基于FPGA的RFID板級標(biāo)簽設(shè)計與實現(xiàn)

引 言
    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種新興的非接觸式自動識別技術(shù)，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理、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行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，以達到目標(biāo)識別并交換數(shù)據(jù)的目的，可用來跟蹤并管理幾乎所有的物理對象。RFID電子標(biāo)簽已經(jīng)成為21世紀(jì)全球自動識別技術(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)的特點是速度快，可以同時讀取的標(biāo)簽數(shù)量多，理論上能讀到1 000多個標(biāo)簽；功能強，具有多種寫保護方式；安全性強。
    在我國，由于射頻識別技術(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，超高頻射頻識別技術(shù)及其應(yīng)用在我國正處于初級發(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)計了實現(xiàn)超高頻電子標(biāo)簽驗證平臺的整體電路。重點討論基于EP1C6Q240FPGA的數(shù)字基帶部分設(shè)計與實現(xiàn)。最后給出了該平臺的測試結(jié)果，驗證了平臺設(shè)計的正確性和可靠性。

1 電子標(biāo)簽的工作原理
    射頻識別系統(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)，作為待識別物品的標(biāo)識性信息。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，從而實現(xiàn)對各類物體的自動識別和管理。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)送的命令并進行操作；
    (3)讀寫器發(fā)出選擇和盤存命令對標(biāo)簽進行識別，
選定單個標(biāo)簽進行通信，其余標(biāo)簽暫時處于休眠狀態(tài)；
    (4)被識別的標(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，進入睡眠狀態(tài)，此后不再對讀寫器應(yīng)答；
    (5)讀寫器對余下標(biāo)簽繼續(xù)搜索，重復(fù)(3)，(4)分別喚醒單個標(biāo)簽進行讀取。直至識別出所有標(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弱，阻抗不匹配時天線反射率很大，阻抗匹配時天線反射率很小，以此來表示輸出信號的有無。

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公式共同決定：

3 RFID板級標(biāo)簽驗證平臺的總體設(shè)計與實現(xiàn)
    板級標(biāo)簽主要由模擬射頻和數(shù)字處理2部分組成。圖1為板級電子標(biāo)簽驗證平臺的結(jié)構(gòu)框圖。

    模擬射頻部分采用分立元件實現(xiàn)，完成射頻信號的接收，來自RFID讀寫器的信號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，進行包絡(luò)檢波后，通過一個運放構(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、命令解析、狀態(tài)轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)存儲、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現(xiàn)。
    數(shù)字基帶部分的設(shè)計在Altera公司的EP1C6Q240FPGA上實現(xiàn)。經(jīng)過對協(xié)議內(nèi)容的深入研究，實現(xiàn)標(biāo)簽數(shù)字部分采用Top-down的設(shè)計方法，首先對電路功能進行詳細描述，按照功能對整個系統(tǒng)進行模塊劃分；再用Vexilog硬件描述語言進行RTL代碼設(shè)計。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(Cyclic Redundancy Check，CRC)校驗?zāi)K、狀態(tài)機模塊、CRC產(chǎn)生模塊、存儲器、編碼模塊和時鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調(diào)出的命令信號，根據(jù)協(xié)議中規(guī)定的命令格式將信號譯碼成標(biāo)簽數(shù)字部分可識別的二進制數(shù)據(jù)，并發(fā)送到CRC校驗?zāi)K和狀態(tài)機模塊。CRC校驗?zāi)K對收到的命令進行完整性校驗，若確認(rèn)為有效命令，則觸發(fā)狀態(tài)機模塊，控制標(biāo)簽執(zhí)行相應(yīng)操作，如讀寫存儲器、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校驗碼，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗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)送給模擬部分進行處理后，再采用射頻技術(shù)發(fā)送給讀寫器。

4 測試結(jié)果
    QuartusⅡ6．0是Altera FPGA／CPLD的綜合性集成設(shè)計平臺。該平臺集成了設(shè)計輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線與實現(xiàn)、時序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計流程所需的工具。Verilog HDL程序在QuartusⅡ6．O環(huán)境下編譯、仿真和下載，板級標(biāo)簽經(jīng)過總體設(shè)計、PCB板設(shè)計與實現(xiàn)、代碼設(shè)計、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)進行通信，快速準(zhǔn)確地收發(fā)信息，并實現(xiàn)防沖突功能。圖3顯示板級標(biāo)簽?zāi)軌蚪獯a來自閱讀器的命令信息，在狀態(tài)機的控制下，正確地輸出FM0編碼信號。圖4顯示板級標(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。測試表明，板級標(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、PCB板設(shè)計與實現(xiàn)、代碼設(shè)計、仿真與下載，以及系統(tǒng)調(diào)試后，完成了基于FPGA的板級標(biāo)簽的軟、硬件設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)通過測試，已能夠正常工作，讀寫性能優(yōu)異，并實現(xiàn)了防沖突功能。在此基礎(chǔ)上可以進一步提高其安全性和可靠性，所設(shè)計的標(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)計出符合該標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽芯片提供了有力的保證。