利用单片机的捕获功能自动识别铁路RFID标签数据

摘要：铁路标签分为机车标签和货车标签。2种标签被阅读器发射的射频能量激活后，将连续不断、周而复始返回标签中的数据帧发送给阅读器。阅读器将标签信号解调后送给单片机，单片机采用边沿捕获功能完成解码。机车标签帧头和货车标签帧头，以及它们的数据波形均是不相同的，正是利用它们各自信号的特征，可以自适应地识别出是机车标签还是货车标签，这样无论机车处于列车的什么位置，均不会出现误识别或漏识别现象。
关键词：单片机；射频识别；铁路标签；波形特征；捕获

    RFID技术已成为21世纪十大新技术之一，而且每年都在高速增长，推动RFID的产业前进。铁路运输作为国民经济的一个重要部门，在加大基础建设的同时，加快铁路信息化、现代化建设的步伐是真正形成铁路经济、技术实力增长点的必由之路。铁道部已开展铁路车号自动识别系统的建设，该系统能够及时准确地采集列车车次、车号和到发信息，能加快实现全路货车、机车、列车、追踪管理，满足现代铁路运输管理系统对列车、车辆等基础信息的需求，最终实现运输作业管理现代化、网络化和资源共享，使铁路运输早日实现现代化管理。一列列车有2种标签，机车标签和货车标签，它们采用不同的编码方式，而机车可以处于列车头部或尾部，也可以是双机车，因此要求能够快速、准确地识别出2种标签。本文介绍了一种利用单片机捕获功能自适应地识别出两种标签。

1 铁路货车标签的识别原理
1．1 机车标签的编码方式
    机车标签返回给阅读器的数据帧由帧头(见图1)和数据2部分组成。

    机车标签数据“0”和“1”采用FM0编码方式，时间宽度都为25μs。FM0编码是一种双相编码(Bi-Phasespace)，目前正越来越广泛地应用于RFID领域的各类系统中。FM0编码用每个位时钟周期的电平变化来携带信息，“1”定义为电平保持；“0”定义为电平变化。FM0编码波形如图2所示，相对FSK编码，其编码特征如下：逻辑“1”的物理编码为“11”或"00”；逻辑“0”的物理编码为“10”或“01”；信息速率为40Kb／s；每个标签的内容含帧头总共占用128个信息位，因此传输一个标签的内容至少需要3．2ms的时间。
1．2 货车标签编码方式
    货车标签数据由128个比特组成。标签被激活后，对数据进行编码，加帧头，形成数据帧信号，采用反向散射原理(ASK调制信号)将数据发送给阅读器。帧头形式见图3。标签的数据编码形式见图4所示。标签返回数据速率为10Kb／s；返回整个数据帧，包括帧头，需13ms。

1．3 识别系统
    铁路列车标签识别系统由以下几个部分组成，见图5。

    (1)电子标签：为无源电子标签，附着在机车或货车底部；
    (2)天线：埋设在铁轨的枕木之间，通过射频电缆与阅读器相连。
    (3)阅读器：放置在铁路旁边的机柜里，通过通信线与上位机相连。
    (4)上位机：放置在铁路旁边的机柜里，通过通信线与铁路控制中心相连。
    (5)磁钢：放置在铁轨上，检测列车是否到达。
    当列车到达时，磁钢检测到列车后，通知上位机，上位机命令阅读器开始识别标签，阅读器对标签数据进行识别，并将识别的数据上传给上位机。

2 自适应识别原理
    标签被阅读器发射的微波信号激活后，将连续不断、周而复始返回标签中的数据帧发送给阅读器，经阅读器解调电路后，标签数据帧信号送入单片机的端口I／O，见图6，单片机可采用边沿触发的捕捉方式捕获标签信号脉冲宽度。由图1和图3可知，机车标签和货车标签的帧头波形不一样，单片机根据捕获到的帧头波形，就可确定正在识别的标签是哪一种。知道标签种类后，单片机据此可解码相应标签数据。

2．1 边沿触发的捕捉方式
    根据C8051F126单片机的边沿触发捕捉功能可知，CEXn引脚上出现的有效电平变化导致PCA0捕捉PCA0计数器／定时器的值，并将其装入到对应模块的16位捕捉／比较寄存器(PCA0CPLn和PCA0CPHn)。PCA0CPMn寄存器中的CAPPn和CAPNn位用于选择触发捕捉电平变化的类型：低电平到高电平(正沿)、高电平到低电平(负沿)或任何一种变化(正沿或负沿)。当捕捉发生时，PCA0CN中的捕捉／比较标志(CCFn)被置为1，并产生一个中断请求(如果CCF中断被允许)。当CPU转向中断服务程序时，CCFn位不能被硬件自动清除，必须用软件清0。
2．2 同步特征信号
    为了建立单片机能够识别的特征信号，将不同宽度的波形用不同的值表示。由图1～图4可知，2种标签共有3种宽度的波形，用二进制数01表示12．5μs的波形，10表示25μs的波形，11表示37．5μs的波形。这样，机车标签帧头的特征信号为十六进制0xE6D，货车标签帧头的特征信号为0x555555A。机车标签数据“0”的信号为0x5，数据“1”的信号为0x2。货车标签数据“0”的信号为0xA55，数据“1”的信号为0x55A。
2．3 识别步骤
    (1)检测标签帧头，流程如图7所示。

    ①当货车电子标签被阅读器发射的微波信号激活后，将连续不断地、周而复始地返回标签中的数据帧。也就是同一张标签多次返回它的数据帧。
    ②当单片机捕获到上述3种脉冲宽度之一时，用01，10或11记录相应信号的波形。
    ③当累计捕获脉冲组成帧头信号且满足0xE6D时，确定识别的标签代表机车。
    ④当累计捕获的脉冲组成帧头信号且满足0x555555A时，确定识别的标签代表货车。
    ⑤根据帧头信息，可确定下面识别的数据为机车，还是货车数据。
    (2)解码标签数据：
    ①如果是机车标签，当单片机捕获到12．5μs的波形时，用01表示，到25μs的波形时，用10表示。出现2个01时，解码为“0”，出现1个10时，解码为“1”。
    ②如果是货车标签，当单片机捕获到12．5μs的波形时，用01表示，到25μs的波形时，用10表示。出现2个10和4个01时，解码为“0”，出现4个01和2个10时，解码为“1”。

3 结语
    根据2种标签反射信号的帧头特点，利用单片机捕获方法，无论机车处于列车的任何位置，均可快速、准确地识别出标签数据。目前，采用自适应识别标签的阅读器在铁路运输系统中均得到了较广泛的应用。