超高頻RFID讀寫器基帶模塊的原理與設(shè)計

　　1 引言

　　近年來，射頻識別技術(shù)(RFID)作為自動識別的新技術(shù)憑借其諸多優(yōu)點在國內(nèi)外迅速發(fā)展。其應(yīng)用廣泛，在人和動物身份識別、物流管理、交通運輸管理、資料及檔案存儲、工廠的生產(chǎn)控制等諸多領(lǐng)域均凸顯其作用和優(yōu)勢。按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)町以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同頻段的系統(tǒng)，低頻與高頻系統(tǒng)較成熟.超高頻技術(shù)則剛開始進入大規(guī)模應(yīng)用階段，其技術(shù)水平還沒有達到成熟的地步。對于此頻段讀寫器的研究和設(shè)計具有較大的意義。

　　本文依據(jù)ISO/IEC18000-6協(xié)議，利用FPGA與單片機設(shè)計了一種應(yīng)用于超高頻RFID讀寫器的基帶模塊，對此類讀寫器的設(shè)計具有借鑒意義。

　　2 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

　　2.1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　RFID系統(tǒng)一般包括射頻標(biāo)簽，讀寫器和計算機系統(tǒng)三部分。射頻標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，是安裝在被識別對象上，存儲被識別對象相關(guān)信息的電子裝置。讀寫器是利用射頻技術(shù)讀取射頻識別標(biāo)簽信息、或?qū)⑿畔懭霕?biāo)簽的電子設(shè)備。讀寫器讀出的標(biāo)簽信息通過訃算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行管理和信息傳輸。射頻識別系統(tǒng)中，計算機通信網(wǎng)絡(luò)是對數(shù)據(jù)進行管理和通信傳輸?shù)脑O(shè)備。

　　2.2 RFID系統(tǒng)工作原理

　　RFID系統(tǒng)足南信息載體和信息獲取裝置組成。RFID系統(tǒng)的基本模型如圖1所示。其中，射頻標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體;讀寫器足標(biāo)簽信息的讀取裝置。射頻標(biāo)簽與讀寫器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空中耦合、在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。

　　3 RFID讀寫器的結(jié)構(gòu)

　　從電路實現(xiàn)角度來說，讀寫器可劃分為兩大部分，即：射頻模塊與基帶模塊。

　　射頻模塊主要由調(diào)制解調(diào)電路模塊及天線組成，主要功能有兩個。一是實現(xiàn)將讀寫器欲發(fā)往射頻標(biāo)簽的命令調(diào)制到射頻信號上，經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送到射頻標(biāo)簽上，而射頻標(biāo)簽對照射的其上的射頻信號作出響應(yīng)。二是實現(xiàn)將射頻標(biāo)簽返回到讀寫器的回波信號進行加工處理.并從中解調(diào)提取出射頻標(biāo)簽回送的數(shù)據(jù)。

　　基帶模塊主要南讀寫器控制模塊、編解碼模塊及數(shù)據(jù)校驗等模塊組成，主受功能也自.兩個，一是接收上位機或鍵盤輸入的命令，作必要的處理后進行編碼實現(xiàn)為便于調(diào)制到射頻信號上的編碼調(diào)制信號。二是將標(biāo)簽回送列射頻模塊后經(jīng)過解調(diào)處理后的數(shù)據(jù)信號進行解碼和必要的處理，然后將結(jié)果送上位機、顯示器或存儲器。各模塊之間的信息傳輸和命令控制關(guān)系如網(wǎng)2所示。

　　依據(jù)ISO/IECl8000-6協(xié)議，超高頻讀寫器應(yīng)支持二種通訊類型，A類和B類。它應(yīng)當(dāng)可以從一個類型轉(zhuǎn)換成另一個類型。本文的讀寫器通過單片機控制其兩種類剮通訊方式的轉(zhuǎn)換。

　　4 UHF RFID讀寫器基帶模塊原理與設(shè)計

　　4.1 UHF RFID瀆寫器基帶模塊功能實現(xiàn)方法

　　如圖2，可以將基帶模塊分為兩個部分：單片機部分和FPGA部分。FPGA部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3，分為編碼模塊，解碼模塊，CRC模塊以及時鐘分頻模塊，利用Verilog HDL語言進行編寫。主要功能足將信息數(shù)據(jù)進行CRC產(chǎn)牛和編碼然后送調(diào)制模塊后通過天線發(fā)送給標(biāo)簽以及將解調(diào)后的天線接收回來的標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)進行解碼和CRC校驗。單片機部分實現(xiàn)對FPGA的控制以及與FPGA進行數(shù)據(jù)信息的交換、將讀寫數(shù)據(jù)與上位機通信、執(zhí)行上位機發(fā)送來的命令，以及將讀寫狀態(tài)通過LCD顯示，以下重點介紹FPGA部分。

　　4.2 PIE編碼器的功能及實現(xiàn)方法

　　PIE編碼的全稱為脈沖寬度編碼，它用在A類通訊的前向鏈路中，編碼原理是通過定義脈沖下降沿之間的不I卅時間寬度來表示數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)中定義了一個名稱為‘Tari’的時間間隔，也稱為基準(zhǔn)時間間隔，該時間段為相鄰兩個脈沖下降沿的時問寬度，持續(xù)為207s。由讀寫器發(fā)往標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀由SOF(幀首)、EOF(幀尾)、數(shù)據(jù)0和1組成。數(shù)據(jù)0的編碼為1個‘Tari’時間段，數(shù)據(jù)1的編碼為2個‘Tari’時間段，數(shù)據(jù)幀SOF為3個‘Tari’時間段，數(shù)據(jù)幀EOF為4個‘Tari’時間段。

　　當(dāng)上位機給單片機指令和信息數(shù)據(jù)后，如圖3.單片機啟動編碼和CRC模塊。即單片機給編碼模塊和CRC模塊一個編碼啟動指令，編碼模塊接收到啟動指令后返同給睢片機一個應(yīng)答信號，單片機接收到應(yīng)答信號后將待編碼的信息數(shù)據(jù)送入編碼模塊和CRC模塊。當(dāng)編碼數(shù)據(jù)完成后，立即將產(chǎn)牛的CRC值送入編碼模塊進行編碼。編碼輸出每一幀數(shù)據(jù)都由一個幀首(SOF)、緊接著的數(shù)據(jù)位、最后以幀尾(EOF)結(jié)束組成。編碼模塊具體實現(xiàn)為：當(dāng)檢測列NRZ碼輸人為0時，PIE碼輸出Tari/2長度的低電平和7Tari/2長度的高電平，相當(dāng)于NRZ碼的01;當(dāng)檢測到NRZ碼輸入為1時，PIE碼輸出Tari/2長度的低電平和3Tari/2長度的高電平，相當(dāng)于NRZ碼的0111。同理輸出SOF時。相當(dāng)于NRZ碼的01011111;輸出EOF時，相當(dāng)于NRZ碼的01111111。

　　4.3曼徹斯特編碼器的功能及實現(xiàn)方法

　　曼徹斯特編碼，它用在B類通訊的前向鏈路中，它是在半個比特周期的負(fù)邊沿表示二進制l，半個比特周期中的正邊沿表示二進制0，如圖4

　　產(chǎn)生曼徹斯特碼的方法很簡單，只要將時鐘與NRZ碼(數(shù)據(jù))異或后即可。時鐘南時鐘分頻模塊產(chǎn)生。單片機的命令執(zhí)行過程與上面介紹的操作過程相同，區(qū)別是上位機給單片機下的不同(A類或B類)通訊方式的命令。

　　4.4譯碼模塊的功能及實現(xiàn)方法

　　依據(jù)ISO/IECl8000-6協(xié)議，超高頻讀寫器和標(biāo)簽之間反向鏈路編碼方式采用FM0編碼。所以讀寫器解碼模塊是針對FM0編碼的譯碼模塊。FM0編碼，在半比特周期中的任意的邊沿表示二進制0，而沒有邊沿就是二進制1。此外，在每一比特周期開始時，電平都要反相，如圖5

　　讀寫器讀取的FMO編碼信息是由一個16位的幀頭開始，并且有多個違例碼(順序未遵守FM0編碼規(guī)則)作為幀頭至數(shù)據(jù)域過渡的幀標(biāo)志。

　　4.5 CRC模塊的功能和原理

　　CRC模塊由CRC生成模塊和CRC校驗?zāi)K兩個功能模塊組成。CRC校驗?zāi)K主要足在洋碼時對收到的命令進行完整性校驗，從而確定觸發(fā)單片機對FPGA的各模塊進行控制操作。CRC生成模塊主要是在編碼時產(chǎn)生CRC值跟隨信息數(shù)據(jù)一起編碼后發(fā)送，當(dāng)數(shù)據(jù)接收到后計算接收的CRC值，如果結(jié)果為零則數(shù)據(jù)傳輸尤誤，否則傳輸c出錯。

　　根據(jù)協(xié)議，本文設(shè)計用了CRC-5和CRC-16兩種CRC校驗的算法，從數(shù)學(xué)角度看，CRC校驗和是用生成多項式去除一個多項式(數(shù)據(jù)字節(jié))即可求得，CRC值為相除后所得余項。CRC-5和CRC-16分別對應(yīng)的生成多項式為x5+x3+l和x16+x12+x5+1。

　　4.6 R寸鐘分頻模塊功能及實現(xiàn)方法

　　時鐘分頻模塊的功能是產(chǎn)生FPGA各模塊工作和協(xié)調(diào)運行所需的時鐘頻率。FM0編碼和曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率為40Kbps;PIE編碼，1個‘Tari’時間是20μs，所以模塊產(chǎn)生的時鐘頻率有40KHZ、50KHZ和80KHZ，其中FM0編碼和曼徹斯特編碼都用到40KHZ和80KHZ，因為在這兩種編碼中，在NRZ編碼數(shù)據(jù)0和1的中間時刻發(fā)生電平的跳變，50KHZ主要針對PIE編碼使用。與編碼譯碼以及CRC模塊一樣，時鐘分頻模塊也是由Verilog HDL語言編寫，其中40KHZ的頻，牢可以由80KHZ的頻率經(jīng)二分頻得到。

　　5 結(jié)束語

　　本文較系統(tǒng)的介紹了依據(jù)ISO/IECl8000-6協(xié)議，將單片機與FPGA相結(jié)合，設(shè)計超高頻RFID讀寫器基帶模塊的方法，設(shè)計結(jié)合了單片機數(shù)據(jù)處理能力和控制能力強，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集方便，速度高，編寫模塊簡單有效性能穩(wěn)定的優(yōu)點，使得設(shè)計的模塊抗干擾能力強，簡單可靠，對此類讀寫器基帶模塊的設(shè)計具有借鑒意義。本文未詳細(xì)介紹讀寫器射頻模塊，對于射頻模塊和基帶模塊的結(jié)合有待進一步研究和探討。