基于FPGA的RFID無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子信息技術(shù)越來越快地普及到各行各業(yè)的應(yīng)用中去。傳統(tǒng)的物流信息采集工作方式是通過工作人員將票物進(jìn)行核對(duì)，然后將票上的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中。這一過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且可能由于各種人為過失造成各種各樣錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的存在，影響所采集信息的可靠性。而自動(dòng)識(shí)別技術(shù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，增加了輸入的靈活性與準(zhǔn)確性，使人們擺脫繁雜的統(tǒng)計(jì)識(shí)別工作，并且大大提高了物流信息采集的工作效率。目前，由沃爾瑪、麥德隆等大超市一手推動(dòng)的RFID應(yīng)用，為零售業(yè)帶來包括降低勞動(dòng)力成本、商品的可視度提高，降低因商品斷貨造成的損失，減少商品偷竊現(xiàn)象等好處。其可應(yīng)用的過程包括：商品的銷售數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，補(bǔ)貨，防盜等。本文利用RFID技術(shù)，用FPGA芯片與NRF905搭建了無線通信系統(tǒng)，成功的實(shí)現(xiàn)了無線收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 RFID簡(jiǎn)介

　　RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別技術(shù))是利用無線電波對(duì)記錄媒體進(jìn)行讀/寫。射頻識(shí)別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米，且根據(jù)讀/寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息，同時(shí)，還具有極高的保密性。射頻識(shí)別技術(shù)適用的領(lǐng)域：物料跟蹤、運(yùn)載工具和貨架識(shí)別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場(chǎng)合，要求頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場(chǎng)合尤為適用。如香港的車輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)駕易通，采用的主要技術(shù)就是射頻技術(shù)。射頻技術(shù)在其他物品的識(shí)別自動(dòng)化管理方面也得到了較廣泛的應(yīng)用。

　　如圖1所示即為本無線系統(tǒng)的整個(gè)構(gòu)架，由控制模塊，SPI模塊以及天線模塊構(gòu)成。其中對(duì)SPI模塊的配置由控制模塊通過Wishbone總線來完成，并且對(duì)天線模塊的配置，模式轉(zhuǎn)換，收發(fā)數(shù)據(jù)等操作均由控制模塊通過SPI總線來完成。下面將就各個(gè)部分進(jìn)行說明。

　　1.2 天線模塊(NRF905收發(fā)模塊)

　　1.2.1 NRF905介紹

　　NRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9～3.6 V，32引腳QFN封裝，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM頻道。可以自動(dòng)完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便，功耗低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12.5 mA。

　　NRF905有ShockBurst接收與ShockBurst發(fā)送兩種工作模式;掉電和SPI編程與Standby和SPI編程兩種節(jié)電模式。其ShoekBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，可以通過SPI接口進(jìn)行編程配置。NRF905的工作模式由對(duì)TRX_CE，TX_EN，PWR_UP的設(shè)置來設(shè)置，見表1。

　　1.2.2 NRF905配置與工作過程

　　nRF905的所有配置都通過SPI接口進(jìn)行。SPI接口由5個(gè)寄存器組成，一條SPI指令用來決定進(jìn)行什么操作。SPI接口只有在掉電模式和Standby"模式是激活的。

　　其中SPI接口的5個(gè)寄存器分別為：

　　(1)狀態(tài)寄存器：寄存器包含數(shù)據(jù)就緒DR和地址匹配AM狀態(tài)。

　　(2)RF配置寄存器：寄存器包含收發(fā)器的頻率、輸出功率等配置信息。

　　(3)發(fā)送地址：寄存器包含目標(biāo)器件地址，字節(jié)長(zhǎng)度由配置寄存器設(shè)置。

　　(4)發(fā)送有效數(shù)據(jù)：寄存器包含發(fā)送的有效Shock Burst數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，字節(jié)長(zhǎng)度由配置寄存器設(shè)置。

　　(5)接收有效數(shù)據(jù)：寄存器包含接收到的有效ShockBurst數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，字節(jié)長(zhǎng)度由配置寄存器設(shè)置。在寄存器中的有效數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR指示。

　　ShoekBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要高速控制器來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或時(shí)鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給應(yīng)用控制器一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX(接收)模式中，地址匹配AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號(hào)通知控制器一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst TX(發(fā)送)模式中，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號(hào)通知控制器數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。

　　1.3 SPI模塊

　　1.3.1 SPI總線介紹

　　SPI(Serial Parallel Bus)總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口，容許CPU與各種外圍接口器件，以串行方式進(jìn)行通信。它使用4條線：串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線(MISO)、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線(MOSI)、低電平有效的使能信號(hào)線(SS)。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種I/0器件。

　　SPI總線模式的數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位進(jìn)行傳輸?shù)?一次傳輸可以傳多個(gè)字節(jié))，每字節(jié)為8位，每個(gè)命令或者數(shù)據(jù)塊都是字節(jié)對(duì)齊的(8個(gè)時(shí)鐘的整數(shù)倍)。數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，地位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到每秒幾兆比特。SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個(gè)主器件和一個(gè)或多個(gè)從器件。在本文設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)中，由FPGA實(shí)現(xiàn)的SPI總線接口模塊為主機(jī)，NRF905的SPI模塊為從機(jī)。

　　SPI時(shí)序模式的選擇：

　　SPI接口有4種不同的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，取CPOL和CPHL這兩位的組合。CPOL是用來決定SCK時(shí)鐘信號(hào)空閑時(shí)的電平;CPOL=O，空閑電平為低電平，CPOL=1時(shí)，空閑電平為高電平。CPHA是用來決定采樣時(shí)刻的，CPHA=0，在每個(gè)周期的第一個(gè)時(shí)鐘沿采樣;CPHA=1，在每個(gè)周期的第二個(gè)時(shí)鐘沿采樣。