淺析ARM9的超高頻讀寫器基帶編解碼設計

引言

普通的UHF讀寫器主控芯片使用FPGA較多，其優(yōu)點是FPGA對時序邏輯處理速度快，使用HDL語言很容易實現(xiàn)協(xié)議的編碼與解碼，但FPGA芯片本身很少具備串口、網(wǎng)口等通信接口模塊，功能擴展較麻煩。由于ARM9芯片集成了很多擴展接口，同時進行操作系統(tǒng)移植等更高層次的設計也變得很容易，但對時序邏輯處理較難。因而本文提出了基于ARM9的UHF RFID讀寫器基帶編解碼方法，并加以實現(xiàn)。

1 基本原理

UHF RFID國際標準協(xié)議規(guī)定讀寫器到電子標簽的通信應采用DSB—ASK、SSB—ASK或者PR—ASK調制方式。本文使用ARM9芯片S3C2440的PWM（脈寬調制）控制模塊進行PIE編碼，通過編碼信號控制射頻開關實現(xiàn)OOK調制。電子標簽接收到命令后反向散射副載波應答，經(jīng)過射頻模塊的天線接收后被解調電路還原成MILLER2數(shù)據(jù)。構造MILLER2解碼狀態(tài)機，使用S3C2440的外部中斷對MILLER2時序序列進行上升沿捕捉，捕捉到的兩次中斷的時間間隔作為狀態(tài)機輸入，進而解調出標簽反射回來的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

讀寫器射頻模塊的工作流程為：發(fā)送命令時，PIE編碼電平控制射頻芯片開關，當開關開啟時輸出射頻載波，關閉則不輸出，以達到OOK調制載波的目的。接收機采用零中頻接收機方案，直接對天線接收到的標簽反向散射信號進行解調，解調完畢得到相位相差90°的I、Q兩路信號，通過差分放大器放大處理后，輸出到比較器，經(jīng)過比較后電路輸出MILLER2編碼時序信號。

2 PIE編碼

2．1 PIE碼簡介

EPC GNE2協(xié)議規(guī)定UHF讀卡器向標簽發(fā)送命令時，數(shù)據(jù)應采用PIE編碼。PIE碼通過高低電平的時間長度不同來規(guī)定數(shù)據(jù)是“1”還是“0”。協(xié)議使用Tari代表數(shù)據(jù)“0”，時間長度在6．25～25μs范圍內(nèi)，容差為±1％，數(shù)據(jù)“1”的寬度在為1．5Tari～2．5Tari，如圖2所示。本次編碼中，Tari值為6．4μs，數(shù)據(jù)“1”的長度為11．4μs，PW的長度為3．2μs。

協(xié)議規(guī)定，完整的PIE碼需在有效數(shù)據(jù)前加上前同步碼或幀同步碼。前同步碼由定界符、Tari、RTcal以及TRcal這4段組成，用在Query命令上。幀同步碼省去了TRcal而直接由前三項組成，用在其他命令上。前同步碼示意如圖3所示。

2．2 PWM實現(xiàn)PIE編碼

S3C2440有5個16位的定時器，其中定時器1～4具有PWM（脈寬調制）功能，定時器使用經(jīng)過分頻后的系統(tǒng)時鐘PCLK作為時鐘輸入。本設計中100 MHz的PCLK經(jīng)過2分頻得到50 MHz頻率的定時器輸入時鐘，定時器每計數(shù)一次耗時0．02μs。定時器使用兩個16位的緩沖寄存器TCNTB和TCMPB來實現(xiàn)PWM功能，TCNTB為一次PWM輸出計數(shù)次數(shù)，采用遞減的方式計數(shù)，當計數(shù)減為TCMPB的時候，PWM輸出電平反轉。以數(shù)據(jù)“0”為例，其脈沖總寬度為6．4μs，低電平持續(xù)時間3．2 μs，則可計算出TCNTB=6．4／0．02=320次，TCMTB=3．2／0．02=160次。

為實現(xiàn)連續(xù)的PWM輸出，需要讓定時器工作在自動重載模式，即當定時器計數(shù)器減為0的時候，在定時器中斷處理函數(shù)里更新TCNTB及TCNMPB，讓定時器重新開始一次脈寬輸出。定時器1初始化時經(jīng)過以下步驟：

①TCNMB以及TCMPB寄存器賦非零初值；

②TCON中人工裝載位配置為1，TCNTB和TCMPB更新到內(nèi)部計數(shù)器；

③TCON中自動重載位配置為1，為實現(xiàn)連續(xù)的PWM功能；

④TCON中輸出翻轉位配置為1，脈沖以高電平開始；

⑤TCON置為啟動位；

⑥TCON設置關閉人工裝載，定時器開始啟動。

經(jīng)過以上配置后，將定時器I／O引腳配置為PWM輸出模式就可以進行PWM輸出。以一個Query命令的編碼為例，Query命令是由前同步碼和22位數(shù)據(jù)構成，先將這22位數(shù)據(jù)計算好并保存在全局數(shù)組data［］中，發(fā)送Query命令時開啟定時器1并允許定時器1中斷，在中斷處理函數(shù)里面更新TCNTB以及TCMPB的值來決定下一個脈沖的PWM輸出。編碼程序流程如圖4所示。

正確的Query命令會讓標簽返回16位偽隨機數(shù)RN16。為了測試Query命令是否發(fā)送正確，使用示波器觀察比較器輸出，如果有MILLER2編碼的16位數(shù)據(jù)輸出，則表明Query命令正確。使用示波器觀察的結果如圖5所示，可以看出是MILLER2編碼的序列，詳細分析其位數(shù)后確認是16位，驗證了PIE編碼的正確性。

3 MILLER2解碼

3．1 MILLER2碼介紹

EPC GEN2協(xié)議中規(guī)定標簽反向散射的數(shù)據(jù)應該采用FM0或者MILLER的編碼方式。MILLER定義在兩個數(shù)據(jù)“0”之間變換相位，在數(shù)據(jù)“1”中間放置一個相轉化，MILLER2碼則表示每一位數(shù)據(jù)重復兩個副載波周期。完整的MILLER2編碼，需要在有效數(shù)據(jù)前加上前同步碼。前同步碼可編程選擇格式，在Query命令中將M和Trext這兩位設置為1，選擇前同步碼由16個數(shù)據(jù)“0”加上數(shù)據(jù)序列“101112”構成。MILLER2數(shù)據(jù)定義和前同步碼如圖6所示。MILLER2碼每一位數(shù)據(jù)的時間長度由Tari值決定，本設計中為2個Tari（即1 2．8μs）。

3．2 解碼狀態(tài)機

本文使用S3C2440的外部中斷捕捉比較器的輸出，使用單邊觸發(fā)上升沿檢測。對正確的MILLER2編碼序列進行上升沿捕捉時，兩次中斷的時間間隔有a和b兩種情況，其中a表示兩次中斷的時間間隔為Tari，即6．4μs，b表示間隔為1．5Tari，即9．6μs，據(jù)此繪制了MILLER2編碼的狀態(tài)以及狀態(tài)轉換圖。狀態(tài)共有22個，其中用于前導碼檢測的狀態(tài)有13個，用于數(shù)據(jù)檢測的有9個狀態(tài)。部分前導碼狀態(tài)以及全部數(shù)據(jù)狀態(tài)如圖7所示。

下面描述各個狀態(tài)的意義。

s0：解碼開始，表示收到1個a間隔；

s1：前導碼狀態(tài)的一種，表示收到2個a間隔；

s2：表示收到3個a間隔；

s3：收到4個a間隔，s3狀態(tài)若連續(xù)收到a間隔，則仍舊歸于s3狀態(tài)；

s4：表示s3收到b間隔，此時前導碼中的16個數(shù)據(jù)“0”解碼結束，進入數(shù)據(jù)序列“101112”解碼狀態(tài)；

s5～sa：前導碼中的數(shù)據(jù)序列“101112”檢測狀態(tài)，依次類推，圖7中省略；

sb：前導碼結束狀態(tài)；

d1：收到數(shù)據(jù)“0”的2／4位；

d2：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“1”的1／4位；

d3：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“0”的1／4位；

d4：收到數(shù)據(jù)“1”的3／4位；

d5：收到數(shù)據(jù)“0”的3／4位；

d6：收到完整數(shù)據(jù)“1”以及數(shù)據(jù)“0”或者“1”的1／4位；

d7：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“1”的1／4位；

d8：收到完整數(shù)據(jù)“1”；

d9：收到完整數(shù)據(jù)“0”以及數(shù)據(jù)“0”的2／4位。

以上狀態(tài)中，當狀態(tài)機當前狀態(tài)為d2、d3、d6、d7、d8、d9的一種時，表示收到1位有效數(shù)據(jù)。狀態(tài)轉換圖如圖8所示，狀態(tài)d2、d7只畫出了有效輸入時的轉換圖，在無效輸入時結束狀態(tài)機程序返回。

3．3 MILLER2解碼程序設計

進行MILLER2解碼主要是把接收到的中斷時間間隔作為狀態(tài)機的輸入，在狀態(tài)機里進行判斷和狀態(tài)轉換，解碼出有效數(shù)據(jù)。本設計中，使用上面描述的編碼方式碼發(fā)送Query命令，UHF電子標簽收到有效命令之后反向散射采用MILLER2編碼的16位偽隨機數(shù)RN16。程序在發(fā)送完畢Query命令之后立即使能外部中斷，在外部中斷處理函數(shù)中，把中斷時間間隔保存在數(shù)組中，等接收的中斷間隔超過b或者中斷次數(shù)超過接收RN16所需要的次數(shù)后，關閉中斷。在外部程序中通過狀態(tài)機進行解碼，解調的同時對有效位進行計數(shù)，計數(shù)器達到16位后，返回解調出來的數(shù)據(jù)，否則返回0。解調程序流程如圖9所示。

在主函數(shù)里面循環(huán)發(fā)送Query命令并進行MILLER2解碼，如果解碼成功則使用串口工具在上位機上打印出解調出來的RN16的值，解碼失敗則不打印。在PC上使用串口工具SecureCRT觀察到以十六進制輸出的RN16，如圖10所示，表明MILLER2解碼成功。

結語

本文提出使用ARM9進行UHF RFID讀卡器基帶編解碼，并加以實現(xiàn)。ARM9芯片豐富的外設使該方案擁有較好的擴展性、實用性，為進行系統(tǒng)級別的設計打下了基礎。

編輯：jq