基于FPGA的915 MHz射頻讀卡器設(shè)計(jì)
射頻識別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù),通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息。通常RFID系統(tǒng)主要由應(yīng)用軟件、射頻卡以及讀卡器三部分構(gòu)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(yuǎn)、閱讀速度快等優(yōu)點(diǎn),是目前國際上RFID技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)[2]。讀卡器的設(shè)計(jì)是RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分,設(shè)計(jì)方案有很多種。FPGA[3]具有開發(fā)簡單、靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在線編程的特點(diǎn),已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的可編程專用集成電路。目前生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的很多公司都使用自己的標(biāo)準(zhǔn),可供射頻卡使用的幾種標(biāo)準(zhǔn)有ISO/IEC 11784、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000等。其中應(yīng)用最多的是ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。本文基于ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議設(shè)計(jì)了一款工作頻率為915 MHz的讀卡器。
1 讀卡器的硬件設(shè)計(jì)
讀卡器的硬件可以分為三大模塊:FPGA數(shù)字信號處理模塊、MCU及人機(jī)接口模塊和射頻收發(fā)模塊,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。FPGA數(shù)字信號處理模塊用來實(shí)現(xiàn)ISO/IEC 18000-6 Type B 協(xié)議中規(guī)定的基帶數(shù)據(jù)編解碼,MCU及人機(jī)接口模塊用來實(shí)現(xiàn)指令的跳轉(zhuǎn)控制和返回?cái)?shù)據(jù)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(shù)字信號處理模塊
FPGA數(shù)字信號處理模塊包含時(shí)鐘分頻模塊、FIFO、曼徹斯特編碼器、CRC生成校驗(yàn)、FM0解碼器、串并變換電路及對應(yīng)的幀發(fā)送接收控制器,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
該模塊的內(nèi)部工作流程如下:
(1)發(fā)送部分
①數(shù)據(jù)通信接口8 bit并行接收來自MCU的命令數(shù) 據(jù),數(shù)據(jù)在FIFO中緩沖。
②數(shù)據(jù)做并行到串行的轉(zhuǎn)換。
③在發(fā)送控制器的控制下,串行數(shù)據(jù)通過CRC模塊,生成16 bit的CRC校驗(yàn)值,并附加在原數(shù)據(jù)的后面。
④根據(jù)ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議規(guī)定,把上述的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼。
⑤把已經(jīng)過曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)引向一個(gè)已預(yù)置幀頭的移位寄存器,數(shù)據(jù)一到便啟動(dòng)移位寄存器,然后把輸出數(shù)據(jù)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(gè)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(dòng)FM0解碼。
③解碼后的數(shù)據(jù)傳送給串/并行的轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)暫存在FIFO。
④同時(shí)解碼后的數(shù)據(jù)也送給CRC模塊進(jìn)行校驗(yàn),若校驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤,則清除存于FIFO中的數(shù)據(jù),通知MCU其接收的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;若校驗(yàn)結(jié)果正確,則把FIFO中的數(shù)據(jù)傳送給MCU。
1.2 MCU及人機(jī)接口模塊
MCU及人機(jī)接口模塊以C8051F020單片機(jī)[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(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
該模塊實(shí)現(xiàn)的功能有:(1)C8051F020負(fù)責(zé)整個(gè)讀卡器內(nèi)各部分的協(xié)調(diào)工作(包括與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信);(2)在啟動(dòng)時(shí)向FPGA傳送配置數(shù)據(jù),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(dòng)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(shí)現(xiàn)二進(jìn)制樹形防碰撞功能;(6)驅(qū)動(dòng)LCD,顯示系統(tǒng)的提示信息;(7)擴(kuò)展一個(gè)PS/2鍵盤,可以輸入數(shù)據(jù)及命令;(8)控制TR1000芯片,設(shè)置OOK發(fā)射方式或ASK接收方式;(9)控制發(fā)射功率大??;(10)擴(kuò)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(shí)現(xiàn)基帶信號的調(diào)制解調(diào)[6]。由于第一種方法的電路調(diào)試比較麻煩,而且會占用很長的開發(fā)時(shí)間,所以本設(shè)計(jì)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(diào)制方式為調(diào)制深度為99%的ASK調(diào)制,也就是可以近似看作為OOK調(diào)制;而射頻卡到讀卡器端的射頻調(diào)制方式為反向散射調(diào)制,其調(diào)制方式與ASK調(diào)制類似,所以在解調(diào)端可以按照ASK方式解調(diào)。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(jià)格的短距離無線數(shù)據(jù)通信和無線控制應(yīng)用。
2 讀卡器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想,在初始化的時(shí)候由單片機(jī)配置FPGA??紤]到C語言可讀性強(qiáng),移植性好以及MCU的實(shí)際情況,本設(shè)計(jì)采用C語言對C8051F020進(jìn)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(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。
具體工作過程如下:(1)上電復(fù)位,系統(tǒng)初始化,包括單片機(jī)時(shí)鐘、端口、LCD、定時(shí)器的初始化,配置FPGA和開中斷。(2)等待接收上位機(jī)或鍵盤發(fā)送的指令。(3)對指令進(jìn)行判斷,如果為多卡操作,則進(jìn)入防沖突子程序;如果為單卡操作,則直接進(jìn)行讀卡、寫卡、值操作和中止操作。(4)若操作成功,所得數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī),同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD顯示操作成功信息;若操作失敗,則驅(qū)動(dòng)LCD顯示操作失敗信息。
2.2 防沖突程序
當(dāng)讀卡器對射頻卡進(jìn)行多卡操作時(shí),在其天線覆蓋范圍內(nèi)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(guān)鍵。ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議詳細(xì)規(guī)定了防沖突機(jī)制,其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。該防沖突機(jī)制的原理是利用隨機(jī)產(chǎn)生的0和1信號實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制樹形搜索,并且設(shè)定了成功命令,進(jìn)一步提高了搜索的效率,是一種二進(jìn)制樹形的防沖突算法[7]。具體實(shí)現(xiàn)過程為:首先,射頻卡進(jìn)入讀卡器的工作范圍,從離場掉電狀態(tài)進(jìn)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(nèi)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(jī)制,射頻卡應(yīng)該具有如下兩種硬件電路:一個(gè)8 bit的計(jì)數(shù)器和一個(gè)0、1隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。當(dāng)射頻卡進(jìn)入識別狀態(tài)(ID狀態(tài))后,將其內(nèi)部的計(jì)數(shù)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(jìn)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(nèi)部計(jì)數(shù)器為0的射頻卡將發(fā)送其識別碼;(2)如果有一個(gè)以上的射頻卡發(fā)送識別碼時(shí),讀卡器將檢測到?jīng)_突而發(fā)送Fail命令;(3)所有接收到Fail命令并且內(nèi)部計(jì)數(shù)器不等于0的射頻卡將把本身的計(jì)數(shù)器加1;所有接收到Fail命令并且內(nèi)部計(jì)數(shù)器等于0的射頻卡(即剛剛發(fā)送過應(yīng)答的射頻卡)將產(chǎn)生一個(gè)1或0的隨機(jī)數(shù)。如果選擇了1,射頻卡將把自己的計(jì)數(shù)器加1;如果選擇了0,射頻卡將保持計(jì)數(shù)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(gè)以上的射頻卡發(fā)送,將重復(fù)步驟(2);(5)情況2:如果所有的射頻卡都隨機(jī)選擇了1,讀卡器將接收不到應(yīng)答,此時(shí),讀卡器將會發(fā)送Success命令,所有的射頻卡的計(jì)數(shù)器減1,然后計(jì)數(shù)器等于0的射頻卡開始發(fā)送,接著重復(fù)步驟(2);(6)如果只有一個(gè)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(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài),開始發(fā)送它的數(shù)據(jù)。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(jì)數(shù)器減1;(7)情況3:如果只有一個(gè)射頻卡的計(jì)數(shù)器等于0并且返回應(yīng)答,重復(fù)步驟(5)讀卡器發(fā)Success命令或重復(fù)步驟(6)發(fā)送DataRead命令;如果有一個(gè)以上的射頻卡返回應(yīng)答,重復(fù)步驟(2);(8)情況4:如果只有一個(gè)射頻卡返回應(yīng)答,并且它的識別碼未被正確接收,讀卡器將發(fā)送一個(gè)Resend命令。如果識別碼被正確接收,重復(fù)步驟(5)。如果識別碼被重復(fù)幾次的接收(這個(gè)次數(shù)可以基于系統(tǒng)所希望的錯(cuò)誤處理標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定),就假定有一個(gè)以上的射頻卡在響應(yīng),重復(fù)步驟(2)。
經(jīng)過如上的防沖突過程,射頻場內(nèi)的射頻卡將可以逐一被識別并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2.3 串行通信程序
系統(tǒng)使用PC機(jī)作為上位機(jī),讀卡器作為下位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)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(biāo)準(zhǔn),是數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口標(biāo)準(zhǔn),不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備,只要它們都具有RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)接口,則不需要任何轉(zhuǎn)換電路,就可以互相插接起來。
串行通信程序是MCU與PC機(jī)通信的控制程序。發(fā)送程序采用查詢的方式設(shè)計(jì),即把待發(fā)送的數(shù)據(jù)先送到緩沖區(qū)中,然后查詢串口發(fā)送中斷標(biāo)志是不是有空,若有空就發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。
接收程序采用中斷的方式設(shè)計(jì),即當(dāng)PC機(jī)要發(fā)數(shù)據(jù)給MCU時(shí),主動(dòng)向MCU申請中斷,接收中斷標(biāo)志有效,則PC向MCU傳送數(shù)據(jù)。
3 驗(yàn)證方案
3.1 驗(yàn)證平臺的建立
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的讀卡器能否完成預(yù)期的功能,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驗(yàn)證平臺[8]。驗(yàn)證平臺由數(shù)據(jù)解碼通道、數(shù)據(jù)編碼通道以及指令分析器三部分組成。數(shù)據(jù)解碼通道是對讀卡器發(fā)送出的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼,提取指令的原始數(shù)據(jù);指令分析器是對收到的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,同時(shí)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)編碼通道;數(shù)據(jù)編碼通道則是對發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)器件,使用Quartus II進(jìn)行綜合驗(yàn)證,其結(jié)構(gòu)框圖和電路原理圖分別如圖6、圖7所示。
3.2 測試結(jié)果分析
(1)時(shí)序分析
通過運(yùn)行QuartusII 7.1自帶的時(shí)序分析器,可以得到時(shí)序分析的一些參數(shù):tsu(輸入建立時(shí)間)、tco(時(shí)鐘到輸出延時(shí))、th(保持時(shí)間)分別為3.530 ns、13.174 ns、0.751 ns。基頻時(shí)鐘clk最大可以達(dá)到89.06 MHz,而ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議規(guī)定的基頻時(shí)鐘為40 kHz。從分析本系統(tǒng)的時(shí)序結(jié)果顯示,完全符合協(xié)議要求。具體的時(shí)序分析結(jié)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(nèi)指定地址的數(shù)據(jù)與幀中提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。若卡內(nèi)數(shù)據(jù)較小,則返回射頻卡的64 bit序列號,否則不作任何響應(yīng)。GROUP_SELECT_LT命令的命令號為03,地址設(shè)為0F,掩碼設(shè)為FF,64 bit數(shù)據(jù)全設(shè)為F,所以從MCU傳給FPGA的命令數(shù)據(jù)為03_0F_FF_FFFF_FFFF_FFFF_FFFF。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA數(shù)字信號處理模塊處理后,就成了一幀基帶數(shù)據(jù)信號。驗(yàn)證平臺將讀卡器發(fā)來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼,然后判斷指令并返回射頻卡的64 bit序列號,經(jīng)編碼后成一幀數(shù)據(jù)幀發(fā)送給讀卡器。讀卡器收到此幀后即解碼,并進(jìn)行CRC校驗(yàn),若都沒有錯(cuò),則把解碼后的數(shù)據(jù)傳輸給MCU。
GROUP_SELECT_LT命令仿真波形圖如圖9所示,實(shí)驗(yàn)證明可實(shí)現(xiàn)ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議。
隨著RFID相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)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(shù)前景最為看好,也成為現(xiàn)今RFID技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
評論