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。