥TCON设置关闭人工装载，定时器开始启动。

经过以上配置后，将定时器I／O引脚配置为PWM输出模式就可以进行PWM输出。以一个Query命令的编码为例，Query命令是由前同步码和22位数据构成，先将这22位数据计算好并保存在全局数组data[]中，发送Query命令时开启定时器1并允许定时器1中断，在中断处理函数里面更新TCNTB以及TCMPB的值来决定下一个脉冲的PWM输出。编码程序流程如图4所示。

正确的Query命令会让标签返回16位伪随机数RN16。为了测试Query命令是否发送正确，使用示波器观察比较器输出，如果有MILLER2编码的16位数据输出，则表明Query命令正确。使用示波器观察的结果如图5所示，可以看出是MILLER2编码的序列，详细分析其位数后确认是16位，验证了PIE编码的正确性。

3 MILLER2解码

3．1 MILLER2码介绍

EPC GEN2协议中规定标签反向散射的数据应该采用FM0或者MILLER的编码方式。MILLER定义在两个数据“0”之间变换相位，在数据“1”中间放置一个相转化，MILLER2码则表示每一位数据重复两个副载波周期。完整的MILLER2编码，需要在有效数据前加上前同步码。前同步码可编程选择格式，在Query命令中将M和Trext这两位设置为1，选择前同步码由16个数据“0”加上数据序列“101112”构成。MILLER2数据定义和前同步码如图6所示。MILLER2码每一位数据的时间长度由Tari值决定，本设计中为2个Tari(即1 2．8μs)。

3．2 解码状态机

本文使用S3C2440的外部中断捕捉比较器的输出，使用单边触发上升沿检测。对正确的MILLER2编码序列进行上升沿捕捉时，两次中断的时间间隔有a和b两种情况，其中a表示两次中断的时间间隔为Tari，即6．4μs，b表示间隔为1．5Tari，即9．6μs，据此绘制了MILLER2编码的状态以及状态转换图。状态共有22个，其中用于前导码检测的状态有13个，用于数据检测的有9个状态。部分前导码状态以及全部数据状态如图7所示。

下面描述各个状态的意义。

s0：解码开始，表示收到1个a间隔；

s1：前导码状态的一种，表示收到2个a间隔；

s2：表示收到3个a间隔；

s3：收到4个a间隔，s3状态若连续收到a间隔，则仍旧归于s3状态；

s4：表示s3收到b间隔，此时前导码中的16个数据“0”解码结束，进入数据序列“101112”解码状态；

s5～sa：前导码中的数据序列“101112”检测状态，依次类推，图7中省略；

sb：前导码结束状态；

d1：收到数据“0”的2／4位；

d2：收到完整数据“0”以及数据“1”的1／4位；

d3：收到完整数据“0”以及数据“0”的1／4位；

d4：收到数据“1”的3／4位；

d5：收到数据“0”的3／4位；

d6：收到完整数据“1”以及数据“0”或者“1”的1／4位；

d7：收到完整数据“0”以及数据“1”的1／4位；

d8：收到完整数据“1”；

d9：收到完整数据“0”以及数据“0”的2／4位。

以上状态中，当状态机当前状态为d2、d3、d6、d7、d8、d9的一种时，表示收到1位有效数据。状态转换图如图8所示，状态d2、d7只画出了有效输入时的转换图，在无效输入时结束状态机程序返回。

3．3 MILLER2解码程序设计

进行MILLER2解码主要是把接收到的中断时间间隔作为状态机的输入，在状态机里进行判断和状态转换，解码出有效数据。本设计中，使用上面描述的编码方式码发送Query命令，UHF电子标签收到有效命令之后反向散射采用MILLER2编码的16位伪随机数RN16。程序在发送完毕Query命令之后立即使能外部中断，在外部中断处理函数中，把中断时间间隔保存在数组中，等接收的中断间隔超过b或者中断次数超过接收RN16所需要的次数后，关闭中断。在外部程序中通过状态机进行解码，解调的同时对有效位进行计数，计数器达到16位后，返回解调出来的数据，否则返回0。解调程序流程如图9所示。

在主函数里面循环发送Query命令并进行MILLER2解码，如果解码成功则使用串口工具在上位机上打印出解调出来的RN16的值，解码失败则不打印。在PC上使用串口工具SecureCRT观察到以十六进制输出的RN16，如图10所示，表明MILLER2解码成功。

结语

本文提出使用ARM9进行UHF RFID读卡器基带编解码，并加以实现。ARM9芯片丰富的外设使该方案拥有较好的扩展性、实用性，为进行系统级别的设计打下了基础。