一種支持多接口協議通信的超高頻rfid讀寫器的製造方法
2023-11-10 17:40:02 2
一種支持多接口協議通信的超高頻rfid讀寫器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種支持多接口協議通信的超高頻RFID讀寫器，包括超高頻讀寫模塊、接口轉換模塊和電源模塊。超高頻讀寫模塊用於實現超高頻RFID讀寫功能，主要由RFID收發器、功率放大器、處理器、射頻天線組成；接口轉換模塊用於將超高頻讀寫模塊輸出的串行數據轉換成符合RS232或RS485或乙太網/無線網接口格式的數據，主要由AVR單片機、模擬多路復用器1和2、電平轉換模塊1和2、網口轉換模塊、網絡變壓器、乙太網接口和WI-FI天線組成。本發明的超高頻RFID讀寫器不但可以方便地進行信息讀寫，還可以直接進行接口模式切換，支持多種主流通信接口，在一定程度上拓寬了超高頻讀寫器的應用範圍。
【專利說明】一種支持多接口協議通信的超高頻RFID讀寫器
【技術領域】
[0001]本發明屬於自動識別領域技術，尤其涉及一種支持多接口協議通信的超高頻RFID
讀寫器。
【背景技術】
[0002]無線射頻技術RFID (Radio Frequency Identification)是一種非接觸式自動識別技術，無需識別系統與識別目標之間建立機械或光學接觸即可通過射頻信號的空間發射進行傳輸信息。將RFID技術標籤化後，可以呈現出許多實用性很強的性能特點，比如:掃描速度快、體型小巧、抗汙染性強、穿透性強、記憶容量大、內容安全等。鑑於以上特點，基於RFID的讀寫技術越來越廣泛地應用於醫療衛生、工業控制和交通運輸行業，尤其是物流領域。RFID讀寫技術是傳統傳感網的技術基礎，而傳感網又是物聯網產業的基礎，因此隨著物聯網產業發展的突飛猛進，RFID讀寫技術也會與時俱進地在各種技術指標方面有發展的需求和空間。
[0003]融合RFID技術的讀寫器按照不同頻率數量級可以細分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(麗)四類。低頻(LF)和高頻(HF)技術下的讀寫器一般採用電磁耦合原理，分別工作在125KHz和13.54MHz左右，但是此種頻率下的RFID讀寫器存在許多缺陷，比如:讀寫距離短、傳輸速度慢、應用領域窄、安全保密性差等。而超高頻(UHF)技術下的讀寫器一般採用電磁發射原理，工作在902?928MHz之間，符合IS018000-6C協議，相比之下其優勢為:讀寫距離長，可達IOm以上；傳輸速度快，每秒可讀取170餘張電子標籤、數據存儲量大；應用領域寬；支持多標籤讀取；安全保密性強等。
[0004]由於RFID技術的需求量逐漸增加，相關的研究和發明也有了一定的成果。申請號為200810231545.8的專利公開了一種RFID多協議讀寫器切換方法極其控制切換系統，該發明通過上位機發送軟體命令控制改變硬體參數來切換RFID射頻收發時所遵循的通信協議，該切換協議的過程主要通過混頻電路改變收發頻率，來滿足射頻通信協議的切換功能。
[0005]通過以上現狀分析可以看出，雖然目前很多開發者在RFID讀寫方面的研究重心放在兼容多頻段、多射頻通信協議方面而忽略了數據接口的多元化，因此對於簡化超高頻讀寫器的工作流程，在確保讀寫過程順利完成的基礎上，進一步實現數據接口協議的轉換及傳輸，仍然需要有進一步的拓展性研究。
【發明內容】
[0006]針對現有技術中存在的上述問題，本發明提出一種支持多接口協議通信的超高頻RFID讀寫器。用戶不但可以方便地利用本發明進行高速超高頻RFID信息讀寫操作，還可以利用本發明直接進行接口模式切換，支持多種主流通信接口，在一定程度上拓寬了超高頻讀寫器的應用範圍。
[0007]一種支持多接口協議通信的超高頻RFID讀寫器，包括超高頻讀寫模塊和電源模塊。超高頻讀寫模塊用於實現超高頻RFID讀寫功能，主要由RFID收發器、功率放大器、處理器、射頻天線組成。處理器完成對數據的編碼和解碼，超高頻讀寫模塊發射時，處理器完成基帶編碼，編碼方式為脈衝寬度編碼PIE (Pulse interval Encoding)，並由串口送到RFID收發器；超高頻讀寫模塊接收時，處理器對由RFID收發器送來的接收數據進行解碼，解碼方式支持雙向間隔碼編碼FMO (B1-PhaseSpace)和延遲調製碼Miller兩種方式。RFID收發器用來接收和發射數據，發射時，對處理器串口送來的基帶數據進行ASK調製，內部混頻器產生840?960MHz的頻率，由功率放大器進行超高頻信號放大後,通過射頻天線進行發射；接收時，對接收數據進行解調，支持ASK和PSK兩種方式，解調後的數據送入處理器。電源模塊用於提供電路工作需要的直流電源。主要由開關電源轉換晶片、線性調壓器以及穩壓濾波電路組成。
[0008]其特徵在於，所述超高頻RFID讀寫器還包括接口轉換模塊，用於將超高頻讀寫模塊輸出的串行數據轉換成符合RS232或RS485或乙太網/無線網接口格式的數據。主要由AVR單片機、模擬多路復用器I和2、電平轉換模塊I和2、網口轉換模塊、網絡變壓器、乙太網接口和W1-FI天線組成。其中，
[0009]AVR單片機接收上位機的指令，並通過串口傳輸對超高頻RFID讀寫器的控制指令，控制系統工作在不同模式，在接口轉換模式時，根據上位機的指令選擇正確的數據接口。單片機的TXD端接模擬多路復用器I的一個複選端Yl，對應的公共端Y接超高頻讀寫模塊處理器的RXD端，用於傳輸指令；單片機的RXD端接電平轉換模塊I的ROUT端，用於接收上位機的指令；單片機的兩個輸出埠與模擬多路復用器I的地址端相連，用於選擇不同的通道，完成工作模式的切換；另外兩個輸出埠與模擬多路復用器2的地址端相連，用於選擇不同的通道，切換不同的數據接口 ；還有一個輸出埠接電平轉換模塊2的傳輸方向控制端控制RS485數據的傳輸方向。
[0010]模擬多路復用器I和2均為雙4通道多路復用器，用於在AVR單片機控制下選擇不同的通道。模擬多路復用器1、2的地址端分別與單片機的兩個輸出埠相連，控制選擇不同的通道。模擬多路復用器I的公共端X與模擬多路復用器2的公共端Y相連，複選端XO與讀寫模塊處理器的TXD相連；模擬多路復用器I的公共端Y與讀寫模塊處理器的RXD相連，複選端Yl接單片機的TXD，複選端Y2接模擬多路復用器2的公共端X。模擬多路復用器2三路複選端Y2、Y0、Y3分別接電平轉換模塊1、2和網口轉換模塊的串行信號TTL電平輸入端；複選端XO接電平轉換模塊2的串行信號TTL電平輸出端。
[0011]電平轉換模塊I和2用於進行串行信號TTL電平與RS232和RS485信號電平之間的互相轉換。電平轉換模塊I和2均有兩路轉換通道，它們的TTL電平信號輸入端分別與模擬多路復用器2的複選端Y2、Y0相連，輸出端分別接RS232接口和RS485接口 ；電平轉換模塊2的RS485電平輸入輸接RS485接口，輸出端與模擬多路復用器2的複選端XO相連。
[0012]網口轉換模塊用於進行串行信號TTL電平與乙太網絡傳輸或無線基帶傳輸信號電平之間的互相轉換。網口轉換模塊的串行信號TTL電平輸入端與模擬多路復用器2的複選端Υ3相連，輸出乙太網格式信號的管腳分別與網絡變壓器的輸入管腳相連；無線信號輸出管腳與W1-FI天線相連，自行啟動無線網絡傳輸模式。
[0013]網絡變壓器將乙太網信號進行放大並增強抗幹擾能力。信號輸入端與網口轉換模塊輸出乙太網格式信號的管腳相連，輸出端接乙太網接口。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下優點:[0015]1.本發明可以使用戶快速進行RFID標籤的超高頻讀寫，並對所獲取的數據進行初步數據處理。
[0016]2.本發明通過增加接口轉換模塊，可以在讀取RFID數據後方便地選擇RS232接口、RS485接口或乙太網接口以及無線網絡發送格式進行初步處理後的RFID數據傳輸，使本發明所述的超高頻RFID讀寫器可以進行多種協議的通信。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明所述讀寫器的總體結構圖；
[0018]圖2為AVR單片機連接圖；
[0019]圖3為模擬多路復用器1連接圖；
[0020]圖4為模擬多路復用器2連接圖；
[0021 ]圖5為電平轉換模塊1連接圖；
[0022]圖6為電平轉換模塊2連接圖；
[0023]圖7為網口轉換模塊連接圖；
[0024]圖8為網絡變壓器連接圖；
[0025]圖9為電源模塊連接圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0027]支持多接口協議通信的超高頻RFID讀寫器的總體結構圖如圖1所示，包括超高頻讀寫模塊、接口轉換模塊、電源模塊三大部分。超高頻讀寫模塊通過串口與接口轉換模塊相連，經過接口轉換模塊的處理，可以有選擇的轉換為乙太網接口、RS232接口、RS485接口以及無線發送格式。整個系統運行的最高控制層是用戶上位機，上位機控制單片機進行操作指令的下發與地址選通，並以此來設置整個系統的工作模式。超高頻讀寫模塊封裝為一個獨立系統，超高頻讀寫模塊採用ImpinJ R2000技術，支持讀寫兼容ISO 18000-6C的RFID標籤，功率調節範圍為13?30dbm，頻率範圍為840?960MHz。
[0028]超高頻讀寫模塊主要RFID收發器、功率放大器、ARM7處理器、射頻天線組成。上位機將下發的指令通過RS232接口傳送給AVR單片機，再由AVR單片機的串口傳送到超高頻讀寫模塊中的ARM7處理器，從而控制系統工作模式的轉換。當超高頻讀寫模塊工作在發射模式時，ARM7根據PIE編碼方式將暫存於其中的傳輸信息進行基帶編碼，然後通過超高頻讀寫模塊內部的串口直接傳送給RFID收發器，RFID收發器進一步完成傳輸信息的ASK調製，使調製信號提升至900MHz的超高頻頻段，並啟動功率放大器RFPA進行信號的放大，最後由射頻天線發射出去，實現超高頻發射功能；當超高頻讀寫模塊工作在接收模式時，ARM7處理器啟動RFID收發器進行數據接收(支持ASK和PSK兩種方式)，RFID收發器自行對接收的超高頻信號進行解調，然後通過內部串口直接發送給ARM7，ARM7處理器進行解碼(支持FM0和Miller兩種方式)，解碼後通過串口回傳至接口轉換模塊等待進一步接口轉化並傳輸。
[0029]接口轉換模塊主要由AVR單片機、模擬多路復用器1和2、電平轉換模塊1和2、網口轉換模塊、網絡變壓器、乙太網接口、W1-FI天線組成。其中，[0030]AVR單片機主要由ATMEGA32晶片組成，如圖2所示，由電源模塊輸出的3.3V電壓進行供電，外接11.0592MHz的晶振電路提供ATMEGA32的時鐘信號。ATMEGA32的輸出埠PAO和PAl兩個管腳分別與模擬多路復用器I (⑶4052_1)地址端A、B管腳相連，通過PAO和PAl管腳組合編碼控制⑶4052_1選擇不同的通道，實現工作模式的切換。若工作在控制指令傳輸狀態則通過組合編碼選通通道I ;若工作在接口轉換模式則通過組合編碼選通通道O。單片機輸出埠 PA4、PA5與模擬多路復用器2 (⑶4052_11)的地址端A、B管腳相連接，通過PA4、PA5組合編碼控制模擬多路復用器2 (⑶4052_11)選擇不同的通道，實現不同接口的切換。PBO管腳與電平轉換模塊2的一個三極體的基極相連，控制RS485信號的讀寫方向。
[0031]模擬多路復用器I和2各採用一片⑶4052，分別為⑶4052_1和⑶4052_11，接線圖分別如圖3、4所示，均由電源模塊提供的5V電壓供電。
[0032]⑶4052_1的A、B兩管腳分別與AVR單片機的PAO和PAl管腳相連，用以接收從AVR單片機出發送的地址選通信號。⑶4052_1的Y2與⑶4052_11的X相連，Y與讀寫模塊的RXD相連，Yl與單片機的TXD相連，X與⑶4052_11的RXD相連，XO與讀寫模塊的TXD相連。
[0033]CD4052_II的A、B兩管腳分別與AVR單片機的PA4、PA5管腳相連接。其Y與CD4052_I的X相連，X與CD4052_I的Y2相連。Y2與電平轉換模塊I (MAX232ESA)相連，X0, YO均與電平轉換模塊2 (MAX487ESA)相連，Y3與網口轉換模塊(RM04)相連。
[0034]電平轉換模塊I採用MAX232AESA晶片，如圖5所示，通過電源模塊進行電壓轉換後的3.3V進行供電。T2IN管腳與⑶4052_11的Y2相連，R20UT管腳與單片機的RXD相連。MAX232AESA將串行信號進行相應的電平轉換，通過瞬變抑制二極體防止電平轉換後電流過大引起擊穿，然後通過負載電阻將符合RS232的電平信號送入COM埠的相應針腳，實現串口與RS232接口的轉換功能。
[0035]電平轉換模塊2採用MAX487ESA晶片，如圖6所示，由電源模塊進行電壓轉換後的
3.3V進行供電。MAX487ESA的TTL電平信號輸入端4接CD4052_II的YO ；TTL電平信號輸出端I接⑶4052_11的X0。MAX487ESA的RS485電平信號由管腳6輸入，管腳7輸出。AVR單片機上的PBO通過三極體Q5與MAX487ESA晶片的使能端相連，控制信號讀寫方向。通過電平轉換後運算放大器的差分信號端的兩路電平，經過瞬變抑制二極體，可以引出兩路差分電平信號，實現串口與RS485接口的轉換功能。
[0036]網口轉換模塊採用RM04晶片，如圖7所示，通過電源模塊提供的5V電壓進行供電。RM04模塊通過UART_RX管腳與CD4052_II的Y3相連，用於接收串行信號。當RM04模塊接收串行信號以後，模塊內部自行進行數據處理，形成符合乙太網絡傳輸的信息格式以及符合無線基帶傳輸的信息格式。管腳RXIPl、TXOPl、RXINl、TXONl、RXIP2、TX0P2、RXIN2、TX0N2分別與網絡變壓器8個一次側管腳相連接，用於傳輸初步轉換後的乙太網格式的信息。由於RM04模塊自行啟動無線網絡傳輸模式，因此利用WLAN進行無線網絡啟動指示。
[0037]網絡變壓器採用兩個2(F001N晶片，如圖8所示。RM04模塊前述8個代表乙太網接口的管腳分別根據正負信號的順序與2(F001N的一次側線圈的兩頭相連，將攜帶信息的差模信號傳送到了網絡變壓器的一次側，進行增強信號和增強抗幹擾能力的網絡變壓過程。由於變壓器需要電壓驅動，因此由VDD進行1.8V的供電。2(F001N的二次側按照順序將通過變壓的差模信號線與乙太網的網口(圖8中JP4的前8位管腳)相連，第9個管腳設置一個LED燈作為串口轉乙太網口的指示燈。通過上述兩段處理過程，實現串口與乙太網口的轉換功能。
[0038]電源模塊的組成如圖9所示，主要包括開關電源轉換晶片TPS5430、線性調壓器LMl 117以及穩壓濾波電路。12?24V直流電通過抑制瞬時電流過大、濾波過程後，經過TPS5430進行降壓操作，從BOOT端和PH端輸出，經過LC濾波器，使輸出電壓穩定在5V左右，作為其它模塊中相關元器件的電源。繼而經過濾波電路將5V電壓輸出到LM1117，通過線性調壓過程，使5V電壓降至3.3V，作為其它模塊相關元器件的電源。
[0039]超高頻RFID讀寫器讀卡時的工作過程如下:
[0040]系統上電後，單片機初始化狀態為開啟⑶4052_1的Yl通道，等待控制指令的下發。上位機將控制指令下發給單片機，單片機將該信息封裝成為帶有幀頭、校驗的通信協議數據幀格式，通過串口發送給超高頻讀寫模塊的處理器ARM7，ARM7處理器根據指令運行。當RFID射頻卡接近超高頻讀寫模塊時，RFID收發器感應並放大射頻卡中的調製信號，並立即進行解調(ASK或者PSK)。解調後的基帶信號回傳至ARM7處理器，在處理器中進行信息解碼(FM0或Miller)。解碼後的信號通過串口將信息下發至接口轉換模塊的⑶4052_1。單片機預先解析上位機指令時，按其中的指令進一步進行⑶4052_11的地址選通工作，進行接口轉換工作。接口轉換模式的確定可以依據用戶的需求，通過AVR單片機的A、B管腳將用戶所需的接口轉換類型控制字下發至CD4052_II中，根據該控制字繼續之後的接口轉換過程。若用戶需要轉換為RS232類型接口，則⑶4052_11將串行信號傳送到MAX232AESE電平轉換模塊中，該電平轉換模塊將串行信號轉換為符合RS232數據格式的差分信號，並通過RS232串口輸出；若用戶所需轉換為RS485類型接口，則⑶4052_11將串行信號傳送到MAX487ESA電平轉換模塊中，該電平轉換模塊將串行信號轉換為符合RS485數據格式的差分信號，通過兩根差分信號線輸出；若用戶需要轉換為乙太網類型接口，CD4052_II將串行信號直接傳送到網口轉換模塊RM04，RM04模塊將其轉換為符合乙太網的數據格式信號，並傳送到網絡變壓器2(F001N的一次側相應管腳，20F001N通過變壓線圈將乙太網信號進行信號增強和抗幹擾能力增強後，在二次側將變壓後的乙太網差模信號直接送入乙太網口中，實現乙太網信息輸出。在乙太網轉換的同時，開啟無線W1-FI接口，可以在傳送乙太網數據同時通過無線網絡方式傳送無線基帶信息。
[0041]超高頻RFID讀寫器寫卡時的工作過程如下:
[0042]上位機調用超高頻讀寫模塊發射驅動程序，並將其發送到超高頻讀寫模塊的ARM7處理器中，ARM7處理器根據驅動自動運行發射程序。用戶將RFID射頻卡接近超高頻讀寫模塊時，RFID收發器發射寫卡信號，通過功率放大器放大後發射超高頻電磁波，首先將射頻卡中的信息擦出，繼而寫入所需發送的信息。
【權利要求】
1.一種支持多接口協議通信的超高頻RFID讀寫器，包括超高頻讀寫模塊和電源模塊；超高頻讀寫模塊用於實現超高頻RFID讀寫功能，主要由RFID收發器、功率放大器、處理器、射頻天線組成；處理器完成對數據的編碼和解碼，超高頻讀寫模塊發射時，處理器完成基帶編碼，編碼方式為脈衝寬度編碼PIE，並由串口送到RFID收發器；超高頻讀寫模塊接收時，處理器對由RFID收發器送來的接收數據進行解碼，解碼方式支持雙向間隔碼編碼FMO和延遲調製碼Miller兩種方式；RFID收發器用來接收和發射數據，發射時，對處理器串口送來的基帶數據進行ASK調製，內部混頻器產生840~960MHz的頻率，由功率放大器進行超高頻信號放大後，通過射頻天線進行發射；接收時，對接收數據進行解調，支持ASK和PSK兩種方式，解調後的數據送入處理器；電源模塊用於提供電路工作需要的直流電源，主要由開關電源轉換晶片、線性調壓器以及穩壓濾波電路組成；其特徵在於，所述超高頻RFID讀寫器還包括接口轉換模塊，用於將超高頻讀寫模塊輸出的串行數據轉換成符合RS232或RS485或乙太網/無線網接口格式的數據；主要由AVR單片機、模擬多路復用器1和2、電平轉換模塊1和2、網口轉換模塊、網絡變壓器、乙太網接口和W1-FI天線組成；其中，AVR單片機接收上位機的指令，並通過串口傳輸對超高頻RFID讀寫器的控制指令，控制系統工作在 不同模式，在接口轉換模式時，根據上位機的指令選擇正確的數據接口 ；單片機的TXD端接模擬多路復用器1的一個複選端Y1，對應的公共端Y接超高頻讀寫模塊處理器的RXD端，用於傳輸指令；單片機的RXD端接電平轉換模塊1的ROUT端，用於接收上位機的指令；單片機的兩個輸出埠與模擬多路復用器1的地址端相連，用於選擇不同的通道，完成工作模式的切換；另外兩個輸出埠與模擬多路復用器2的地址端相連，用於選擇不同的通道，切換不同的數據接口 ；還有一個輸出埠接電平轉換模塊2的傳輸方向控制端，控制RS485數據的傳輸方向；模擬多路復用器1和2均為雙4通道多路復用器，用於在AVR單片機控制下選擇不同的通道；模擬多路復用器1、2的地址端分別與單片機的兩個輸出埠相連，控制選擇不同的通道；模擬多路復用器1的公共端X與模擬多路復用器2的公共端Y相連，複選端X0與所述超高頻讀寫模塊處理器的TXD相連；模擬多路復用器1的公共端Y與超高頻讀寫模塊處理器的RXD相連，複選端Y1接AVR單片機的TXD，複選端Y2接模擬多路復用器2的公共端X ;模擬多路復用器2三路複選端Y2、Y0、Y3分別接電平轉換模塊1、2和網口轉換模塊的串行信號TTL電平輸入端；複選端Χ0接電平轉換模塊2的串行信號TTL電平輸出端；電平轉換模塊1和2用於進行串行信號TTL電平與RS232和RS485信號電平之間的互相轉換；電平轉換模塊1和2均有兩路轉換通道，它們的串行信號TTL電平輸入端分別與模擬多路復用器2的複選端Υ2、Υ0相連，輸出端分別接RS232接口和RS485接口 ；電平轉換模塊2的RS485電平輸入輸接RS485接口，輸出端與模擬多路復用器2的複選端Χ0相連；網口轉換模塊用於進行串行信號TTL電平與乙太網絡傳輸或無線基帶傳輸信號電平之間的互相轉換；網口轉換模塊的串行信號TTL電平輸入端與模擬多路復用器2的複選端Υ3相連，輸出乙太網格式信號的管腳分別與網絡變壓器的輸入管腳相連；無線信號輸出管腳與W1-FI天線相連，自行啟動無線網絡傳輸模式；網絡變壓器將乙太網信號進行放大並增強抗幹擾能力；信號輸入端與網口轉換模塊輸出乙太網格式信號的管腳相連，輸出端接乙太網接口。
2.根據權利要求1所述的一種支持多接口協議通信的超高頻RFID讀寫器，其特徵在於，上電時AVR單片機與模擬多路復用器I地址選通端相連的兩個輸出埠被初始化為接通模擬多路復用器I的公共端Y和複選端Yl，AVR單片機由TXD端通過串口傳輸對超高頻RFID讀寫器的控制指令。
【文檔編號】G06K17/00GK103729668SQ201410016367
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】楊建棟, 於洪波, 方麗英, 唐劼, 趙寒 申請人:北京工業大學