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(guān)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(shù)。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(shù)是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。我國研究RFID技術(shù)起步比較晚，受軟件和硬件等條件限制RFID技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)，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(zhuǎn)換為3．3 V和1．5 V電壓，為FPGA內(nèi)核和引腳供電。數(shù)據(jù)存儲芯片選用Catalyst公司CMOS技術(shù)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(shù)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(diào)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(nèi)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。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2．1 Cyclone EP1C3T144 FPGA最小系統(tǒng)
    FPGA最小系統(tǒng)包含可編程門陣列、電源電路、時鐘電路、復位電路、配置電路、濾波電路。現(xiàn)場可編程門陣列采用EP1C3T144。它基于1．5 V，0．13μm全銅SRAM工藝、TQFP144封裝；104個I／O口，支持各種I／O標準；支持LVDS，數(shù)據(jù)傳輸率為311 Mbps；2910LE邏輯單元、
288 Kb RAM、1個PLL鎖相環(huán)，支持66 MHz 32位PCI標準，支持外接133 MHz DDR SDROM；單獨有源時鐘接口，外接20 MHz頻率的有源晶振；專用配置電路接口，3．3 V LVTTL供電。FPGA基于SRAM技術(shù)，掉電數(shù)據(jù)易失，采用Altera公司配套的EPCS1JTAG下載模式。系統(tǒng)采用硬件和軟件復位：硬件復位接FPGA nconfig引腳，按下此鍵FPGA代碼從EEPROM重新配置；軟件復位是編寫代碼時設置reset引腳，按照代碼運行。
    由于FPGA芯片內(nèi)部EEPROM空間有限，F(xiàn)PGA芯片外掛一個2KB EEPROM 24C02，24C02與400kHz I2C接口兼容。供電電壓為1.8～6.0V，供電電流為3mA，具有頁寫緩沖器和寫保護功能，SOP8封裝。它還具有讀寫次數(shù)多、保存時間長、功耗低的特點。24C02硬件接口電路如圖2所示。

2．2 USB串行總線接口電路
    CH372簡易USB通用串行總線接口集成電路，兼容+5 V和+3．3 V供電，最大工作電流為30 mA，外接12 MHz頻率晶振，20引腳SOP封裝；兼容USB2．0數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，支持HID設備熱插熱拔，內(nèi)置USB底層通信協(xié)議，自動完成標準USB事件枚舉；支持數(shù)據(jù)控制傳輸、批量傳輸、終端傳輸；默認鏈接端點0所有事件，F(xiàn)PGA負責數(shù)據(jù)傳輸與處理，使用方便，CH372硬件接口電路如圖3所示。
2．3 CC1100 RF收發(fā)電路
    CC1100是一款極低功耗UHF收發(fā)集成電路。其通信效果好、抗干擾性能強、穿透力強、靈敏度高；可自由設置收發(fā)頻率，可設置范圍為300～348 MHz、400～464MHz、800～928 MHz，可編程控制數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達500 kbps，4線SPI(SI、SO、SCLK、CSn)接口。CC1100正
常工作電壓為3．3 V，最高輸入電壓3．6 V，每個引腳輸入電壓應相同。868～915 MHz發(fā)送模式輸出功率為+10 dBm，電流為30 mA，接收最大功率為+10 dBm，硬件自動CRC校驗，支持ASK調(diào)制解調(diào)，調(diào)整外圍元件可方便調(diào)整收發(fā)頻率。CC1100采用數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)，具有2個64字節(jié)FIFO，緩沖發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CC1100可軟件設置RF發(fā)送功率、收發(fā)模式、調(diào)制格式、信道選擇和帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率、整機工作模式等。
    CC1100屬于半雙工通信，接收和發(fā)送在射頻控制模塊RF CONTRON控制下分時進行，解調(diào)由積分器向下積分完成，AGC電路控制回路增益；調(diào)制基于直接頻率合成，載波信號由晶振與內(nèi)部PLL電路產(chǎn)生，發(fā)送模塊和接收模塊稍有區(qū)別。接收模塊包括：低噪聲放大器LAN、積分器INTEGRATION、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、解調(diào)器DEMODU-LATOR、向前數(shù)據(jù)誤差處理器FEC／INTERLEAVER、包處理PACKET HANDLER、接收數(shù)據(jù)緩沖器RXFI FO、數(shù)字接口電路DIGITAL INTERFACE TO MCU；發(fā)送端與接收端不同的模塊有：壓控振蕩器VCO、混頻器MIXER、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器TXFIFO，數(shù)據(jù)收發(fā)由不同模塊分時完成。
    CC1100具有2種工作狀態(tài)——空閑狀態(tài)和工作狀態(tài)，每種狀態(tài)對應電流不同?？臻e狀態(tài)可分為等待WAIT狀態(tài)，內(nèi)部電流1．9 mA；睡眠SLEEP狀態(tài)，內(nèi)部電流400～900 nA；晶振的停振狀態(tài)僅維持寄存器值不變，內(nèi)部電流160 nA；工作狀態(tài)可分為接收(RX)和發(fā)送(TX)狀態(tài)，接收狀態(tài)根據(jù)接收信號強弱內(nèi)部電流在14．2～15．4 mA范圍變化。發(fā)送狀態(tài)下，發(fā)送信號功率大小隨工作電流變化。14 mA時發(fā)射功率為-10 dBm，29 mA時發(fā)射功率為+20 dBm。根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整工作電流，可實現(xiàn)整機最低功耗。
    由于采用ISO18000-6C標準射頻空中接口協(xié)議，系統(tǒng)采用889 MHz發(fā)射和接收頻率，改變CC1100第12、13引腳外接電容C1、C2，電感L1、L2的參數(shù)可調(diào)整射頻收發(fā)頻率，發(fā)射天線采用50 Ω偶極子天線。12、13引腳LC網(wǎng)絡器件參數(shù)可由軟件SmartRF studio仿真得到，參考CC1100官方DATASHEET，根據(jù)實際情況微調(diào)。CC1100數(shù)據(jù)收發(fā)原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 RF收發(fā)芯片CC1100軟件設計
    CC1100操作包括芯片數(shù)據(jù)讀寫、寄存器與命令濾波器設置訪問、數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)傳輸速率設置、FIFO訪問、低功耗策略等。RFID讀寫器中CC1100數(shù)據(jù)傳輸采用同步連續(xù)方式，支持硬件數(shù)據(jù)包處理、FIFO緩沖、數(shù)據(jù)白化、交錯和前向處理。CC1100數(shù)據(jù)幀包含前導、同步數(shù)據(jù)、標簽地址、數(shù)據(jù)長度、讀寫命令、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)、CRC校驗碼、結(jié)束位。其中前導數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)通過CC1100寄存器設置硬件自動完成、CRC校驗碼硬件自動完成，其他數(shù)據(jù)需軟件設置或配置寄存器。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所列。

    CC1100通過4線SPI接口與FPGA連接，對內(nèi)部不同寄存器和不同命令濾波器操作完成數(shù)據(jù)收發(fā)。當SO引腳讀數(shù)據(jù)時SCLK必須在第一個上升沿前被拉低，一個周期內(nèi)SCLK下降沿完成1位數(shù)據(jù)建立，上升沿數(shù)據(jù)保持；CSn=0片選信號有效，數(shù)據(jù)正常傳輸；在SCLK控制下SI為同步數(shù)據(jù)輸入，SO為同步數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)通信完成后SCLK保持低電平，等待下次數(shù)據(jù)通信。CSn=1時CC1100為降低功耗處于睡眠或晶振停振狀態(tài)。CC 1100采用電磁波激活WOR低功耗技術(shù)，CPU處于深度睡眠等待接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)到來后，無須喚醒CPU而直接存儲到RX FIFO。
    CC1100內(nèi)部可分為配置寄存器地址(0x00～0x2F)和命令濾波器地址(0x30～0x3F)。配置寄存器設置SPI引腳狀態(tài)、數(shù)據(jù)調(diào)制方式、編碼方式、校驗方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、信道帶寬等；寄存器狀態(tài)字STATE第6位到第4位查詢當前工作狀態(tài)，000為空閑狀態(tài)，001為接收狀態(tài)，010為發(fā)送狀態(tài)；命令濾波器設置當前工作狀態(tài)，SRX 0x34=0xFF時啟用接收模式，STX 0x35=0xFF時啟用發(fā)送模式。CC1100分別具有一個64位RX FIFO和TX FIFO，STATE狀態(tài)字監(jiān)測FIFO是否溢出。讀RX FIFO前必須保證FIFO不為空，寫TX FIFO前必須保證FIFO為空，否則讀寫數(shù)據(jù)將出錯。CC1100寄存器與濾波器設置可以通過軟件SmartRF Studio得到最佳配置。
    CC1100數(shù)據(jù)傳輸速率通過MDMCFG3．DRATE_M和MDMCFG4．DRATE_E配置寄存器和晶振頻率設置，先設定數(shù)據(jù)傳輸速率和晶振頻率，計算出MDMCFG3．DRATE_M和MDMCFG4．DRATE_E配置寄存器值。
3．2 ISO18000-6C空中接口協(xié)議
    傳輸頻率范圍：860～960MHz。
    調(diào)制方式：ASK，每個信道500kHz，可設置52個信道，標簽采用反向散射調(diào)制。
    最大發(fā)射功率：4W。
    編碼方式：PIE，Miller，F(xiàn)M0。
    校驗方式：CRC-16。
    數(shù)據(jù)傳輸速率：40～640kbps。

4 系統(tǒng)實驗結(jié)果和結(jié)論
    RFID系統(tǒng)測試包括軟件測試、硬件測試、穩(wěn)定性和EMI測試。軟件測試包括用戶軟件、中間件、標簽軟件、編解碼信號測試；硬件測試包括發(fā)射功率、收發(fā)距離、收發(fā)夾角、標簽數(shù)量；EMI和穩(wěn)定性測試包括復雜電磁干擾測試等。用到的儀器有數(shù)字存儲示波器、矢量分析儀、邏輯測試儀、頻譜分析儀、NRT功率計測試儀。它們對讀寫次數(shù)與數(shù)據(jù)正確率、讀寫器一標簽距離與數(shù)據(jù)正確率、天線發(fā)射功率與數(shù)據(jù)傳輸距離、天線對信號放大倍數(shù)與信號頻率關(guān)系進行相關(guān)測試與數(shù)據(jù)分析。
    經(jīng)測試，RF放大器對889 MHz信號放大倍數(shù)最大，讀寫器與標簽最大數(shù)據(jù)傳輸速率為240 kbps；傳輸距離在1 m內(nèi)天線發(fā)射功率為1．1 dBm，調(diào)整發(fā)射功率，最大傳輸距離可達3 m?；贗S018000-6C標準射頻標簽協(xié)議RFID便攜式系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，只需USB與PC機連接便可實現(xiàn)讀寫器與PC機數(shù)據(jù)通信，簡單、方便、可靠，可用于工業(yè)控制、消費類電子、食品安全追蹤、現(xiàn)代物流、校園一卡通等場所。