浅析ARM9的超高频读写器基带编解码设计
引言
普通的uhf读写器主控芯片使用fpga较多，其优点是fpga对时序逻辑处理速度快，使用hdl语言很容易实现协议的编码与解码，但fpga芯片本身很少具备串口、网口等通信接口模块，功能扩展较麻烦。由于arm9芯片集成了很多扩展接口，同时进行操作系统移植等更高层次的设计也变得很容易，但对时序逻辑处理较难。因而本文提出了基于arm9的uhf rfid读写器基带编解码方法，并加以实现。
1 基本原理
uhf rfid国际标准协议规定读写器到电子标签的通信应采用dsb—ask、ssb—ask或者pr—ask调制方式。本文使用arm9芯片s3c2440的pwm（脉宽调制）控制模块进行pie编码，通过编码信号控制射频开关实现ook调制。电子标签接收到命令后反向散射副载波应答，经过射频模块的天线接收后被解调电路还原成miller2数据。构造miller2解码状态机，使用s3c2440的外部中断对miller2时序序列进行上升沿捕捉，捕捉到的两次中断的时间间隔作为状态机输入，进而解调出标签反射回来的数据。系统的硬件框图如图1所示。
读写器射频模块的工作流程为：发送命令时，pie编码电平控制射频芯片开关，当开关开启时输出射频载波，关闭则不输出，以达到ook调制载波的目的。接收机采用零中频接收机方案，直接对天线接收到的标签反向散射信号进行解调，解调完毕得到相位相差90°的i、q两路信号，通过差分放大器放大处理后，输出到比较器，经过比较后电路输出miller2编码时序信号。
2 pie编码
2．1 pie码简介
epc gne2协议规定uhf读卡器向标签发送命令时，数据应采用pie编码。pie码通过高低电平的时间长度不同来规定数据是“1”还是“0”。协议使用tari代表数据“0”，时间长度在6．25～25μs范围内，容差为±1％，数据“1”的宽度在为1．5tari～2．5tari，如图2所示。本次编码中，tari值为6．4μs，数据“1”的长度为11．4μs，pw的长度为3．2μs。
协议规定，完整的pie码需在有效数据前加上前同步码或帧同步码。前同步码由定界符、tari、rtcal以及trcal这4段组成，用在query命令上。帧同步码省去了trcal而直接由前三项组成，用在其他命令上。前同步码示意如图3所示。
2．2 pwm实现pie编码
s3c2440有5个16位的定时器，其中定时器1～4具有pwm（脉宽调制）功能，定时器使用经过分频后的系统时钟pclk作为时钟输入。本设计中100 mhz的pclk经过2分频得到50 mhz频率的定时器输入时钟，定时器每计数一次耗时0．02μs。定时器使用两个16位的缓冲寄存器tcntb和tcmpb来实现pwm功能，tcntb为一次pwm输出计数次数，采用递减的方式计数，当计数减为tcmpb的时候，pwm输出电平反转。以数据“0”为例，其脉冲总宽度为6．4μs，低电平持续时间3．2 μs，则可计算出tcntb=6．4／0．02=320次，tcmtb=3．2／0．02=160次。
为实现连续的pwm输出，需要让定时器工作在自动重载模式，即当定时器计数器减为0的时候，在定时器中断处理函数里更新tcntb及tcnmpb，让定时器重新开始一次脉宽输出。定时器1初始化时经过以下步骤：
①tcnmb以及tcmpb寄存器赋非零初值；
②tcon中人工装载位配置为1，tcntb和tcmpb更新到内部计数器；
③tcon中自动重载位配置为1，为实现连续的pwm功能；
④tcon中输出翻转位配置为1，脉冲以高电平开始；
⑤tcon置为启动位；
⑥tcon设置关闭人工装载，定时器开始启动。
经过以上配置后，将定时器i／o引脚配置为pwm输出模式就可以进行pwm输出。以一个query命令的编码为例，query命令是由前同步码和22位数据构成，先将这22位数据计算好并保存在全局数组data［］中，发送query命令时开启定时器1并允许定时器1中断，在中断处理函数里面更新tcntb以及tcmpb的值来决定下一个脉冲的pwm输出。编码程序流程如图4所示。
正确的query命令会让标签返回16位伪随机数rn16。为了测试query命令是否发送正确，使用示波器观察比较器输出，如果有miller2编码的16位数据输出，则表明query命令正确。使用示波器观察的结果如图5所示，可以看出是miller2编码的序列，详细分析其位数后确认是16位，验证了pie编码的正确性。
3 miller2解码
3．1 miller2码介绍
epc gen2协议中规定标签反向散射的数据应该采用fm0或者miller的编码方式。miller定义在两个数据“0”之间变换相位，在数据“1”中间放置一个相转化，miller2码则表示每一位数据重复两个副载波周期。完整的miller2编码，需要在有效数据前加上前同步码。前同步码可编程选择格式，在query命令中将m和trext这两位设置为1，选择前同步码由16个数据“0”加上数据序列“101112”构成。miller2数据定义和前同步码如图6所示。miller2码每一位数据的时间长度由tari值决定，本设计中为2个tari（即1 2．8μs）。
3．2 解码状态机
本文使用s3c2440的外部中断捕捉比较器的输出，使用单边触发上升沿检测。对正确的miller2编码序列进行上升沿捕捉时，两次中断的时间间隔有a和b两种情况，其中a表示两次中断的时间间隔为tari，即6．4μs，b表示间隔为1．5tari，即9．6μs，据此绘制了miller2编码的状态以及状态转换图。状态共有22个，其中用于前导码检测的状态有13个，用于数据检测的有9个状态。部分前导码状态以及全部数据状态如图7所示。
下面描述各个状态的意义。
s0：解码开始，表示收到1个a间隔；
s1：前导码状态的一种，表示收到2个a间隔；
s2：表示收到3个a间隔；
s3：收到4个a间隔，s3状态若连续收到a间隔，则仍旧归于s3状态；
s4：表示s3收到b间隔，此时前导码中的16个数据“0”解码结束，进入数据序列“101112”解码状态；
s5～sa：前导码中的数据序列“101112”检测状态，依次类推，图7中省略；
sb：前导码结束状态；
d1：收到数据“0”的2／4位；
d2：收到完整数据“0”以及数据“1”的1／4位；
d3：收到完整数据“0”以及数据“0”的1／4位；
d4：收到数据“1”的3／4位；
d5：收到数据“0”的3／4位；
d6：收到完整数据“1”以及数据“0”或者“1”的1／4位；
d7：收到完整数据“0”以及数据“1”的1／4位；
d8：收到完整数据“1”；
d9：收到完整数据“0”以及数据“0”的2／4位。
以上状态中，当状态机当前状态为d2、d3、d6、d7、d8、d9的一种时，表示收到1位有效数据。状态转换图如图8所示，状态d2、d7只画出了有效输入时的转换图，在无效输入时结束状态机程序返回。
3．3 miller2解码程序设计
进行miller2解码主要是把接收到的中断时间间隔作为状态机的输入，在状态机里进行判断和状态转换，解码出有效数据。本设计中，使用上面描述的编码方式码发送query命令，uhf电子标签收到有效命令之后反向散射采用miller2编码的16位伪随机数rn16。程序在发送完毕query命令之后立即使能外部中断，在外部中断处理函数中，把中断时间间隔保存在数组中，等接收的中断间隔超过b或者中断次数超过接收rn16所需要的次数后，关闭中断。在外部程序中通过状态机进行解码，解调的同时对有效位进行计数，计数器达到16位后，返回解调出来的数据，否则返回0。解调程序流程如图9所示。
在主函数里面循环发送query命令并进行miller2解码，如果解码成功则使用串口工具在上位机上打印出解调出来的rn16的值，解码失败则不打印。在pc上使用串口工具securecrt观察到以十六进制输出的rn16，如图10所示，表明miller2解码成功。
结语
本文提出使用arm9进行uhf rfid读卡器基带编解码，并加以实现。arm9芯片丰富的外设使该方案拥有较好的扩展性、实用性，为进行系统级别的设计打下了基础。
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1 基本原理
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读写器射频模块的工作流程为：发送命令时，pie编码电平控制射频芯片开关，当开关开启时输出射频载波，关闭则不输出，以达到ook调制载波的目的。接收机采用零中频接收机方案，直接对天线接收到的标签反向散射信号进行解调，解调完毕得到相位相差90°的i、q两路信号，通过差分放大器放大处理后，输出到比较器，经过比较后电路输出miller2编码时序信号。
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s3c2440有5个16位的定时器，其中定时器1～4具有pwm（脉宽调制）功能，定时器使用经过分频后的系统时钟pclk作为时钟输入。本设计中100 mhz的pclk经过2分频得到50 mhz频率的定时器输入时钟，定时器每计数一次耗时0．02μs。定时器使用两个16位的缓冲寄存器tcntb和tcmpb来实现pwm功能，tcntb为一次pwm输出计数次数，采用递减的方式计数，当计数减为tcmpb的时候，pwm输出电平反转。以数据“0”为例，其脉冲总宽度为6．4μs，低电平持续时间3．2 μs，则可计算出tcntb=6．4／0．02=320次，tcmtb=3．2／0．02=160次。
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sb：前导码结束状态；
d1：收到数据“0”的2／4位；
d2：收到完整数据“0”以及数据“1”的1／4位；
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d4：收到数据“1”的3／4位；
d5：收到数据“0”的3／4位；
d6：收到完整数据“1”以及数据“0”或者“1”的1／4位；
d7：收到完整数据“0”以及数据“1”的1／4位；
d8：收到完整数据“1”；
d9：收到完整数据“0”以及数据“0”的2／4位。
以上状态中，当状态机当前状态为d2、d3、d6、d7、d8、d9的一种时，表示收到1位有效数据。状态转换图如图8所示，状态d2、d7只画出了有效输入时的转换图，在无效输入时结束状态机程序返回。
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在主函数里面循环发送query命令并进行miller2解码，如果解码成功则使用串口工具在上位机上打印出解调出来的rn16的值，解码失败则不打印。在pc上使用串口工具securecrt观察到以十六进制输出的rn16，如图10所示，表明miller2解码成功。
结语
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