基于FPGA的RFID板級(jí)標(biāo)簽設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引 言

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種新興的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理、防偽及軍事等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。它利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的目的，可用來跟蹤并管理幾乎所有的物理對(duì)象。RFID電子標(biāo)簽已經(jīng)成為21世紀(jì)全球自動(dòng)識(shí)別技術(shù)發(fā)展的主要方向。目前，RFID已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，且有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO10536，ISO14443，ISO15693，ISO18000，EPC Global等幾種。其中，ISO18000-6C屬于超高頻射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它融合了EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是速度快，可以同時(shí)讀取的標(biāo)簽數(shù)量多，理論上能讀到1 000多個(gè)標(biāo)簽;功能強(qiáng)，具有多種寫保護(hù)方式;安全性強(qiáng)。

　　在我國，由于射頻識(shí)別技術(shù)起步較晚，應(yīng)用的領(lǐng)域不是很廣，主要的應(yīng)用是基于中低頻的應(yīng)用，包括車輛管理、門禁管理等。目前，超高頻射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用在我國正處于初級(jí)發(fā)展階段，國內(nèi)目前還沒有成熟的超高頻電子標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　在此，首先介紹電子標(biāo)簽的工作原理及ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)超高頻電子標(biāo)簽驗(yàn)證平臺(tái)的整體電路。重點(diǎn)討論基于EP1C6Q240FPGA的數(shù)字基帶部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后給出了該平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

　　1 電子標(biāo)簽的工作原理

　　射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由讀寫器(Reader)和射頻標(biāo)簽(RFID Tag)構(gòu)成。附著在待識(shí)別物體上的射頻標(biāo)簽內(nèi)存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息。讀寫器可無接觸地讀出標(biāo)簽中所存的電子數(shù)據(jù)或者將信息寫入標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物體的自動(dòng)識(shí)別和管理。讀寫器與射頻標(biāo)簽按照約定的通信協(xié)議采用先進(jìn)的射頻技術(shù)互相通信，其基本通信過程如下。

　　(1)讀寫器作用范圍內(nèi)的標(biāo)簽接收讀寫器發(fā)送的載波能量，上電復(fù)位;

　　(2)標(biāo)簽接收讀寫器發(fā)送的命令并進(jìn)行操作;

　　(3)讀寫器發(fā)出選擇和盤存命令對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，

　　選定單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行通信，其余標(biāo)簽暫時(shí)處于休眠狀態(tài);

　　(4)被識(shí)別的標(biāo)簽執(zhí)行讀寫器發(fā)送的訪問命令，并通過反向散射調(diào)制方式向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此后不再對(duì)讀寫器應(yīng)答;

　　(5)讀寫器對(duì)余下標(biāo)簽繼續(xù)搜索，重復(fù)(3)，(4)分別喚醒單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取。直至識(shí)別出所有標(biāo)簽。

　　標(biāo)簽向讀寫器傳送數(shù)據(jù)是通過反向散射調(diào)制技術(shù)，對(duì)于無源電子標(biāo)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(qiáng)弱，阻抗不匹配時(shí)天線反射率很大，阻抗匹配時(shí)天線反射率很小，以此來表示輸出信號(hào)的有無。

　　2 ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)

　　ISO18000-6c標(biāo)準(zhǔn)為：

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

　　調(diào)制 讀寫器應(yīng)采用DSB-ASK，SSB-ASK或PR-ASK調(diào)制方式進(jìn)行通信。標(biāo)簽應(yīng)該能夠解調(diào)上述3種類型的調(diào)制。標(biāo)簽反向散射應(yīng)采用ASK或PSK調(diào)制。標(biāo)簽商選擇調(diào)制形式。讀寫器能夠解調(diào)上述2種調(diào)制。

　　數(shù)據(jù)編碼 讀寫器到標(biāo)簽的鏈路應(yīng)采用PIE編碼，標(biāo)簽將反射散射的數(shù)據(jù)編為該數(shù)據(jù)速率的副載波FMO基帶或Miller調(diào)制。讀寫器發(fā)出編碼選擇的命令。

　　數(shù)據(jù)速率 讀寫器到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率根據(jù)Tari值進(jìn)行選擇，數(shù)據(jù)速率可以從40～640 Kb/s。標(biāo)簽的反射速率由下面兩個(gè)公式共同決定：

　　3 RFID板級(jí)標(biāo)簽驗(yàn)證平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　板級(jí)標(biāo)簽主要由模擬射頻和數(shù)字處理2部分組成。圖1為板級(jí)電子標(biāo)簽驗(yàn)證平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖。

　　模擬射頻部分采用分立元件實(shí)現(xiàn)，完成射頻信號(hào)的接收，來自RFID讀寫器的信號(hào)通過天線和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過915 MHz的聲表面濾波器濾波，進(jìn)行包絡(luò)檢波后，通過一個(gè)運(yùn)放構(gòu)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(shù)字部分由EP1C6Q240FPGA實(shí)現(xiàn)，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(yàn)、命令解析、狀態(tài)轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、FMO編碼等功能。FMO編碼通過反相散射調(diào)制輸出，改變天線的反射阻抗實(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)字基帶部分的設(shè)計(jì)在Altera公司的EP1C6Q240FPGA上實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對(duì)協(xié)議內(nèi)容的深入研究，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽數(shù)字部分采用Top-down的設(shè)計(jì)方法，首先對(duì)電路功能進(jìn)行詳細(xì)描述，按照功能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分;再用Vexilog硬件描述語言進(jìn)行RTL代碼設(shè)計(jì)。數(shù)字基帶結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它包括譯碼模塊、循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)校驗(yàn)?zāi)K、狀態(tài)機(jī)模塊、CRC產(chǎn)生模塊、存儲(chǔ)器、編碼模塊和時(shí)鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調(diào)出的命令信號(hào)，根據(jù)協(xié)議中規(guī)定的命令格式將信號(hào)譯碼成標(biāo)簽數(shù)字部分可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并發(fā)送到CRC校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)機(jī)模塊。CRC校驗(yàn)?zāi)K對(duì)收到的命令進(jìn)行完整性校驗(yàn)，若確認(rèn)為有效命令，則觸發(fā)狀態(tài)機(jī)模塊，控制標(biāo)簽執(zhí)行相應(yīng)操作，如讀寫存儲(chǔ)器、防沖突控制等。處理完成后，則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至CRC：產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的CRC校驗(yàn)碼，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)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(jìn)行處理后，再采用射頻技術(shù)發(fā)送給讀寫器。

　　4 測(cè)試結(jié)果

　　QuartusⅡ6.0是Altera FPGA/CPLD的綜合性集成設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)集成了設(shè)計(jì)輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線與實(shí)現(xiàn)、時(shí)序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計(jì)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(jí)標(biāo)簽經(jīng)過總體設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、代碼設(shè)計(jì)、仿真與下載，以及系統(tǒng)調(diào)試后，能夠與支持ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器(Cetc7 Rlid Reader V 1.O)進(jìn)行通信，快速準(zhǔn)確地收發(fā)信息，并實(shí)現(xiàn)防沖突功能。圖3顯示板級(jí)標(biāo)簽?zāi)軌蚪獯a來自閱讀器的命令信息，在狀態(tài)機(jī)的控制下，正確地輸出FM0編碼信號(hào)。圖4顯示板級(jí)標(biāo)簽?zāi)軌蛑С諭SO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器正確讀取(讀取到的EPC碼與標(biāo)簽一致)，讀取效果良好(73次/10 s)，讀取性能穩(wěn)定。測(cè)試表明，板級(jí)標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)中的讀寫功能，標(biāo)簽工作性能穩(wěn)定，可靠性都能達(dá)到預(yù)期的效果。

　　5 結(jié) 語

　　根據(jù)ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，采用EP1C6Q240FPGA以及模擬射頻分立元件，經(jīng)過總體設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、代碼設(shè)計(jì)、仿真與下載，以及系統(tǒng)調(diào)試后，完成了基于FPGA的板級(jí)標(biāo)簽的軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)通過測(cè)試，已能夠正常工作，讀寫性能優(yōu)異，并實(shí)現(xiàn)了防沖突功能。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步提高其安全性和可靠性，所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽數(shù)字電路RTL代碼能夠直接應(yīng)用到標(biāo)簽芯片開發(fā)中，為下一步設(shè)計(jì)出符合該標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽芯片提供了有力的保證。