便攜式超高頻RFID讀寫器的FPGA實現(xiàn)

摘要：設計了基于ISO18000-6C標準的USB2．0數(shù)據(jù)通信協(xié)議便攜式射頻讀寫器。以Altera EP1C3T144為核心控制器、CC1100為RF收發(fā)器、CH372為USB接口器件，組成了該硬件系統(tǒng)。經(jīng)測試，系統(tǒng)收發(fā)頻率為889 MHz，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為240 kbps，天線發(fā)射功率為1．1 dBm，讀寫器穩(wěn)定傳輸距離為1 m，數(shù)據(jù)傳輸準確，系統(tǒng)讀寫穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，適用于各種復雜EMI環(huán)境。
關鍵詞：ISO18000-6C；高頻RFID；EP1C3T144；CC1100；CH372

引言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用微波進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N非接觸式射頻自動識別技術。RFID系統(tǒng)具有使用壽命長、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸快速、穩(wěn)定、安全、可靠，適應性和抗干擾性強等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)控制、消費類電子、醫(yī)療電子、現(xiàn)代物流和校園一卡通等方面。RFID技術是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的核心技術。我國研究RFID技術起步比較晚，受軟件和硬件等條件限制RFID技術還未真正實現(xiàn)大規(guī)模應用，大多數(shù)屬于中、低頻數(shù)據(jù)傳輸，距國外先進技術還有一段距離。本文重點介紹基于Altera公司Cyclone系列FPGA和ISO1800 0-6C標準超高頻RFID讀寫器的軟硬件實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)原理和結構
1．1 RFID系統(tǒng)原理
典型RFID系統(tǒng)由讀寫器(Reader)、射頻標簽(RFIDTag)、天線(Antenna)、中間件(Middle Ware)和應用程序(Application Ware)5部分組成。RFID系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。讀寫器安裝在固定位置，通過USB與PC連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與讀寫，讀寫器對射頻標簽操作實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)更新與存儲。由于系統(tǒng)基于ISO18000-6C標準，射頻標簽要符合該標準，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲；讀寫器由編解碼電路、數(shù)據(jù)存儲電路、射頻前端收發(fā)電路、天線、電源電路等構成；天線接收和發(fā)送超高頻微波信號；中間件、中間信息和數(shù)據(jù)處理軟件，對射頻讀寫器和中間件事件過濾、聚合和計算，抽象出對應用軟件有邏輯意義的算法；應用程序直接面對用戶人機交互界面。由應用軟件操作讀寫器，讀寫器收發(fā)微波信號修改用戶射頻標簽，應用軟件是用戶體驗和判斷RFID系統(tǒng)成功的一個重要因素。

1．2 RFID讀寫器原理
基于FPGA RFID讀寫器可分為3個模塊：FPGA最小系統(tǒng)、USB串行總線接口電路、RF信號收發(fā)電路。FPGA最小系統(tǒng)包含F(xiàn)PGA現(xiàn)場可編程邏輯陣列、JTAG配置電路、系統(tǒng)時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲電路、顯示電路、電源電路。RFID讀寫器控制核心用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144芯片。由于FPGA基于SRAM技術，下載配置芯片用Altera公司配套的EPCS1，下載模式采用JTAG模式，20 MHz有源時鐘晶振，0．3寸共陰數(shù)碼管，外接5 V直流電源，經(jīng)兩級LM1085轉換為3．3 V和1．5 V電壓，為FPGA內核和引腳供電。數(shù)據(jù)存儲芯片選用Catalyst公司CMOS技術芯片EEPROMCAT24WC02，通過I2C總線與FPGA連接。USB串行總線接口芯片采用南京沁恒公司的USB通用接口芯片。RF信號收發(fā)模塊選用Chipcon公司的SmartRF03技術和0．18μm CMOS工藝的CC1100芯片作為微波信號收發(fā)前端，通過SPI總線與FPGA連接。
在RFID系統(tǒng)中，讀寫器是連接射頻標簽和PC機客戶端的核心，通過對讀寫器命令操作，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)修改、存儲等操作。RFID讀寫器與標簽數(shù)據(jù)傳輸可以分為從讀寫器到標簽前向鏈路和標簽到讀寫器后向鏈路，前向鏈路與后向鏈路采用半雙工方式通信，數(shù)據(jù)傳輸采用ASK調制，前向鏈路采用PIE碼，后向鏈路采用Miller碼，系統(tǒng)采用CRC-16校驗碼和特殊防沖突算法保證讀寫正確。RFID通信可分為2步：閱讀器首先獲得在輻射范圍內標簽ID號，然后對ID號符合要求的標簽進行讀寫相應操作。讀寫器與上位機USB數(shù)據(jù)通信，通過USB設備枚舉完成HID人機接口設備識別和數(shù)據(jù)讀寫。