基于FPGA的UHF的RFID讀寫器設(shè)計

  
1 引 言
射頻識別技術(shù)(RFID)是利用射頻方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信以達(dá)到物品識別目的，可用來追蹤和管理幾乎所有物理對象。在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運(yùn)輸控制管理、防偽等眾多領(lǐng)域，甚至軍事用途都具有廣泛的應(yīng)用前景，并且引起了廣泛的關(guān)注。RFID系統(tǒng)一般包括讀寫器和電子標(biāo)簽(或稱應(yīng)答器)2個部分。RFID電子標(biāo)簽(Tag)由芯片與天線(Antenna)組成，每個標(biāo)簽具有惟一的電子編碼。標(biāo)簽附在物體上以標(biāo)識目標(biāo)對象。RFID讀寫器(Reader)的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀寫信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答。對標(biāo)簽信息進(jìn)行解碼，并將信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。根據(jù)應(yīng)用的不同，閱讀器可以是手持式或固定式。本文重點(diǎn)介紹的就是讀寫器的開發(fā)。

EPC規(guī)范已經(jīng)頒布第一代規(guī)范。規(guī)范把標(biāo)簽細(xì)分為Class 0，Class 1，Class 2三種。其中Class 0和Class 1標(biāo)簽都是一次寫入多次讀取標(biāo)簽，Class 0標(biāo)簽只能由廠商寫入信息，用戶無法修改，因而又稱為只讀標(biāo)簽，主要用于供應(yīng)鏈管理)Class 1則提供了更多的靈活性，信息可由用戶寫入一次。Class 0和Class 1標(biāo)簽采用不同的空中接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，因此兩類標(biāo)簽不能互操作。Class 2標(biāo)簽具備多次寫入能力，并增加了部分存儲空間用于存儲用戶的附加數(shù)據(jù)。Class 2標(biāo)簽允許加入安全與訪問控制、感知網(wǎng)絡(luò)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)等功能支持。目前EPCglobal正在制定第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，即UHF Class l Generation 2(C1G2)。C1G2具有隨時更新標(biāo)簽內(nèi)容的能力，保證標(biāo)簽始終保存最新信息。EPC規(guī)范l_0版本包括EPC Tag數(shù)據(jù)規(guī)范、Class 0(900 MHz)標(biāo)簽規(guī)范、C1ass 1(13．56 MHz)標(biāo)簽接口規(guī)范、Class l(860～930 MHz)標(biāo)簽射頻與邏輯通訊接口規(guī)范、物理標(biāo)識語言(PhysicalMarkup Language，PML)。

本文重點(diǎn)介紹EPC Class 1讀寫器系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)字部分設(shè)計及FPGA在數(shù)字實現(xiàn)上的應(yīng)用。由于U 頻段RFID技術(shù)的應(yīng)用還處在早期的發(fā)展階段，符合EPCClass 1協(xié)議的讀寫器在國內(nèi)還沒有相關(guān)產(chǎn)品面世。本文對相關(guān)開發(fā)有一定的參考價值。

2 EPC Class lb系統(tǒng)設(shè)計

一個完整的RFID系統(tǒng)包括：讀寫器、天線、標(biāo)簽和PC機(jī)。讀寫器完成對標(biāo)簽(Tag)的讀寫操作。通過RS 232或RS 485總線完成PC機(jī)的命令接收和EPC卡號的上傳。圖l是讀寫器的系統(tǒng)組成框圖。讀寫器組成包括與PC機(jī)的串口通信部分、單片機(jī)和FPGA組成的數(shù)字部分、射頻部分。RF單元實現(xiàn)和標(biāo)簽的通信，數(shù)字部分完成對射頻部分的控制、回波命令解析 PC機(jī)接收卡號實現(xiàn)上位機(jī)的控制。下面對各模塊做簡單介紹。

2．1 PC 端
RFID系統(tǒng)一般要將標(biāo)簽信息讀取到計算機(jī)上，然后等待處理 用戶通過PC機(jī)可以實現(xiàn)讀寫器控制，完成對標(biāo)簽的讀寫操作。讀寫器與PC機(jī)通信是基于RS 232總線，糾錯算法是CRC—CCITT算法。

-圖1-


2．2 射頻模塊
讀寫器對標(biāo)簽的讀寫是通過發(fā)送射頻能量和對回波實現(xiàn)的。射頻模一方面將數(shù)字模塊送來的信息完成調(diào)制并發(fā)送。標(biāo)簽應(yīng)答，射頻模塊接收回波信號將他解調(diào)成基帶信號，送到數(shù)字模塊。

2．3 數(shù)字模塊
數(shù)字模塊由單片機(jī)(cygnal C8O51F126)、存儲器(24Cz56)，F(xiàn)PGA(xl SlOO)組成 單片機(jī)的功能有：

(1)實現(xiàn)與PC機(jī)通信，接收PC機(jī)命令，完成解析下傳到FPGA
(2)將FPGA送來的EPC卡號加算CRC—CCITT校驗上傳PC機(jī)。擇Xilinx公司ISE6．2，仿真軟件為Modelsim 5．7。設(shè)計實現(xiàn)采取原理圖和VHDL語言相結(jié)合的原則。頂層模塊采用原理圖設(shè)計，功能模塊采用VHDL語言實現(xiàn)。
(3)解決多卡碰撞，實現(xiàn)多卡讀取。由于FPGA實現(xiàn)多卡讀取算法非常消耗FPGA資源，而且需要FPGA有大量的存儲器資源存放讀到的卡號，成本較高。而如果由PC機(jī)實現(xiàn)多卡讀取算法，則讀取速度很難提高。
(4)實現(xiàn)對射頻模塊的鎖相環(huán)頻率控制以及功率控制 讀寫器發(fā)射功率常需要調(diào)整，而且讀寫器有時需要在不同射頻頻率，甚至跳頻下工作。單片機(jī)通過對射頻模塊的鎖相環(huán)控制實現(xiàn)對射頻頻率和功率的控制。

單片機(jī)采用CYGNAL公司的C8051F126。內(nèi)部有128 k的FLASH存儲器和8 k的RAM，可以在5O MHz主頻下工作。
FPGA實現(xiàn)EPC Class l通信協(xié)議，接收單片機(jī)控制命令，將命令按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)編碼送到射頻模塊調(diào)制并發(fā)送，然后解調(diào)并接收射頻模塊送來的回波基帶信號，將得到的標(biāo)簽信息發(fā)送給單片機(jī)。FPGA實現(xiàn)的EPC Class l命令的基本命令包括scrollid，scrollallid，pinged，quiet，talk，kill；編程命令programid，verifyid，lockid，eraseid 這些命令包括命令的發(fā)送和回波的解析。根據(jù)發(fā)送命令不同，對應(yīng)的發(fā)送命令格式也不相同，分為2類?；夭ㄐ盘柛袷揭哺鶕?jù)命令的不同分為2類。下面介紹FPGA實現(xiàn)的EPC Class 1協(xié)議。

3 FPGA實現(xiàn)的信號調(diào)制解調(diào)

3．1 FPGA 器件及開發(fā)平臺
FPGA選擇Xilinx公司的SPART II XC2S100規(guī)模為1O萬門，系統(tǒng)時鐘選擇40 MHz，滿足要求。開發(fā)軟件選擇Xilinx公司ISE6．2，仿真軟件為Modelsim 5．7。設(shè)計實現(xiàn)采取原理圖和VHDL語言相結(jié)合的原則。頂層模塊采用原理圖設(shè)計，功能模塊采用VHDL語言實現(xiàn)

3．2 結(jié)構(gòu)框圖
從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以看出FPGA實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)部分包括：單片機(jī)接口(單片機(jī)的命令接收模塊、向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)模塊)、復(fù)位信號產(chǎn)生模塊、命令調(diào)制模塊、命令接收模塊。

-圖2-

單片機(jī)向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)采用對地址操作方式，單片機(jī)對FPGA讀取數(shù)據(jù)采用查詢方式。FPGA整個工作過程：FPGA接收單片機(jī)控制命令，接收單片機(jī)命令模塊將所收到的命令賦值給相應(yīng)寄存器，同時復(fù)位信號產(chǎn)生模塊根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的命令產(chǎn)生復(fù)位信號(單片機(jī)寫FPGA過程即為復(fù)位)。命令調(diào)制模塊根據(jù)單片機(jī)送來的命令以及相應(yīng)控制字，輸出相應(yīng)的調(diào)制信號(bit— sent)輸出到射頻模塊。接收模塊始終在檢測回波數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到回波數(shù)據(jù)的幀頭有效時通知讀命令數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)。同時將接收到的數(shù)據(jù)送CRC校驗?zāi)K校驗，數(shù)據(jù)接收完成，CRC校驗也即完成，CRC校驗?zāi)K校驗成功即產(chǎn)生CRCOK= l 表示讀卡號成功，單片機(jī)查詢到此位為高時通過MCU接口模塊讀卡號和CRC。在Ping命令時，Ping命令接收模塊判斷命令發(fā)送模塊此時發(fā)送的命令類型。如果為Ping命令時，則接收數(shù)據(jù)，將接收的各槽數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息放在BIN DATA寄存器中。

3．3 關(guān)鍵功能模塊
(1)命令調(diào)制模塊
命令調(diào)制模塊發(fā)送的命令必須符合EPC規(guī)范對信息編碼要求以及命令格式要求。信息編碼占空比為1／8時鐘表示“0”，占空比為3／8時鐘表示“l(fā)”。命令格式要求如圖3所示，根據(jù)EPC規(guī)范，可以將命令格式分為3種，分別為ping命令格式、寫卡(program)命令格式、讀卡(scrolled)命令格式，具體命令格式參照文獻(xiàn)[1]。命令調(diào)制模塊實現(xiàn)3種命令格式的調(diào)制。命令調(diào)制模塊設(shè)計采

-圖3-


(2)Ping命令接收模塊
回波編碼和發(fā)送編碼方式不同，Ping命令和scrollid命令回波編碼用“1010”表示 l ，用“l(fā)100”表示 0。接收數(shù)據(jù)模塊必須將回波調(diào)制信號解調(diào)成～0， 1 信號。Ping命令是基本多卡操作命令。如圖3所示，Ping命令的標(biāo)簽應(yīng)答是在8個槽(bin)中應(yīng)答，對應(yīng)著不同的8組標(biāo)簽。這樣一次Ping命令可以判斷8組標(biāo)簽。提高了多卡效率．每一個槽(bin)信息用2個寄存器表示，BIN0(1：O)表示卡的狀態(tài)信息：有卡、無卡、多卡。BIN(7：O)表示槽的數(shù)據(jù)。單片機(jī)根據(jù)槽狀態(tài)信息決定是否讀取槽數(shù)據(jù)．

(3)scollid命令數(shù)據(jù)接收模塊
scrollid以及scrollallid，verifyid命令的回波格式相同，接收方式相同．回波格式如圖4所示
-圖4-




一幀完整回波包括幀頭(F7H)，16位CRC，96位或64位EPC DATA。接收模塊采用檢測幀頭的方式，通過一個32位移位寄存器(1 b數(shù)據(jù)由4個狀態(tài)信息表示)檢測幀頭，幀頭有效則讀數(shù)據(jù)模塊解調(diào)回波數(shù)據(jù)，解調(diào)數(shù)據(jù)存儲在EPC DATA寄存器中。同時將檢測到的bits送到CRC校驗。

(4)CRC校驗?zāi)K
CRC模塊對數(shù)據(jù)接收模塊檢測到的數(shù)據(jù)按照CRC—CCITT算法校驗，校驗通過則產(chǎn)生CRC OK=”1”。單片機(jī)根據(jù)此狀態(tài)讀取EPC DATA。CRC—CCITT算法實現(xiàn)采用串行方式。程序非常簡單，而且節(jié)省FPGA資源。

節(jié)選代碼如下：
xOr_flag_en： process(elk)begin
if elk== ‘0’ and elk event then
if en ==’l’ then
if crc_bur(15)== ‘1’ then
crc bur< = (crc bur(14 downto O)＆data_in)
xor”O(jiān)OO1OOOOOO1OOOO1”：
xor_flag<= ‘l’
else erc_buf <=crc_buf(14 downto O)＆data_in ：
xor_flag< = ‘0’；
end if；
else crc_buf< =”111ll111111llll1”;
endif；
endif；
end prOcess

4 結(jié)語
FPGA實現(xiàn)了對EPC Classl 96位和64位卡的讀寫操作命令，讀寫成功率非常高，能實現(xiàn)8 m距離的正常讀，多卡讀取速度快。讀寫器和標(biāo)簽的讀寫速率為上行70 kb／s，下行140 kb／s。此讀寫器也已經(jīng)在批量生產(chǎn)，投放市場。
在讀寫器設(shè)計過程中仍有幾方面問題需要進(jìn)一步改善。一是Ping命令回波沒有CRC校驗，所以Ping命令的回波檢測成功率不夠高，影響多卡速度；另一方面，當(dāng)回波信號信噪比不高時，接收成功率下降速度很快。同時，在讀寫器設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)EPC標(biāo)簽的一些問題。其中突出的是，調(diào)試發(fā)現(xiàn)96位標(biāo)簽在應(yīng)答時存在累積周期差，不能和讀寫器的時鐘同步。標(biāo)簽鎖相環(huán)不夠準(zhǔn)確，給讀寫器的設(shè)計帶來不小難度．