基于FPGA的915 MHz射頻讀卡器設計

射頻識別(RFID)技術是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息。通常RFID系統(tǒng)主要由應用軟件、射頻卡以及讀卡器三部分構成[1]。相對于低頻段的RFID系統(tǒng)，工作在860 MHz～960 MHz的超高頻段(UHF)RFID系統(tǒng)有著讀取距離遠、閱讀速度快等優(yōu)點，是目前國際上RFID技術發(fā)展的熱點[2]。讀卡器的設計是RFID系統(tǒng)設計中的關鍵部分，設計方案有很多種。FPGA[3]具有開發(fā)簡單、靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在線編程的特點，已經成為當今應用最廣泛的可編程專用集成電路。目前生產RFID產品的很多公司都使用自己的標準，可供射頻卡使用的幾種標準有ISO/IEC 11784、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000等。其中應用最多的是ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000這三個標準[4]。本文基于ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議設計了一款工作頻率為915 MHz的讀卡器。

1 讀卡器的硬件設計

讀卡器的硬件可以分為三大模塊：FPGA數字信號處理模塊、MCU及人機接口模塊和射頻收發(fā)模塊，其結構框圖如圖1所示。FPGA數字信號處理模塊用來實現(xiàn)ISO/IEC 18000-6 Type B 協(xié)議中規(guī)定的基帶數據編解碼，MCU及人機接口模塊用來實現(xiàn)指令的跳轉控制和返回數據的顯示等一些操作接口，射頻收發(fā)模塊用來處理前端的超高頻信號。


1.1 FPGA數字信號處理模塊

FPGA數字信號處理模塊包含時鐘分頻模塊、FIFO、曼徹斯特編碼器、CRC生成校驗、FM0解碼器、串并變換電路及對應的幀發(fā)送接收控制器，其結構框圖如圖2所示。

該模塊的內部工作流程如下：

(1)發(fā)送部分

①數據通信接口8 bit并行接收來自MCU的命令數 據，數據在FIFO中緩沖。
②數據做并行到串行的轉換。
③在發(fā)送控制器的控制下，串行數據通過CRC模塊，生成16 bit的CRC校驗值，并附加在原數據的后面。
④根據ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議規(guī)定，把上述的數據進行曼徹斯特編碼。
⑤把已經過曼徹斯特編碼的數據引向一個已預置幀頭的移位寄存器，數據一到便啟動移位寄存器，然后把輸出數據傳送給射頻收發(fā)模塊。

(2)接收部分

①從射頻收發(fā)模塊接收一幀基帶信號，用移位寄存器來檢測幀頭。若檢測到幀頭，則發(fā)一個收到幀頭的信號給接收控制器。
②若接收控制器接收到幀頭的信號，則馬上啟動FM0解碼。
③解碼后的數據傳送給串/并行的轉換電路，轉換后的數據暫存在FIFO。
④同時解碼后的數據也送給CRC模塊進行校驗，若校驗結果錯誤，則清除存于FIFO中的數據，通知MCU其接收的數據錯誤；若校驗結果正確，則把FIFO中的數據傳送給MCU。

1.2 MCU及人機接口模塊

MCU及人機接口模塊以C8051F020單片機[5]為核心，由FPGA接口、LCD、PS/2鍵盤、UART接口以及JTAG接口等外圍電路組成，其結構框圖如圖3所示。

該模塊實現(xiàn)的功能有：(1)C8051F020負責整個讀卡器內各部分的協(xié)調工作(包括與計算機的數據通信）；(2)在啟動時向FPGA傳送配置數據，初始化FPGA；(3)在讀卡過程中向FPGA傳送讀卡命令，然后通過INT1中斷啟動接收FPGA信號；(4)處理接收回來的射頻卡信息(卡號、密碼等)；(5)實現(xiàn)二進制樹形防碰撞功能；(6)驅動LCD，顯示系統(tǒng)的提示信息；(7)擴展一個PS/2鍵盤，可以輸入數據及命令；(8)控制TR1000芯片，設置OOK發(fā)射方式或ASK接收方式；(9)控制發(fā)射功率大??；(10)擴展EEPROM，存儲讀出的射頻卡的信息。

1.3 射頻收發(fā)模塊

超高頻段射頻收發(fā)模塊的開發(fā)一般可以采用兩種方案：一是采用分立元件搭建射頻電路；二是采用無線射頻收發(fā)模塊以實現(xiàn)基帶信號的調制解調[6]。由于第一種方法的電路調試比較麻煩，而且會占用很長的開發(fā)時間，所以本設計采取第二種方案。

ISO/IEC 18000-6 Type B 協(xié)議規(guī)定讀卡器到射頻卡端的射頻調制方式為調制深度為99%的ASK調制，也就是可以近似看作為OOK調制；而射頻卡到讀卡器端的射頻調制方式為反向散射調制，其調制方式與ASK調制類似，所以在解調端可以按照ASK方式解調。射頻收發(fā)模塊的核心芯片采用RFM公司的TR1000芯片。TR1000是一款單片OOK/ASK通用無線射頻收發(fā)器芯片，適合高穩(wěn)定、小尺寸、低功率、低價格的短距離無線數據通信和無線控制應用。

2 讀卡器的軟件系統(tǒng)設計

軟件設計采用模塊化和結構化的編程思想，在初始化的時候由單片機配置FPGA?？紤]到C語言可讀性強，移植性好以及MCU的實際情況，本設計采用C語言對C8051F020進行編程。讀卡器的軟件系統(tǒng)大致可以分為：讀寫卡操作程序、防沖突程序和串行通信程序。

2.1 讀寫卡操作程序

讀寫卡操作程序完成基于ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議的基帶信號編解碼，其程序設計流程圖如圖4所示。
具體工作過程如下：(1)上電復位，系統(tǒng)初始化，包括單片機時鐘、端口、LCD、定時器的初始化，配置FPGA和開中斷。(2)等待接收上位機或鍵盤發(fā)送的指令。(3)對指令進行判斷，如果為多卡操作，則進入防沖突子程序；如果為單卡操作，則直接進行讀卡、寫卡、值操作和中止操作。(4)若操作成功，所得數據回傳給上位機，同時驅動LCD顯示操作成功信息；若操作失敗，則驅動LCD顯示操作失敗信息。


2.2 防沖突程序

當讀卡器對射頻卡進行多卡操作時，在其天線覆蓋范圍內的所有射頻卡將被激活，并處于識別狀態(tài)，造成了多張射頻卡讀寫沖突。所以解決沖突是多卡操作的關鍵。ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議詳細規(guī)定了防沖突機制，其程序設計流程圖如圖5所示。該防沖突機制的原理是利用隨機產生的0和1信號實現(xiàn)二進制樹形搜索，并且設定了成功命令，進一步提高了搜索的效率，是一種二進制樹形的防沖突算法[7]。具體實現(xiàn)過程為：首先，射頻卡進入讀卡器的工作范圍，從離場掉電狀態(tài)進入就緒狀態(tài)。讀卡器可以通過GroupSeleet命令和GroupUnseleet命令讓讀卡器工作范圍內處于就緒狀態(tài)的所有或部分的射頻卡參與防沖突過程。針對該模式的防沖突機制，射頻卡應該具有如下兩種硬件電路：一個8 bit的計數器和一個0、1隨機數發(fā)生器。當射頻卡進入識別狀態(tài)(ID狀態(tài))后，將其內部的計數器清0，其中的一部分可以通過接收GroupUnselect命令重新回到就緒狀態(tài)，其他處于識別狀態(tài)的射頻卡則進入了防沖突執(zhí)行的過程中。被選中的射頻卡開始下面的循環(huán)：(1)所有處于識別狀態(tài)并且內部計數器為0的射頻卡將發(fā)送其識別碼；(2)如果有一個以上的射頻卡發(fā)送識別碼時，讀卡器將檢測到沖突而發(fā)送Fail命令；(3)所有接收到Fail命令并且內部計數器不等于0的射頻卡將把本身的計數器加1；所有接收到Fail命令并且內部計數器等于0的射頻卡(即剛剛發(fā)送過應答的射頻卡)將產生一個1或0的隨機數。如果選擇了1，射頻卡將把自己的計數器加1；如果選擇了0，射頻卡將保持計數器為0并且再次發(fā)送它們的識別碼。在接下來的過程中會出現(xiàn)4種可能的情況；(4)情況1：如果有一個以上的射頻卡發(fā)送，將重復步驟(2)；(5)情況2：如果所有的射頻卡都隨機選擇了1，讀卡器將接收不到應答，此時，讀卡器將會發(fā)送Success命令，所有的射頻卡的計數器減1，然后計數器等于0的射頻卡開始發(fā)送，接著重復步驟(2)；(6)如果只有一個射頻卡發(fā)送并且它的識別碼被讀卡器正確接收，讀卡器將發(fā)送包含識別碼的DataRead命令，射頻卡正確接收該條命令后將進入數據交換狀態(tài)，開始發(fā)送它的數據。此后，讀卡器將發(fā)送Success命令，使處于識別狀態(tài)的射頻卡的計數器減1；(7)情況3：如果只有一個射頻卡的計數器等于0并且返回應答，重復步驟(5)讀卡器發(fā)Success命令或重復步驟(6)發(fā)送DataRead命令；如果有一個以上的射頻卡返回應答，重復步驟(2)；(8)情況4：如果只有一個射頻卡返回應答，并且它的識別碼未被正確接收，讀卡器將發(fā)送一個Resend命令。如果識別碼被正確接收，重復步驟(5)。如果識別碼被重復幾次的接收(這個次數可以基于系統(tǒng)所希望的錯誤處理標準來設定)，就假定有一個以上的射頻卡在響應，重復步驟(2)。

經過如上的防沖突過程，射頻場內的射頻卡將可以逐一被識別并進行數據交換。

2.3 串行通信程序

系統(tǒng)使用PC機作為上位機，讀卡器作為下位機。上位機與下位機之間的通信采用基于RS-232-C的串口通信。RS-232-C是一種串行通信總線標準，是數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)之間的接口標準，不同廠家生產的設備，只要它們都具有RS-232-C標準接口，則不需要任何轉換電路，就可以互相插接起來。

串行通信程序是MCU與PC機通信的控制程序。發(fā)送程序采用查詢的方式設計，即把待發(fā)送的數據先送到緩沖區(qū)中，然后查詢串口發(fā)送中斷標志是不是有空，若有空就發(fā)送下一個數據。

接收程序采用中斷的方式設計，即當PC機要發(fā)數據給MCU時，主動向MCU申請中斷，接收中斷標志有效，則PC向MCU傳送數據。

3 驗證方案

3.1 驗證平臺的建立

為了驗證所設計的讀卡器能否完成預期的功能，設計了相應的驗證平臺[8]。驗證平臺由數據解碼通道、數據編碼通道以及指令分析器三部分組成。數據解碼通道是對讀卡器發(fā)送出的數據幀進行解碼，提取指令的原始數據；指令分析器是對收到的指令數據進行判斷，同時返回相應的數據并發(fā)送給數據編碼通道；數據編碼通道則是對發(fā)送來的數據進行編碼，再發(fā)送給讀卡器。

平臺采用Verilog HDL硬件語言搭建，選用Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片為目標器件，使用Quartus II進行綜合驗證，其結構框圖和電路原理圖分別如圖6、圖7所示。


3.2 測試結果分析

(1)時序分析

通過運行QuartusII 7.1自帶的時序分析器，可以得到時序分析的一些參數：tsu(輸入建立時間)、tco(時鐘到輸出延時)、th(保持時間)分別為3.530 ns、13.174 ns、0.751 ns?；l時鐘clk最大可以達到89.06 MHz，而ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議規(guī)定的基頻時鐘為40 kHz。從分析本系統(tǒng)的時序結果顯示，完全符合協(xié)議要求。具體的時序分析結果如圖8所示。


(2)功能分析

功能分析以GROUP_SELECT_LT命令為例。 GROUP_SELECT_LT命令是多卡操作中的組選命令，射頻卡接到此命令，卡內指定地址的數據與幀中提供的數據進行對比。若卡內數據較小，則返回射頻卡的64 bit序列號，否則不作任何響應。GROUP_SELECT_LT命令的命令號為03，地址設為0F，掩碼設為FF，64 bit數據全設為F，所以從MCU傳給FPGA的命令數據為03_0F_FF_FFFF_FFFF_FFFF_FFFF。原始數據經過FPGA數字信號處理模塊處理后，就成了一幀基帶數據信號。驗證平臺將讀卡器發(fā)來的數據幀進行解碼，然后判斷指令并返回射頻卡的64 bit序列號，經編碼后成一幀數據幀發(fā)送給讀卡器。讀卡器收到此幀后即解碼，并進行CRC校驗，若都沒有錯，則把解碼后的數據傳輸給MCU。

GROUP_SELECT_LT命令仿真波形圖如圖9所示，實驗證明可實現(xiàn)ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議。
隨著RFID相關國際標準的確立(如ISO/IEC 18000)RFID的研發(fā)已成為國際性的課題。在諸多RFID工作頻段中，UHF頻段的RFID技術前景最為看好，也成為現(xiàn)今RFID技術領域研究的熱點。