疏耦合RFID標(biāo)簽芯片的編解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在無(wú)線電技術(shù)方面的具體應(yīng)用和發(fā)展[1]。

　　ISO/IEC 14443與ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)13.56 MHz無(wú)源式RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，前者是近耦合標(biāo)簽，最大識(shí)別距離只有20 cm;后者是疏耦合標(biāo)簽，最大識(shí)別距離可達(dá)1.5 m[2]。ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽芯片應(yīng)用局限于會(huì)員管理、人員考勤、購(gòu)物卡、一卡通等標(biāo)簽卡。而ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽芯片應(yīng)用廣泛，可以用于開(kāi)放式門(mén)禁、開(kāi)放式會(huì)議簽到、貴重物品管理、數(shù)字化圖書(shū)館的圖書(shū)管理、醫(yī)藥管理、資產(chǎn)管理、產(chǎn)品防偽、物流及供應(yīng)鏈等諸多領(lǐng)域。此外，ISO/IEC 15693協(xié)議與ISO/IEC 18000-3協(xié)議兼容，適用范圍廣，市場(chǎng)前景廣闊。

　　本文對(duì)ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽的編解碼過(guò)程進(jìn)行分析，給出了編解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，并進(jìn)行了仿真結(jié)果分析、FPGA下載驗(yàn)證。

　　1 VICC通信過(guò)程及傳輸數(shù)據(jù)格式

　　ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器(VCD)與標(biāo)簽(VICC)之間的通信通過(guò)ASK調(diào)制方式進(jìn)行，分別使用了10%和100%兩種調(diào)制指數(shù)[3]。VCD通過(guò)脈沖位置編碼(PPM)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到VICC, 而VICC又通過(guò)曼徹斯特編碼的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到VCD。在VCD與VICC的通信過(guò)程中，VICC是被動(dòng)的。VICC正確對(duì)VCD的請(qǐng)求進(jìn)行解碼，才能夠做出正確的處理。另外，返回的響應(yīng)格式也由請(qǐng)求標(biāo)志決定，所以解碼過(guò)程是非常重要的。響應(yīng)編碼也同樣重要，它關(guān)系到VCD對(duì)VICC的狀態(tài)的判斷，這關(guān)系到之后的通信能否正確進(jìn)行。VICC的工作過(guò)程如圖1所示。

　　VICC收到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)格式以及返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如表1、表2所示，每種方式可以任意組合。表1中的數(shù)據(jù)是對(duì)解碼的要求，按任意組合可以有4種情況，其中10%調(diào)制與256取1的編碼結(jié)合，適合要求識(shí)別距離相對(duì)遠(yuǎn)的情況;表2中的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的是編碼的要求，按任意組合也有4種情況。

　　由于VICC是被動(dòng)的，返回的數(shù)據(jù)速率和格式由請(qǐng)求數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)中的低2位決定，最低位決定是單幅載波還是雙副載波格式，次低位決定是高速率傳輸還是低速率傳輸[4]，如表3所示。

　　2 編解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　對(duì)編解碼系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于VICC是被動(dòng)的，采取VICC進(jìn)入場(chǎng)之后，復(fù)位VICC解碼使能置1，當(dāng)解碼處理完成之后，等待VICC的操作處理，當(dāng)返回響應(yīng)時(shí)，解碼使能置0，編碼使能置1。返回結(jié)束后，編碼使能置0，解碼使能置1，等待下一次的VCD請(qǐng)求。這樣解碼和編碼不會(huì)沖突，而且降低了功耗。

　　2.1 解碼設(shè)計(jì)的方案

　　對(duì)前端模擬信號(hào)傳過(guò)來(lái)的波形按ISO15693協(xié)議規(guī)定進(jìn)行解碼。模擬前端傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是4取1或256取1的脈沖調(diào)制編碼，對(duì)其進(jìn)行解碼時(shí)要抓住PPM的特點(diǎn)，確保這兩種編碼都支持。解碼的流程圖如圖2所示，兩種編碼的識(shí)別和數(shù)據(jù)的解碼都是通過(guò)判斷兩個(gè)相鄰凹槽的距離來(lái)判斷。最先識(shí)別開(kāi)始幀(SOF)，把256取1模式的初始化數(shù)據(jù)定為“255d”，因?yàn)槿绻麑⑺腟OF的后一個(gè)槽算作之前的一個(gè)數(shù)據(jù)，則它所在凹槽的位置就是“255d”;同樣可以得到4取1模式的初始化數(shù)據(jù)為“10b”。數(shù)值通過(guò)相鄰凹槽的時(shí)間差來(lái)判斷。由于數(shù)據(jù)信號(hào)的凹槽寬度為9.44 μs，解碼的計(jì)時(shí)取9.44 μs為1，可以準(zhǔn)確識(shí)別每個(gè)數(shù)據(jù)，并且采用此方法可以識(shí)別的最小信號(hào)寬度達(dá)到700 ns，比協(xié)議中要求的2.1 μs～9.44μs[3]識(shí)別的寬度范圍要廣。處理更加靈活，同時(shí)減小了射頻前端模擬解調(diào)的壓力。此外，ASK調(diào)制系數(shù)有10%和100%兩種，信號(hào)與時(shí)鐘進(jìn)行“與”運(yùn)算，并將兩種情況統(tǒng)一，則可使處理更加簡(jiǎn)單，資源利用率更高。協(xié)議中提到的所有數(shù)據(jù)格式都能滿足，最終確保解碼完全準(zhǔn)確。

　　2.2 編碼設(shè)計(jì)的方案

　　在VICC收到正確的請(qǐng)求處理完成之后，要響應(yīng)VCD，響應(yīng)的數(shù)據(jù)要通過(guò)特殊的編碼處理。為保證控制命令高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性,對(duì)其進(jìn)行平衡編碼，采用曼徹斯特編碼將消除直流分量，從而使控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能[5]。低速模式持續(xù)的時(shí)間和脈沖個(gè)數(shù)是高速模式的4倍, 而且不同模式的載波對(duì)應(yīng)的編碼方式不同。時(shí)鐘由不同的速率模式控制,高速與低速對(duì)應(yīng)的編碼是一致的，不同的只是編碼時(shí)間，因此低速的時(shí)鐘分頻系數(shù)是高速的4倍。根據(jù)曼切斯特編碼的特點(diǎn)，“0”就是1到0的跳變，“1”就是0到1的跳變，1是32分頻的時(shí)鐘，而0在單副載波情況下是無(wú)調(diào)制的，雙副載波調(diào)制下是28分頻的時(shí)鐘，因此只要加一個(gè)選擇器，對(duì)應(yīng)的模式就選擇對(duì)應(yīng)的副載波，兩種副載波調(diào)制也就完成了。整個(gè)的編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。進(jìn)入場(chǎng)復(fù)位之后編碼模塊處于空閑狀態(tài)，當(dāng)編碼使能信號(hào)置1時(shí)開(kāi)始傳輸響應(yīng)，先發(fā)送開(kāi)始幀，之后傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后發(fā)送結(jié)束幀，最后編碼使能置0回到空閑狀態(tài)。這樣確保了響應(yīng)的安全可靠。

　　3 仿真驗(yàn)證

　　采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)程序并進(jìn)行了測(cè)試，用ModelSim進(jìn)行了功能仿真驗(yàn)證;同時(shí)選用CycloneIVE系列開(kāi)發(fā)板進(jìn)行 FPGA驗(yàn)證。此處選用4取1的PPM編碼方式，從輸入的第一個(gè)字節(jié)為“02h”可以看出，響應(yīng)編碼是高速率傳輸，單幅載波模式。由兩波形圖可以看出，編碼與解碼的功能得到實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)完整可靠。

　　圖4中“i_dec_clk”是解碼模塊的時(shí)鐘信號(hào);“i_dec_nrst”是解碼模塊的復(fù)位信號(hào);“i_dec_data”是射頻輸入信號(hào);“o_trans256_sof”是接收數(shù)據(jù)為256取1(PPM方式)的標(biāo)志;“o_trans4_sof”是接收數(shù)據(jù)為4取1的標(biāo)志，此處是4取1的PPM編碼，有置“1”;“o_dec_byte”是接收完一個(gè)整字節(jié)的標(biāo)志，每個(gè)字節(jié)輸出時(shí)都有置“1”;“o_dec_byte_num”是接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，共9 B;“o_dec_eof”是接收數(shù)據(jù)的結(jié)束幀標(biāo)志;“o_dec_command”是接收的數(shù)據(jù)解碼之后按十六進(jìn)制顯示的結(jié)果。

　　圖5中“i_en”是編碼模塊的使能信號(hào);“i_mod”是編碼模式，即低位是副載波形式，高位是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率;“i_tx_end”是響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括16 bit的CRC傳輸完成標(biāo)志;“i_data”是要編碼的數(shù)據(jù)，按位顯示;“o_rd”是編碼完成的數(shù)據(jù);“o_end”是編碼完成的標(biāo)志，包括EOF;“o_tx_en”是傳輸編碼數(shù)據(jù)的使能信號(hào)，不包括SOF與EOF。

　　本文給出的編解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽芯片的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，并通過(guò)了仿真驗(yàn)證和FPGA驗(yàn)證。從仿真驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看, 該部分編碼解碼完全正確, 凹槽寬度可以小到700 ns，且具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、硬件資源利用率低、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn), 并且功能仿真結(jié)果表明，在與整個(gè)標(biāo)簽芯片中其他模塊代碼進(jìn)行連接時(shí)，編解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全滿足ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的所有編解碼模式。疏耦合的RFID標(biāo)簽應(yīng)用范圍廣，市場(chǎng)需求大。通過(guò)調(diào)節(jié)編解碼模式可靈活控制識(shí)別距離，迎合市場(chǎng)不同需求。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[5] 劉敬彪，琚汝強(qiáng)，盛慶.基于光纜的深海攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(3)：30-33.