基于FPGA的超高頻讀寫器設計

　　引言
 
　　射頻識別(RFID)是一種非接觸的自動識別技術，它利用天線來傳輸射頻信號，利用空間耦合實現非接觸供電，并進行非接觸雙向數據通信，而達到自動識別目標并交換數據的目的。與傳統(tǒng)的條形碼識別方式相比，射頻識別技術能對移動的多個目標進行識別，而且還具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、數據加密等優(yōu)點。因而RHD技術廣泛應用于交通運輸、物流管理、門禁系統(tǒng)等眾多領域。相對而言，UHF頻段的發(fā)展遠沒有低頻和高頻段成熟，而UHF頻段的讀寫距離遠和更快的讀取速度讓其在國際物流、公路自動收費等領域有著獨特的優(yōu)勢，目前已成為RFID技術應用的一個主流發(fā)展方向。

　　1 讀寫器的整體結構

　　本文提出的基于物流管理的讀寫器工作在UHF91 5MHz頻率下。FPGA是大規(guī)?？删幊唐骷械牧硪淮箢怭LD(programmable logic device)器件，既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性等優(yōu)點，又克服了普通ASIC設計周期長、投資大、靈活性差的缺點，逐步成為復雜數字硬件電路設計的首選。奧地利微電子公司的AS3990射頻收發(fā)器產品適用于UHF頻段，針對便攜、固定、近距或遠距應用進行了個性優(yōu)化，多種產品可采用同一種軟件接口。它是一款高度集成的UHF讀寫器芯片，包括AFE、數據幀、編碼／解碼，支持MCU和電源管理，支持密集讀寫模式，天線驅動用OOK、ASIC或PR-ASK調制，創(chuàng)新化的雙輸入接收器可以消除通信盲區(qū)。該芯片是64引腳QFN封裝，并支持目前業(yè)界最低功耗BOM(Bill of Material，物料清單)的解決方案，所以是講究功耗成本的應用首選。AS3990繼承了EPC Classl Gen2(ISO 18000-6C)協(xié)議引擎，其高速的數據處理能力可以完成發(fā)送和接收數據幀的處理，而且在Direct Data Mode模式下還可以實現ISO 18000-6A和ISO 18000-6B協(xié)議。為了減輕處理器的工作負擔并保證穩(wěn)定的數據流以及正確的協(xié)議處理，AS3990采用了一個12字節(jié)的FIFO寄存器來管理數據幀。內置的可編程選項可以使它適合于UHF頻段里的所有應用，還可以直接進入其內置控制寄存器對各種讀寫器參數進行微調。
    
　　讀寫器RF前端采用零中頻接收結構。由頻率合成器產生所需要的RF信號，然后經過功率分配器得到兩路載波信號，分別用于發(fā)送通路和接收通路。發(fā)送通路采用OOK調制，基帶信號通過開關通斷控制載波是否經過功放，并用天線發(fā)送；接收通路中接收信號先經過功率分配、放大等操作，然后分別送到混頻器和兩路正交的載波信號進行混頻，對混頻之后的信號經過濾波、放大等操作恢復出數字基帶信號。該系統(tǒng)之所以采用兩路正交混頻結構，主要是為了避免射頻場中存在接收盲點。如果只采用一路接收信號，當接收信號的相位和本振信號的相位相差90°，混頻后的信號始終為0，即有用信號沒有解調出來。但采用正交I和Q兩路接收信號，無論相位延時多少，I和Q中總有一路能解調出有用信號。 
   
　　AS3990芯片與控制器之間的接口可以采用串行數據接口，為了采用較高的傳輸速率時也可以采用并行接口。本設計采用FPGA與AS3990芯片的并行連接通信，AS3990的IO0-I07、IRQ、CLK、VCC，CLSYS接口與FPGA相連接，如圖1所示，其中IRQ為中斷，IO0-I07為數據的雙向并行口。芯片內部有32個寄存器用來實現其傳輸協(xié)議和監(jiān)測工作狀態(tài)，通過對內部寄存器的設置，來控制芯片的傳輸模式、調制方式、傳輸速率等。在常規(guī)工作模式下，即支持ISO 18000-6C標準，傳輸數據的編碼與解碼，CRC校驗碼的生成和校驗都是在芯片內部完成的，還有自動產生幀同步、引導碼，將從MCU傳遞的數據轉換成數據幀格式后再發(fā)送，且發(fā)送和接收都是通過FIFO寄存器傳輸的。而在直接數據模式下，數據的編解碼和CRC校驗碼的生成與校驗都在芯片外部實現，而且發(fā)送和接收只能直接地、無緩沖地從FIFO中輸出碼流，可以用該模式來實現ISO 18 000-6B、6A協(xié)議等。

　　2 讀寫器數字基帶部分設計
    
　　數字部分由控制器、存儲器組成，主要完成命令信號的發(fā)送和數字邏輯的控制，并且實現與PC機的通信和對RF模塊的控制。

　　2．1 RF部分初始化
    
　　該部分主要是完成對AS3990芯片內部寄存器的配置。
    
　　芯片上電復位以后，配置寄存器初始化為其默認值，使芯片可以在EPC Class1 Gen2協(xié)議下工作，但為了使芯片的工作性能達到最優(yōu)化或者實現ISO／IEC18000-6A、6B協(xié)議等，則必須重新配置寄存器的值。主要實現以下內容的配置：
    
　　(1)AS3990有兩種工作模式，分別支持和實現不同的協(xié)議，為常規(guī)數據模式(Normal Data Mode)和直接數據模式(Direct Data Mode)。在常規(guī)數據模式中，發(fā)送和接收的數據是通過內部FIFO寄存器傳輸的，所有數據的處理過程都是在芯片內部完成的。在直接數據模式中，數據處理是在芯片外部實現的，由控制部分完成，可以利用該模式來實現ISO 18000-6A、6B協(xié)議等。
    
　　(2)選擇系統(tǒng)工作頻率。AS3990芯片規(guī)定的UHF讀寫器工作頻率是860～960MHz，我們可以根據具體情況和實際應用來設定其工作頻率。
    
　　(3)設定傳輸速率，包括讀寫器到標簽的數據速率和標簽到讀寫器的數據速率。其中讀寫器到標簽的比特率范圍為26．7～128kbps，標簽到讀寫器的傳輸速率在40～640kHz之間。
    
　　(4)選擇編碼方式和調制方式。根據協(xié)議規(guī)定，讀寫器前向鏈路采用PIE編碼、ASK調制方式。反向鏈路的編碼方式有兩種選擇，FM0編碼和Miller編碼方式；調制方式也有兩種，為ASK調制和PSK調制方式。其中反向鏈路調制方式的選擇由生產廠商決定。如圖2為初始化模塊的
仿真圖。

　　2．2 讀寫器命令
    
　　在AS3990芯片內部，已經集成了一些常用到的命令：軟件初始化命令(83)、FIFO寄存器復位命令(8F)、帶CRC校驗的發(fā)送命令(90)、Qu-ery命令(98)、QueryRep命令(99)等，在需要使用這些命令時，只要直接調用這些命令碼即可。而其他一些沒有集成到芯片內部的命令就需要用軟件來實現，包括選擇命令Select，還有一些讀命令Read、寫命令Write等。

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　　對于沒有集成在芯片內部的命令，就需要用軟件來完成其命令格式，不過校驗碼的產生、命令前導碼、命令的編碼都在芯片內部完成。圖3所示為Select命令的軟件發(fā)送格式。首先是起始條件(FF)，然后是FIFO寄存器復位命令(8F)，帶CRC校驗的發(fā)送命令(90)；再是命令格式，要發(fā)送的數據長度，最后是數據。當數據從微控制器發(fā)送給AS3990芯片以后，首先將要發(fā)送的數據存入內部FIFO寄存器，加上CRC校驗碼、前導碼，然后將數據經過編碼，以數據幀的格式經過調制后發(fā)送出去。 

　　對于集成在芯片內部的命令，只要發(fā)送命令碼，芯片會自動將命令以數據幀的格式經過調制后發(fā)送出去。如圖4為Query的命令發(fā)送格式。 

　　只有芯片的工作模式設置為常規(guī)數據模式時，才能使用芯片內部集成命令。在直接數據模式下，所有的命令格式都由控制器完成。

　　2．3 讀寫器的防沖突
    
　　RFID系統(tǒng)中，多標簽引起的沖突是影響系統(tǒng)效率的難題，傳統(tǒng)的概率性防沖突算法采用的是幀時隙Aloha算法或動態(tài)幀時隙Aloha算法等。但這些算法都存在系統(tǒng)識別效率不高等問題。當標簽數遠大于幀時隙數時，發(fā)生碰撞的時隙數增多，讀寫器不能完成標簽的讀?。寒敇撕灁颠h小于幀時隙數時，空閑時隙增多而導致時隙浪費，這些都是導致系統(tǒng)效率不高的根本原因。鑒于以上的弊端，本文提出了一種基于幀時隙Aloha的改進型算法，核心思想是將標簽識別分為兩個步驟，即沖突檢測和數據讀取。其中沖突檢測是為了檢測一個識別周期中的標簽發(fā)生沖突的情況。數據讀取是根據沖突檢測的情況，允許無沖突的標簽和閱讀器完成通信。

 

　　通常，在幀時隙Aloha算法中，當系統(tǒng)標簽數量變得很大時，系統(tǒng)效率就開始下降。當讀寫器設置幀的長度(包含的時隙數)為Nt，響應的標簽數為n時，則有r個標簽選擇同一個應答時隙的概率服從二項分布．
    
　　因此，當r=1時表示標簽選擇無碰時隙的概率。在一個周期中預期成功讀取的標簽數 
    
　　系統(tǒng)效率的計算公式如下：
　　系統(tǒng)效率=一個周期中預期讀取的標簽數／當前的幀的長度=N／N，
　　從上式中可以計算出系統(tǒng)效率的最大值的位置。從而可以推導出，當幀的長度為Nt時，效率最高的標簽響應數為： 
    
　　從上式可以得出，當標簽數和幀時隙長度大體相當時，系統(tǒng)效率將變得最大。與圖5所示一致。

　　為使系統(tǒng)效率最高，必須使幀時隙數等于參與循環(huán)的標簽數。每幀時隙數可以根據標簽數的變化及時調整，使得標簽數量與幀時隙數匹配。在開始一個新的循環(huán)時，讀寫器要對參與循環(huán)的標簽數進行估計，如果所估計的標簽數與實際情況相差甚遠，那么算法的效率就會發(fā)生大幅的下降。通過對上一個周期通信所獲取的空的時隙數、發(fā)生碰撞的時隙數和只有一個標簽傳輸數據的時隙數來估計標簽的數量，由估計的標簽的數量來及時調整下一幀的長度。由于當外圍標簽數量與幀時隙數偏離較大時，系統(tǒng)效率會急劇下降，所以通過幀時隙改進型算法能夠把系統(tǒng)的效率控制在34．6％～36．8％范圍內，從而大幅提高了系統(tǒng)的識別效率。在實際的RFID系統(tǒng)中，被正確識別的標簽將不再響應讀寫器發(fā)送的數據傳輸請求，同樣，成功傳輸數據的標簽也不再響應讀寫器的請求。因此前一幀中沒有被識別的標簽數為N=2．93c。其中c表示發(fā)生碰撞的時隙數。通過對未識別的標簽數進行估計，選擇最佳的幀時隙長度，從而使每個循環(huán)周期中響應標簽數與幀時隙數相匹配，從而大幅度提高了系統(tǒng)的效率。

　　3 總結
    
　　本文選用FPGA芯片與AS3990射頻收發(fā)芯片設計并實現了遠距離UHF RFID讀寫器，標簽識別距離達到3～4m，已基本滿足應用要求。并提出了一種幀時隙Aloha防碰撞的改進型算法。通過動態(tài)地調整幀時隙數與外圍標簽數相匹配，使讀寫器系統(tǒng)的讀取效率維持在34.6％～36.8％范圍內，大幅度提高了系統(tǒng)的讀取效率。