基于FPGA的RFID板級標簽設計與實現

　　引 言

　　射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是一種新興的非接觸式自動識別技術，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理、防偽及軍事等眾多領域都有廣泛的應用前景。它利用無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，以達到目標識別并交換數據的目的，可用來跟蹤并管理幾乎所有的物理對象。RFID電子標簽已經成為21世紀全球自動識別技術發(fā)展的主要方向。目前，RFID已經得到了廣泛應用，且有國際標準ISO10536，ISO14443，ISO15693，ISO18000，EPC Global等幾種。其中，ISO18000-6C屬于超高頻射頻識別技術標準，它融合了EPC C1G2標準。該標準的特點是速度快，可以同時讀取的標簽數量多，理論上能讀到1 000多個標簽;功能強，具有多種寫保護方式;安全性強。

　　在我國，由于射頻識別技術起步較晚，應用的領域不是很廣，主要的應用是基于中低頻的應用，包括車輛管理、門禁管理等。目前，超高頻射頻識別技術及其應用在我國正處于初級發(fā)展階段，國內目前還沒有成熟的超高頻電子標簽芯片設計技術。

　　在此，首先介紹電子標簽的工作原理及ISO18000-6C標準，并根據ISO18000-6C標準，設計了實現超高頻電子標簽驗證平臺的整體電路。重點討論基于EP1C6Q240FPGA的數字基帶部分設計與實現。最后給出了該平臺的測試結果，驗證了平臺設計的正確性和可靠性。

　　1 電子標簽的工作原理

　　射頻識別系統(tǒng)通常由讀寫器(Reader)和射頻標簽(RFID Tag)構成。附著在待識別物體上的射頻標簽內存有約定格式的電子數據，作為待識別物品的標識性信息。讀寫器可無接觸地讀出標簽中所存的電子數據或者將信息寫入標簽，從而實現對各類物體的自動識別和管理。讀寫器與射頻標簽按照約定的通信協(xié)議采用先進的射頻技術互相通信，其基本通信過程如下。

　　(1)讀寫器作用范圍內的標簽接收讀寫器發(fā)送的載波能量，上電復位;

　　(2)標簽接收讀寫器發(fā)送的命令并進行操作;

　　(3)讀寫器發(fā)出選擇和盤存命令對標簽進行識別，

　　選定單個標簽進行通信，其余標簽暫時處于休眠狀態(tài);

　　(4)被識別的標簽執(zhí)行讀寫器發(fā)送的訪問命令，并通過反向散射調制方式向讀寫器發(fā)送數據信息，進入睡眠狀態(tài)，此后不再對讀寫器應答;

　　(5)讀寫器對余下標簽繼續(xù)搜索，重復(3)，(4)分別喚醒單個標簽進行讀取。直至識別出所有標簽。

　　標簽向讀寫器傳送數據是通過反向散射調制技術，對于無源電子標簽，其本身沒有足夠的發(fā)射能量，所以通過改變天線的匹配阻抗控制天線的反射強弱，阻抗不匹配時天線反射率很大，阻抗匹配時天線反射率很小，以此來表示輸出信號的有無。

　　2 ISO18000-6C標準

　　ISO18000-6c標準為：

　　工作頻率 標簽應能夠在860～960 MHz的頻率范圍內接收從讀寫器發(fā)出的功率并能夠與讀寫器通信。

　　調制 讀寫器應采用DSB-ASK，SSB-ASK或PR-ASK調制方式進行通信。標簽應該能夠解調上述3種類型的調制。標簽反向散射應采用ASK或PSK調制。標簽商選擇調制形式。讀寫器能夠解調上述2種調制。

　　數據編碼 讀寫器到標簽的鏈路應采用PIE編碼，標簽將反射散射的數據編為該數據速率的副載波FMO基帶或Miller調制。讀寫器發(fā)出編碼選擇的命令。

　　數據速率 讀寫器到標簽的數據速率根據Tari值進行選擇，數據速率可以從40～640 Kb/s。標簽的反射速率由下面兩個公式共同決定：

　　3 RFID板級標簽驗證平臺的總體設計與實現

　　板級標簽主要由模擬射頻和數字處理2部分組成。圖1為板級電子標簽驗證平臺的結構框圖。

　　模擬射頻部分采用分立元件實現，完成射頻信號的接收，來自RFID讀寫器的信號通過天線和阻抗匹配網絡，經過915 MHz的聲表面濾波器濾波，進行包絡檢波后，通過一個運放構成的一階有源低通濾波器，再由電壓比較器完成高低電平的判決。數字部分由EP1C6Q240FPGA實現，完成ISO18000-6C協(xié)議處理，EP1C6Q240FPGA接收來自前端的TTL電平，完成PIE解碼、CRC校驗、命令解析、狀態(tài)轉移、數據存儲、FMO編碼等功能。FMO編碼通過反相散射調制輸出，改變天線的反射阻抗實現。

　　數字基帶部分的設計在Altera公司的EP1C6Q240FPGA上實現。經過對協(xié)議內容的深入研究，實現標簽數字部分采用Top-down的設計方法，首先對電路功能進行詳細描述，按照功能對整個系統(tǒng)進行模塊劃分;再用Vexilog硬件描述語言進行RTL代碼設計。數字基帶結構框圖如圖2所示，它包括譯碼模塊、循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)校驗模塊、狀態(tài)機模塊、CRC產生模塊、存儲器、編碼模塊和時鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調出的命令信號，根據協(xié)議中規(guī)定的命令格式將信號譯碼成標簽數字部分可識別的二進制數據，并發(fā)送到CRC校驗模塊和狀態(tài)機模塊。CRC校驗模塊對收到的命令進行完整性校驗，若確認為有效命令，則觸發(fā)狀態(tài)機模塊，控制標簽執(zhí)行相應操作，如讀寫存儲器、防沖突控制等。處理完成后，則將要發(fā)送的數據送至CRC：產生模塊產生相應的CRC校驗碼，然后將要發(fā)送的數據和校驗碼一起送至編碼模塊，最后由編碼模塊以特定的脈沖形式發(fā)送給模擬部分進行處理后，再采用射頻技術發(fā)送給讀寫器。

　　4 測試結果

　　QuartusⅡ6.0是Altera FPGA/CPLD的綜合性集成設計平臺。該平臺集成了設計輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線與實現、時序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設計流程所需的工具。Verilog HDL程序在QuartusⅡ6.O環(huán)境下編譯、仿真和下載，板級標簽經過總體設計、PCB板設計與實現、代碼設計、仿真與下載，以及系統(tǒng)調試后，能夠與支持ISO18000-6C標準的讀寫器(Cetc7 Rlid Reader V 1.O)進行通信，快速準確地收發(fā)信息，并實現防沖突功能。圖3顯示板級標簽能夠解碼來自閱讀器的命令信息，在狀態(tài)機的控制下，正確地輸出FM0編碼信號。圖4顯示板級標簽能夠支持ISO18000-6C標準的閱讀器正確讀取(讀取到的EPC碼與標簽一致)，讀取效果良好(73次/10 s)，讀取性能穩(wěn)定。測試表明，板級標簽能夠實現ISO18000-6C標準中的讀寫功能，標簽工作性能穩(wěn)定，可靠性都能達到預期的效果。

　　5 結 語

　　根據ISO18000-6C標準，采用EP1C6Q240FPGA以及模擬射頻分立元件，經過總體設計、PCB板設計與實現、代碼設計、仿真與下載，以及系統(tǒng)調試后，完成了基于FPGA的板級標簽的軟、硬件設計與實現。該系統(tǒng)通過測試，已能夠正常工作，讀寫性能優(yōu)異，并實現了防沖突功能。在此基礎上可以進一步提高其安全性和可靠性，所設計的標簽數字電路RTL代碼能夠直接應用到標簽芯片開發(fā)中，為下一步設計出符合該標準的電子標簽芯片提供了有力的保證。