簡析UHF讀寫器設計中的FM0解碼技術

本文提出的UHF讀寫器是基于EPC Gen2標準來實現的，閱讀器對標簽的讀寫是通過發送射頻能量和對回波檢測來實現的，其中由標簽返回給閱讀器數據發送采用FM0編碼格式。

RFID（radio Frequency identifICation）技術是指以識別和數據交換為目的，利用感應、無線電波或微波進行非接觸雙向通信的自動識別技術，利用這種技術可以實現對所有物理對象的追蹤和管理。

1 FMO編碼原理

FM0（即Bi-Phase SPACe）編碼的全稱為雙相間隔碼編碼。在一個位窗內采用電平變化表示邏輯。如果電平從位窗的起始處翻轉，則表示邏輯“1”。如果電平除了在位窗的起始處翻轉，還在位窗中間翻轉則表示邏輯“O”。根據FM0編碼的規則可以發現無論傳送的數據是0還是1，在位窗的起始處都需要發生跳變，如圖1所示。


圖1 FMO編碼示意圖

根據EPC Gen2協議規定，從標簽接收剄的數據都是FM0編碼格式，是以前同步碼開始的，前同步由2部分構成：前12個前導零與之后的6位特定位。需要注意的是在前同步碼中有1位發生了偏移（即應發生相轉化但實際上沒有），表示為“V”，用于區分前同步碼與數據碼，前同步碼之后為收到的數據，如圖2所示。


圖2 FMO前同步碼

2 UHF讀寫器讀寫原理

根據EPC Gen2標準，該UHF讀寫器屬于半雙工通信，遵循讀寫器先發言（RTF）原則，即標簽是否需要返回信號建立在有沒有接收到并正確解調出讀寫器發來的指令。系統開始工作時，先由讀寫器通過射頻模塊進行調制，發出一系列的讀標簽指令，當標簽進入讀寫器響應區域時，接收到射頻能量，開始解調讀寫器的指令，只有正確得到讀指令后，標簽才會將自己的ID信息等數據通過反向散射方式回發給讀寫器。讀寫器將收到的反向散射信號解調成基帶信號之后再送到處理器中進行解碼處理。

標簽主要由射頻接口（天線、數據調制、解調、電源電路）、控制邏輯及EEPROM存儲器3個模塊構成，調制解調模塊完成對發送接收信號的調制解調，能量檢測電路通過天線線圈接收到電壓后給控制中心提供穩定的電壓?？刂七壿嬘蓻_突檢測、讀寫控制、存取控制、EEPROM接口控制和RF接口控制部分組成，主要負責處理與外部通信協議和與讀寫EEPROM。

采用高性能的ARM7的LPC2103進行解碼，采用12MHz外部晶振，該芯片可內部倍頻，內部時鐘工作在60 MHz的頻率上，完全滿足高速下的解碼需求。LPC2103有2個32位的捕獲比較器，具有多達7路捕獲通道。采用LPC2103的定時器TO和相應的捕獲引腳，在輸入信號發生上跳變或者下跳變時捕獲定時器值，并產生中斷將該定時器值取出進行判斷，其系統框圖如圖3所示。


圖3 系統框圖

3 FMO解碼

根據FMO解碼的特點，目前常見的解碼方法是：根據起始處的上升沿或下降沿以及位窗中的采樣點來判斷出此位窗所表示的數據。設定一個位窗時間長度為T，1）位窗起始處為下降沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數據“0”，采樣為0則位窗表示數據“1”；2）位窗起始處為上升沿，在該位窗3/4T處采樣，采樣為1則位窗表示數據“1”，采樣為0則位窗表示數據“0”。

這種方法的缺點很明顯。因為UHF頻段頻率很高，當在接收過程中會出現頻率偏移的情況時，會造成位寬時間T較大的變化，而程序仍以固定的時間間隔3/4T去解碼，所以每次都會發生一定的偏移，根據協議，UHF讀寫器將接收到標簽傳送過來的1個128字節的數據，這樣在解碼過程中，將出現累積偏移過多導致漏讀或多讀情況，從而產生誤判。

通過讀寫器命令設置，可以使標簽返回數據采用160 Kb/s的速率，在FM0碼相鄰兩個邊沿之間的間隔只可能有3種情況：0.5T、T、1.5T.在12 MHz的外部時鐘下，“0”的高半位寬“H”和低半位寬“H”為3.125μs，捕獲出的定時器計數值為0x25左右，記為0.5T；收到1個“0”或者1個“1”的位寬為6.25μs，捕獲出的定時器計數值為Ox4B左右，記為T；在前同步碼中，“V”的位寬為9.375μs，捕獲出的定時器計數值為0x70左右，記為1.5T.解碼流程圖如圖4所示。


圖4 解碼流程圖

根據FMO碼特點，當捕獲到一個“H”或者“L”時，要判斷這個O.5T是“0”的前半位還是后半位。是前半位時，要等待下一個0.5T結合成1個“0”；是后半位時，要與之前剩余的半位結合成“0”。捕獲到1個T寬度的數據時，則記為“1”。

在進行對接收到的FMO碼解碼時，因為沒有同步信號，所以必須要先對數據進行同步，也就是要先解碼到連續的12個“0”與之后的1010 V1前同步碼數據，才能對后面真正需要的數據進行解碼。在解前同步碼時，前12個“O”按照2個0.5T組成1個“0”的原則，要有連續的24個0.5T出現才會進行下面的解碼，不然就會返回重新開始統計12個“0”。在之后解碼1010V1時，要注意一個特殊的位“V”，當捕獲到一個1.5T寬度的數據時，才記為“V”；在此期間，只要解碼出一位有錯誤，則返回重新開始統計12個“0”。只有前同步碼全部正確解出時，才能進行對需要的數據進行解碼，依據捕獲到的寬度是0.5T還是1T來判斷是“0”的半位還是一個完整的“1”。

在EPC Gen2使用中，根據讀寫器發送命令的不同，標簽返回的FM0碼里或者存在CRC5，或者存在CRC16，或者沒有校驗，有CRC的碼在解碼完成后都要進行CRC校驗。當檢測到結束位時，CRC校驗正確，則本次通信正常，可以進行下一步的通信。

在實際運用中，讀寫器接收回路上會出現發送回路泄露過來的很多雜波信號以及一些毛刺，會有連續多個“0”出現，會形成連續的24個寬度為0.5T的間隔，可能會誤判成前同步碼開始，但后續的前同步碼解碼過程在出現1.5T寬的“V”時會出錯，在進行校驗或檢測停止位時也可能會出現錯誤，這時也要重新搜索前同步碼。

4結語

2006年EPC global（全球產品電子代碼管理中心）納入ISO/IEC 18000-6C標準，批準了新標準EPC Gen2，用于900 MHz左右的UHF的RFID技術規范，現在被我國作為第1類第2代UHF RFID 860 MHz-960 MHz通信協議。UHF頻段RFID系統具有讀寫速度快、存儲容量大、識別距離遠、成本低、尺寸小等特點，更適合未來物流、供應鏈領域的應用，也為實現“物聯網”提供可能。因此超高頻RFID系統的發展是當今RFID系統發展的重點。

在UHF讀寫器設計中，關鍵問題就是對接收到的解調數據進行正確解碼，既要解決信號頻率的偏移，也要能在高速通信過程中，快速正確解碼，采用這種解碼方法可以在對FM0碼捕獲位寬的同時進行同步解碼，速度比較快，而且由于對載波頻率的變化不敏感，故讀卡成功率高。