利用單片機的捕獲功能自動識別鐵路RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)

摘要：鐵路標(biāo)簽分為機車標(biāo)簽和貨車標(biāo)簽。2種標(biāo)簽被閱讀器發(fā)射的射頻能量激活后，將連續(xù)不斷、周而復(fù)始返回標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給閱讀器。閱讀器將標(biāo)簽信號解調(diào)后送給單片機，單片機采用邊沿捕獲功能完成解碼。機車標(biāo)簽幀頭和貨車標(biāo)簽幀頭，以及它們的數(shù)據(jù)波形均是不相同的，正是利用它們各自信號的特征，可以自適應(yīng)地識別出是機車標(biāo)簽還是貨車標(biāo)簽，這樣無論機車處于列車的什么位置，均不會出現(xiàn)誤識別或漏識別現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：單片機；射頻識別；鐵路標(biāo)簽；波形特征；捕獲

    RFID技術(shù)已成為21世紀(jì)十大新技術(shù)之一，而且每年都在高速增長，推動RFID的產(chǎn)業(yè)前進。鐵路運輸作為國民經(jīng)濟的一個重要部門，在加大基礎(chǔ)建設(shè)的同時，加快鐵路信息化、現(xiàn)代化建設(shè)的步伐是真正形成鐵路經(jīng)濟、技術(shù)實力增長點的必由之路。鐵道部已開展鐵路車號自動識別系統(tǒng)的建設(shè)，該系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確地采集列車車次、車號和到發(fā)信息，能加快實現(xiàn)全路貨車、機車、列車、追蹤管理，滿足現(xiàn)代鐵路運輸管理系統(tǒng)對列車、車輛等基礎(chǔ)信息的需求，最終實現(xiàn)運輸作業(yè)管理現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化和資源共享，使鐵路運輸早日實現(xiàn)現(xiàn)代化管理。一列列車有2種標(biāo)簽，機車標(biāo)簽和貨車標(biāo)簽，它們采用不同的編碼方式，而機車可以處于列車頭部或尾部，也可以是雙機車，因此要求能夠快速、準(zhǔn)確地識別出2種標(biāo)簽。本文介紹了一種利用單片機捕獲功能自適應(yīng)地識別出兩種標(biāo)簽。

1 鐵路貨車標(biāo)簽的識別原理
1．1 機車標(biāo)簽的編碼方式
    機車標(biāo)簽返回給閱讀器的數(shù)據(jù)幀由幀頭(見圖1)和數(shù)據(jù)2部分組成。

    機車標(biāo)簽數(shù)據(jù)“0”和“1”采用FM0編碼方式，時間寬度都為25μs。FM0編碼是一種雙相編碼(Bi-Phasespace)，目前正越來越廣泛地應(yīng)用于RFID領(lǐng)域的各類系統(tǒng)中。FM0編碼用每個位時鐘周期的電平變化來攜帶信息，“1”定義為電平保持；“0”定義為電平變化。FM0編碼波形如圖2所示，相對FSK編碼，其編碼特征如下：邏輯“1”的物理編碼為“11”或"00”；邏輯“0”的物理編碼為“10”或“01”；信息速率為40Kb／s；每個標(biāo)簽的內(nèi)容含幀頭總共占用128個信息位，因此傳輸一個標(biāo)簽的內(nèi)容至少需要3．2ms的時間。
1．2 貨車標(biāo)簽編碼方式
    貨車標(biāo)簽數(shù)據(jù)由128個比特組成。標(biāo)簽被激活后，對數(shù)據(jù)進行編碼，加幀頭，形成數(shù)據(jù)幀信號，采用反向散射原理(ASK調(diào)制信號)將數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器。幀頭形式見圖3。標(biāo)簽的數(shù)據(jù)編碼形式見圖4所示。標(biāo)簽返回數(shù)據(jù)速率為10Kb／s；返回整個數(shù)據(jù)幀，包括幀頭，需13ms。

1．3 識別系統(tǒng)
    鐵路列車標(biāo)簽識別系統(tǒng)由以下幾個部分組成，見圖5。

    (1)電子標(biāo)簽：為無源電子標(biāo)簽，附著在機車或貨車底部；
    (2)天線：埋設(shè)在鐵軌的枕木之間，通過射頻電纜與閱讀器相連。
    (3)閱讀器：放置在鐵路旁邊的機柜里，通過通信線與上位機相連。
    (4)上位機：放置在鐵路旁邊的機柜里，通過通信線與鐵路控制中心相連。
    (5)磁鋼：放置在鐵軌上，檢測列車是否到達。
    當(dāng)列車到達時，磁鋼檢測到列車后，通知上位機，上位機命令閱讀器開始識別標(biāo)簽，閱讀器對標(biāo)簽數(shù)據(jù)進行識別，并將識別的數(shù)據(jù)上傳給上位機。

2 自適應(yīng)識別原理
    標(biāo)簽被閱讀器發(fā)射的微波信號激活后，將連續(xù)不斷、周而復(fù)始返回標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給閱讀器，經(jīng)閱讀器解調(diào)電路后，標(biāo)簽數(shù)據(jù)幀信號送入單片機的端口I／O，見圖6，單片機可采用邊沿觸發(fā)的捕捉方式捕獲標(biāo)簽信號脈沖寬度。由圖1和圖3可知，機車標(biāo)簽和貨車標(biāo)簽的幀頭波形不一樣，單片機根據(jù)捕獲到的幀頭波形，就可確定正在識別的標(biāo)簽是哪一種。知道標(biāo)簽種類后，單片機據(jù)此可解碼相應(yīng)標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

2．1 邊沿觸發(fā)的捕捉方式
    根據(jù)C8051F126單片機的邊沿觸發(fā)捕捉功能可知，CEXn引腳上出現(xiàn)的有效電平變化導(dǎo)致PCA0捕捉PCA0計數(shù)器／定時器的值，并將其裝入到對應(yīng)模塊的16位捕捉／比較寄存器(PCA0CPLn和PCA0CPHn)。PCA0CPMn寄存器中的CAPPn和CAPNn位用于選擇觸發(fā)捕捉電平變化的類型：低電平到高電平(正沿)、高電平到低電平(負沿)或任何一種變化(正沿或負沿)。當(dāng)捕捉發(fā)生時，PCA0CN中的捕捉／比較標(biāo)志(CCFn)被置為1，并產(chǎn)生一個中斷請求(如果CCF中斷被允許)。當(dāng)CPU轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時，CCFn位不能被硬件自動清除，必須用軟件清0。
2．2 同步特征信號
    為了建立單片機能夠識別的特征信號，將不同寬度的波形用不同的值表示。由圖1～圖4可知，2種標(biāo)簽共有3種寬度的波形，用二進制數(shù)01表示12．5μs的波形，10表示25μs的波形，11表示37．5μs的波形。這樣，機車標(biāo)簽幀頭的特征信號為十六進制0xE6D，貨車標(biāo)簽幀頭的特征信號為0x555555A。機車標(biāo)簽數(shù)據(jù)“0”的信號為0x5，數(shù)據(jù)“1”的信號為0x2。貨車標(biāo)簽數(shù)據(jù)“0”的信號為0xA55，數(shù)據(jù)“1”的信號為0x55A。
2．3 識別步驟
    (1)檢測標(biāo)簽幀頭，流程如圖7所示。

    ①當(dāng)貨車電子標(biāo)簽被閱讀器發(fā)射的微波信號激活后，將連續(xù)不斷地、周而復(fù)始地返回標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)幀。也就是同一張標(biāo)簽多次返回它的數(shù)據(jù)幀。
    ②當(dāng)單片機捕獲到上述3種脈沖寬度之一時，用01，10或11記錄相應(yīng)信號的波形。
    ③當(dāng)累計捕獲脈沖組成幀頭信號且滿足0xE6D時，確定識別的標(biāo)簽代表機車。
    ④當(dāng)累計捕獲的脈沖組成幀頭信號且滿足0x555555A時，確定識別的標(biāo)簽代表貨車。
    ⑤根據(jù)幀頭信息，可確定下面識別的數(shù)據(jù)為機車，還是貨車數(shù)據(jù)。
    (2)解碼標(biāo)簽數(shù)據(jù)：
    ①如果是機車標(biāo)簽，當(dāng)單片機捕獲到12．5μs的波形時，用01表示，到25μs的波形時，用10表示。出現(xiàn)2個01時，解碼為“0”，出現(xiàn)1個10時，解碼為“1”。
    ②如果是貨車標(biāo)簽，當(dāng)單片機捕獲到12．5μs的波形時，用01表示，到25μs的波形時，用10表示。出現(xiàn)2個10和4個01時，解碼為“0”，出現(xiàn)4個01和2個10時，解碼為“1”。

3 結(jié)語
    根據(jù)2種標(biāo)簽反射信號的幀頭特點，利用單片機捕獲方法，無論機車處于列車的任何位置，均可快速、準(zhǔn)確地識別出標(biāo)簽數(shù)據(jù)。目前，采用自適應(yīng)識別標(biāo)簽的閱讀器在鐵路運輸系統(tǒng)中均得到了較廣泛的應(yīng)用。