射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID系统通常主要由电子标签、读写器、天线3部分组成。读写器对电子标签进行操作，并将所获得的电子标签信息反馈给PC机。射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于生产、物流、交通运输、防伪、跟踪及军事等方面。按工作频段不同，RFID系统可以分为低频、高频、超高频和微波等几类。射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。然而，这里的设计采用高度集成的R1000，可以解决上述问题，既可降低芯片设计中的复杂性和生产成本，又能使制造商制造出体积更小，更有创新性的读写器，从而开拓新的RFID应用领域。

　　1 读写器硬件结构设计

　　该设计选用W78E465作为主控模块，IntelR1000收发器作为射频模块。射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～30GHz之间。射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。该设计可以作为手持终端，并用RS 232串行通信模块和电平转换接口MAX232与上位机相连。系统硬件原理见图1。

　　1.1 主控模块

　　W78E365是具有带ISP功能的FLASH EPROM的低功耗8位微控制器，可用于固件升级。它的指令集与标准8052指令集完全兼容。W78E365包含64 KB的主ROM，4 KB的辅助FLASH EPROM，256 B片内RAM；4个8位双向、可位寻址的I／0口；一个附加的4位I／O口P4；3个16位定时／计数器及1个串行口。这些外围设备都由有9个中断源和4级中断能力的中断系统支持。

　　W78E365内部ROM仅64 KB，内存太小，故采用AT29C256作为外扩ROM。线路连接见图2。

　　1.2 收发模块

　　射频模块采用Intel R1000收发器。R1000内包含了一个能源扩大器，使得它可以在近距离或者2 m内对标签进行编码和阅读，而具体距离由读写器所使用的天线决定。有了额外的外部能源扩大器，使用R1000读写器的读写范围可以达到10 m。R1000必须与单独的微处理器（微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小，重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线）连接，这个微处理器可以把由R1000数字信息处理器产生的原始数据转换成EPc或者18000-6c格式的代码，其工作频率为860～960 MHz，共有56个引脚，采用0.18μmSiGe BiCMOs先进工艺，体积仅为8 mm×8 mm，功耗只有1.5 w左右，具有很高的集成度。

　　R1000与W78E365的连接见图3。射频信号（射频信号就是经过调制的，拥有一定发射频率的电波）经天线进入电桥，输出信号被分为两路，一路信号经过带通滤波器和不平衡到平衡的转换进入R1000的射频输入口。另一路信号经不平衡到平衡的转换进人R1000的本振输入口。

　　在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，一旦电磁波频率高于100kHz时，电磁波就可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，英文缩写：RF。为了能够在空中传播电视信号，必须把视频全电视信号调制成高频或射频（RF-Radio Frequency）信号，每个信号占用一个频道，这样才能在空中同时传播多路电视节目而不会导致混乱。

　　这两路信号在R1000内部经过解调和模／数转换等一系列操作后，将所得的数字信息送给W78E365。W78E365对收到的信号经解码和校验，将所得信息送往上位机，并将其对R1000的命令编码和加密后发送给R1000。这些命令在R1000内部经过调制和PA，再经过平衡到不平衡的转换和滤波，由天线发射出去。数字模块中的时钟驱动来自于外部TCXO产生的24 MHz参考频率。系统中通过∑-△DACS的信号频率为24 MHz；通过∑-△ADCS的信号频率为48 MHz。

　　R1000内部集成了接收器和发射器。实质上，接收器是一个零中频接收机。它具有可编程带宽满足大范围的数字通过率。该滤波器可以配置成两个实际的低通滤波器，也可以配置成复杂的单相带通滤波器。经滤波后，I，Q信号被数／模转换器转换成数字信号。滤波器中自动中频增益的升高会降低模／数转换器的动态范围。

　　R1000为杭州美控自动化技术有限公司于2005年研制成功的有纸记录仪。本记录仪以独特的热打印记录方式和先进的微处理器控制技术，实现了无与伦比的高记录清晰度、高、高可靠性、多功能且便于操作。可连续记录和数字打印。该仪表的每个通道均可直接选择接收多种热电偶、热电阻、电压和电流信号，并可对被测信号进行数字显示及进行趋势记录和数字记录，能在本身打印的100mm宽的纸格上同时记录刻度值、时间及每一个信号的曲线，并将通道号印在各通道的轨迹旁。可通过键盘设定测量信号种类、小数点位置、显示范围、记录边界、报警值、回差、系统误差的校正、记录标尺、数据打印间隔、走纸速度、打印深度及时间等参数，并对所设参数加以保护。广泛应用于医药、石油、化工、冶金、电力等行业及科研单位。

　　R1000中，发射器支持同相正交矢量调制和极化调制。前者，用于SSB-ASK调制和反相幅移键控调制；后者，用于DSB-ASK。在这两种调制方式下，数字模块产生的信号，经过∑一△数／模转换器和重建滤波器转换成模拟信号。

　　在SSB-ASK调制方式下，基带编码信号经希尔伯特滤波器产生复合的同相信号I和正交信号Q，经∑-△数／模转换器将I，Q数字信号转换成模拟信号，进入模拟模块，该模拟信号经天线发射出去。ASK--又称幅移键控法。载波幅度是随着调制信号而变化的。其简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断， 这种方式还可称作通-断键控或开关键控（OOK） 。

　　在PR-ASK调制方式下，用混频器将信号反相弥补AM部分的时延，反相时延控制有一个可编程时延，使极化调制的相位与幅度之问的时间错误趋于值。在DSB-ASK调制方式下，基带编码和脉冲信号同样也经过希尔伯特滤波器产生一个复合的I，Q信号。这个经过预先扭曲的调幅控制信号经过∑-△数／模转换器转换成模拟信号，通过天线发射出去。

　　基于功率要求和调制方式的不同，R1000有全功率非线性，低功率非线性和线性3种发射模式。在DSB-ASK调制模式下。R1000采用全功率非线性发射模式。为了发射R1000允许的天线上发射功率值为+30 dBm，需在R1000外部接1个PA。采用class—C极化调制能够提高系统的功率效率。在线性发射模式下，R1000的PA—out信号与外部线性PA相连，这是因为SSB—ASK调制方式要求1个线性的PA。需要指出的是在R1000外部接1个PA时，会增加系统的复杂度，但同时放大了传输信号的功率，使信号传输距离更远，提高了读写器的读写距离。

　　1.3 天线

　　天线（antenna）是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。对Intel R1000超高频收发器，基于不同的天线子系统，天线有两种配置情况。在这种情况下，用一个回路来隔离发射路径和接收路径，每根天线都具备接收器和发射器的功能。第二种情况是双天线模式。同样用分离的天线将接收器和发射器连接起来，通常情况下，两根独立的天线由一个开关控制，每根天线仅具备接收器功能或发射器功能。

　　对单天线模式，因天线的反射系数并不理想，所以接收增益不能太大，会有饱和的问题。以R1000的高接收灵敏度，可以搭配-10 dB左右的Coupler，视整体线路的隔离而定；对于双天线模式，天线的收发隔离比较理想，接收路径可以使用高增益。发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。如何使导体成为一个有效辐射体导系统呢？这里我们先分析一下传输线上的情况，在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离《π。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。

　　该设计采用双天线模式该微带天线的基板材料采用介电常数比较高的陶瓷基片，厚0.635 mm。天线宽为70.5 mm，长为52.689 mm，微带线宽度为0.598 mm，馈电点选取在天线宽边中心。经过ADS仿真，该天线中心频率为915 MHz。为减小天线反射系数，达到较理想的匹配，对天线串联一根长度为18.471 mm，阻值为50Ω的传输线，然后再并联一根长度为24.678 mm，阻值为50Ω的传输线。经ADS仿真优化得知，在中心频率915 MHz处，天线辐射方向上的方向性系数为3.535；效率为40.087％；增益为1.417。

　　2 系统软件设计

　　2.1 主程序

　　若系统在PC机的监控下工作，则系统与PC机（PC （Personal Computer），个人计算机一词源自于1978年IBM的部桌上型计算机型号PC，在此之前有Apple II的个人用计算机。能独立运行、完成特定功能的个人计算机。个人计算机不需要共享其他计算机的处理、磁盘和打印机等资源也可以独立工作。今天，个人计算机一词则泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或是兼容于IBM系统的个人计算机等）之间是主从通信模式。处理完毕后，将所得信息送往PC机。主程序流程见图4。

　　2.2 软件设计

　　该设计采用曼彻斯特编码方式，用2位二进制数来表示一位二进制数据信息。编码波形的上升沿用01来表示，对应数据信息0；下降沿用10来表示，对应数据信息1。曼彻斯特编码（Manchester Encoding），也叫做相位编码（PE），是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码被用在以太网媒介系统中。曼彻斯特编码提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列而没有长的周期没有转换级别，因而防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑1或0来发送的。相反地，这些位被转换为一个稍微不同的格式，它通过使用直接的二进制编码有很多的优点。

　　首先，对w78E365进行初始化，使计数器TO工作在16位定时器工作模式下；T1工作在计时器工作模式下，对T0，T1赋初值，使：

　　TLO／1=（计时次数一要计数次数）％256

　　THO／1=（计时次数一要计数次数）／256

　　然后，设同步脉冲定时值为一位半码宽，将有效数据编码采用半位码宽定时。接着启动定时器T0，检测同步沿的到来。若检测不到同步沿的到来，则继续检测；若检测到同步沿的到来，则开始读端口状态，并启动计时器T1。之后进入下一轮循环，直至计数器数目达到码长为止。按照上面操作就可以实现对数据的编码。同理，在进行解码时只要按照相反的逆操作进行即可。

　　多字节CRC校验的方法一般是移位法。这种方法执行起来速度较慢，但是其需要的空间小；另一种方法是查表法，即预先把多字节可能产生的余式计算出来组成一个余式表，直接查表而不进行二进制的除法。这是一种快速的方法，但是需要很大的空间。用标准CRC一16进行校验，则需要至少1～2 KB，对于MCU来说是很不利的，故选择前者。

　　该设计采用流密码加密算法，将明文M分割成字符串和比特串M=m0，m1，…，mj,…，并逐位加密：EK（m）=Ek0（m0），Ekl（m1），…，Ekj（mj），…，其中密钥流是K=k0，k1，…，kj…对明文加密就是将K和M对应的分量分别进行模2相加，得到密文序列C。流密码是密码体制中一个重要分支。20世纪50年代，数字电子技术的发展使密钥可以方便地利用以移位寄存器为基础的电路来产生，这促使线性和非线性移位寄存器理论迅速发展。有效的数学工具，如代数和谱分析理论的引入，使得流密码理论迅速发展和走向较成熟的阶段。同时，由于实现简单、速度快、没有或只有有限的错误传播，使流密码在实际应用，特别是在专用和机密机构中仍保持着优势。目前，已提出多种类型的流密码，但大多是以硬件实现的专用算法，尚无标准化的流密码算法。

　　流密码是将明文划分成字符（如单个字母），或其编码的基本单元（如0、1数字），字符分别与密钥流作用，进行加密，解密时以同步产生相同的密钥流实现，’流密码强度完全依赖于密钥流产生器生成序列的随机性和不可预测性，其问题是密钥流生成器的设计。保持收发两端密钥的同步是实现可靠解密的关键技术。

    曼彻斯特编码（Manchester Encoding），也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码被用在以太网媒介系统中。曼彻斯特编码提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列而没有长的周期没有转换级别，因而防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑1或0来发送的（技术上叫做反向不归零制(NRZ)）。

　　在接收端，合法的接收者将密文序列C与上述密钥序列进行简单的模2相加，将原来的明文恢复出来。密码比特流直接作为密钥使用，而且其长度与明文报文的长度相等。考虑到比特流发生器不是真正随机的实际情况，流密钥生成器用线性反馈移位寄存器构造。

　　2.3 防碰撞程序

　　该设计采用非基于位碰撞的二进制算法来实现防碰撞。防碰撞流程如图5所示。

　　具体流程如下：

　　（1）发送Request命令给应答器；

　　（2）发送Group-select命令和Ungroup-select命令给所有应答器，使所有或部分应答器参与冲突判断过程：

　　①若有冲突，读写器发送Fail命令给选定应答器，直到没有冲突；

　　②若没有冲突，读写器发送Select命令给应答器， 选定该应答器。

　　（3）发送Data-Read命令给选定的应答器：

　　①若正确接到应答器反馈的信息，读写器发送Success命令给选定应答器；

　　②若未正确接收到应答器反馈的信息，发送一定次数Resend命令给选定应答器。超过该次数则认为有冲突，进入步骤（2）的①。

　　（3）当读写器（读写器即 射频标签读写设备是射频识别系统的两个重要组成部分（标签与读写器）之一）读写信息成功后，读写器对选定应答器发送Unselect命令，使应答器进入完全非激活的状态，不再应答读写器发送的命令。

　　为了重新活化应答器，必须暂时离开读写器的作用范围，以实行复位。

　　3 结 语

　　设计在Modelsire 6.1中进行功能和时序仿真，并通过Altera QuartusⅡ6.0的Stratix EPl SlOF484C5器件综合。结果表明，该算法比传统算法具有更高的TDMA信号利用率及平均识别效率。支持SSB-ASK和DSB-ASK双重调制方式，具备单、双天线模式，体积小，集成度高，可作为手持终端，且能够在各种环境下即插即用。