机动车电子标识阅读器设计与实现

　　一、引言

　　机动车电子标识，又称“电子车牌”，是嵌有超高频无线射频芯片并存储汽车身份数据的电子信息识别载体，具有精准识别、识别速度快、受环境影响小，识别率高等优点，可以实现车辆身份的精准识别、车辆信息的动态采集和交通信息的海量采集。

　　机动车电子标识系统由电子标签、阅读器、天线及后台系统组成，通过在车辆前挡风玻璃内侧安装一张存储汽车身份数据的RFID电子标签(即“汽车电子标识”)，在城市道路布设阅读器及天线，实现对电子标识的信息识读，从而自动、非接触，不停车地完成车辆信息的识别和监控。

　　二、阅读器技术原理及技术要求

　　在机动车电子标识系统中，阅读器是最为核心的设备，阅读器的识读性能关系到整个系统的性能。根据机动车电子标识国家标准要求，阅读器应工作在UHF频段，频率范围为920MHz～925MHz，范围内可用信道数为20，每信道带宽为250kHz。

　　阅读器通过调制射频载波信号发送信息到一个或多个标签，使用双边带幅移键控(DSB-ASK)、单边带幅移键控(SSB-ASK)等调制方式，标签通过阅读器的RF电磁场来获得工作电源能量，阅读器通过发送一个未经调制的RF载波并侦听标签的反向散射的回复来获得标签的信息，标签通过反向散射调制射频载波的幅度来传送信息，编码格式由标签根据阅读器命令进行选择，可以是FM0或者Miller调制副载波，阅读器和标签之间采用半双工通讯方式。

　　充分考虑城市自由流的应用场景以及车辆识别动态、高速、远距离的应用需求，阅读器应满足如下要求：

　　1. 要达到较远的读写距离及最大的检测范围(识读距离至少超过30米);

　　2. 要具有较高的处理能力和较快的读取速度，保证能检测到高速度的运动车辆(支持在200km/h运动状态下的车辆电子标识可被准确识读);

　　3. 应具有安全认证、传输加密及数据保护功能，以满足安全性要求;

　　4. 应具备数据本地存储能力，支持远程管理功能，具备时钟同步等功能，以满足实际应用需求;

　　5. 应达到较高的防护等级，具备良好的高低温性能，以满足各种环境应用需求。

　　三、阅读器设计与实现

　　阅读器设计分为硬件设计及软件设计。

　　(一)硬件设计实现

　　阅读器采用类似无线AP的盒式结构，由数字处理电路单元DPU、电源单元PWR、射频收发单元RFU及外围结构组成。阅读器的硬件总体框图详见图3。

　　其中，数字处理电路单元DPU和射频收发单元RFU是阅读器最为核心的部分，关系着阅读器功能及性能的实现。

　　1. 数字处理电路单元DPU

　　数字处理电路单元DPU包括以下功能模块：

　　(1)数字信号处理模块

　　数字信号处理模块由RF基带信号处理部分和协议处理部分构成。其中，RF基带信号处理部分完成发送方向上的数据I、Q发送调制，接收方向上射频基带信号的波形检测，数据恢复、解码、碰撞检测等功能，该部分由一片FPGA来实现。

　　(2)协议处理模块

　　协议处理部分完成RFID空中接口协议处理、射频电路的控制和管理等功能，该部分由DSP来实现。

　　(3) 控制和管理模块

　　控制和管理模块实现对整个UHF阅读器系统的控制和管理功能，主要包括本板器件的初始化、配置、监控等工作，同时负责与后台网络通讯和管理，运行网络协议以及外设接口的管理，该部分主要通过嵌入式CPU系统实现。

　　(4)接口和网络通讯模块

　　接口和网络通讯模块实现阅读器同网络、PC机、外部存储设备的通讯和数据交互等功能。

　　2. 射频收发单元RFU

　　射频收发单元RFU包括以下功能模块：

　　射频单元由射频发送模块和射频接收模块组成，主要实现接收信号的滤波、放大、混频，AD转换，并把转换后的数字信号送给DPU进行处理功能和发送信号的调制、放大、DA转换，滤波等功能。整个射频电路由前向链路、反向链路、天线选择开关矩阵、前向泄露对消环路，辅助控制电路几部份构成。具体架构如图4所示：

　　(二)软件设计实现

　　阅读器软件由四个层次构成，分别为驱动层、OS层、应用层和后台，完成阅读器标签信息获取、管理和上报。

　　1. 驱动层

　　驱动层提供阅读器各种设备的操作管理功能，包括后台接口驱动(USB、以太网、串口、其它设备)和无线收发模块的驱动。

　　2. OS层

　　OS层为操作系统层，作为阅读器控制管理的应用部分的运行平台，操作系统采用基于ARM的Linux操作系统，为上层应用提供运行支撑。

　　3. 应用层功能描述

　　应用层完成阅读器的控制管理和信号处理，包括DSP处理模块、协议处理模块，操作维护模块以及后台通信模块。

　　四、阅读器关键技术

　　零中频接收机、载波泄露消除、多标签防碰撞及多阅读器协同工作是阅读器设计实现时最为关键的技术，也是行业内设备厂商重点研究及关注的核心技术。目前，国内厂商在阅读器核心技术方面已具备深厚的技术积累，在重庆、南京、兰州、厦门、银川、深圳、无锡等多地汽车电子标识项目中广泛应用。

　　(一)零中频接收机

　　零中频接收机是指RF信号直接转化到零频信号，LPF(低通滤波器)用于近端干扰信号的抑制。零中频接收机具有易集成、低功耗，低成本等特点，在阅读器设计时被广泛应用。

　　相对于超外差架构，零中频架构具有如下优势：

　　(1)采用零中频结构可以使发射机和接收机共用一个频率综合器，从而减小设计复杂度;

　　(2)阅读器收发同频，直接变频结构将发射机泄漏过来的载波转换到直流，可以通过直流失调电平消除电路消除，并且T=R链路采用的FM0 和Miller 编码均无直流分量;

　　(3)声表滤波器和复杂的LC滤波器可采用简单的低通滤波器替换，有利于降低电路复杂度;

　　(4)没有镜像抑制要求。

　　(二)载波泄露消除

　　由于标签采用背向散射机制返回信号，因此阅读器必须收发同频，并且为了提供给无源标签能量，发射机即使在接收信号时也一直在发射连续载波，使得接收机前端有很大的载波泄漏。如此大的信号会阻塞射频前端，影响返回信号的正常放大及线性度，它需要射频前端有高达5dBm以上的1dB 压缩点，并且限制了射频前端的增益要在0dB 以下，以使模拟前端可以正常工作。

　　在存在前向泄漏的情况下，泄漏信号会对链路的反向链路造成负面的影响，主要包括：

　　(1)相位噪声;

　　(2)幅度噪声;

　　(3)阻塞信号导致反向链路NF(噪声系数)恶化。

　　最终的表现就会导致反向链路的接收灵敏度急剧下降，清点标签距离变近，漏读率升高。载波泄漏在双天线和单天线阅读器中都存在，如何在载波泄漏情况下正常接收和放大返回信号是UHF RFID 阅读器接收机设计的一个难点。

　　载波消除模块设计对于实现泄露消除作用重大。载波消除模块将本振信号进行调幅和调相，得到一个与泄漏的载波接近的同相、同幅的抵消信号，此信号与混有载波的接收信号经过合路，使输出信号中大部分的载波信号被抵消，从而可以通过有源混频器进行高线性度的下变频。

　　图9方框内所示即接收机载波消除射频前端，主要包括抵消信号产生电路、带载波消除的低噪声放大器、正交下变频混频器以及载波消除检测电路。这些模块不是独立的，而是集合在载波消除的反馈回路当中。

　　(三)多标签防碰撞

　　多标签碰撞问题即为读取阅读器有效区域内的多个标签所产生的标签信息碰撞问题。

　　多标签的防碰撞使用DDS-BT机制，在该机制中，标签时隙计数器初始值为0，根据后续命令逐步调整时隙计数器，当时隙计数器为0时，标签从仲裁态跳转到应答状态，开始响应阅读器：

　　1. 当标签无回复时

　　(1)在阅读器无法接收到标签回复的时候，首先判断是否结束盘点，如果判据为真，则认为盘点结束;

　　(2)如果不结束盘点，需要判断连续空闲时隙的次数是否达到CIN(连续空闲阈值，典型值是4)。如果连续空闲时隙的次数不小于CIN，则发送收缩命令(Shrink)，所有仲裁和应答状态的标签时隙计数器值除以 2 取整;

　　(3)如果连续空闲时隙的次数小于 CIN，且上一时隙阅读器发送的是分裂命令，阅读器发送分裂位置为“1”的分裂命令(Divide)，所有时隙计数器值为 1 的标签分裂;

　　(4)如果连续空闲时隙的次数小于 CIN，且上一时隙阅读器发送的不是分裂命令，则阅读器发送重复查询命令(QueryRep)，所有仲裁和应答状态的标签时隙计数器值减1。

　　2. 当标签正确回复时

　　阅读器接收到标签正确回复的RN11+CRC5，阅读器发送编码获取命令(ACK), 标签发送安全模式、编码长度和编码并跳转到确认状态。

　　3. 当标签发生碰撞时

　　(1)当阅读器接收到多个标签碰撞信号的时候，需要判断连续碰撞时隙的次数是否达到 CCN;

　　(2)如果连续碰撞时隙的次数小于 CCN(连续碰撞阈值，典型值为3)，则发送分裂位置为0的分裂命令(Divide)，处于应答状态的标签分裂，仲裁状态的标签时隙计数器加1;

　　(3)如果连续碰撞时隙的次数不小于 CCN，则发送分散命令(Disperse)，所有应答和仲裁状态的标签时隙计数器的值乘以2之后加上1位随机数。

　　4. 盘点结束判断

　　阅读器设置盘点结束阈值，阅读器发送启动查询命令时，将盘点结束阈值置为2;阅读器发送分裂位置为0的分裂命令时，盘点结束阈值加1;阅读器发送重复查询命令时，盘点结束阈值减1;阅读器发送分散命令时，盘点结束阈值乘以2后加1;阅读器发送收缩命令时，盘点结束阈值除以2后取整;阅读器发送其他命令时，盘点结束阈值不变;如果盘点结束阈值为0，则阅读器认为盘点结束。

　　(四)多阅读器协同工作

　　阅读器通过发送电磁波信号，对其覆盖范围内的标签进行通信，完成标签清点操作，当多个阅读器工作在同一区域，该如何协调成为阅读器设计时一个关键技术点。多阅读器协同工作的目的就是能够使每个阅读器都独立的清点各自区域中的所有标签。首先，由阅读器选择标签，选择感兴趣的标签群体;然后发起一轮清点，进行标签防碰撞清点过程，返回handle的标签进入arbitrate/reply状态;返回EPC的标签进入acknowledged状态，被阅读器确认成功清点后，继续清点时退出该清点流程，进入ready状态，直到被选择的所有标签全部被清点。如何支持多阅读器各自独立完成清点，需要阅读器与标签之间的空口协议支持，标签需要在物理特性上支持，需要对阅读器进行控制。