基于FPSLIC的UHF頻段RFID閱讀器的實現(xiàn)

通常，RFID系統(tǒng)由電子標簽(tag)、閱讀器(reader)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)這三個主要部分組成，如圖1所示。

    電子標簽部分又可以細分為標簽天線和標簽芯片兩部分。每個電子標簽都含有唯一的識別碼，用來表示電子標簽所附著的物體。當電子標簽接收到閱讀器的發(fā)射信號的時候，電子標簽被喚醒，然后根據(jù)閱讀器發(fā)射的指令完成相應(yīng)的動作，并將響應(yīng)信息發(fā)射回給閱讀器。電子標簽上有數(shù)KB的存儲單元，可以反復(fù)讀寫10,000次以上。

    閱讀器也可以細分為閱讀器天線和閱讀器兩部分。閱讀器通過發(fā)射信號喚醒和傳送指令給電子標簽，并接收標簽返回的信號。在初步的過濾、處理信號之后，將有用的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)交互，從而完成對電子標簽的信息獲取和解析。

    數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以由簡單的小型數(shù)據(jù)庫擔當，也可以是集成了RFID管理模塊的大型ERP數(shù)據(jù)庫管理軟件。它通過網(wǎng)絡(luò)與分散在異地的閱讀器通信，實時獲取閱讀器捕獲到的電子標簽信息。

    按頻段RFID產(chǎn)品可以分為低頻125KHz、高頻13.56MHz、超高頻915MHz以及微波頻段2.45GHz和5.8GHz。本文實現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的UHF頻段(915MHz)RFID閱讀器。UHF閱讀器兼容識別ISO18000-6和ANSI256的無源RFID標簽，可根據(jù)發(fā)射功率調(diào)整識別距離。閱讀器識別無源RFID標簽可達5～10米的識別距離，50張標簽/秒，并采用了RFID信號防沖撞算法，可以同時識別同一區(qū)域內(nèi)多張RFID標簽。

 圖1 RFID系統(tǒng)構(gòu)成

         圖2主控板框圖

本設(shè)計方案可以廣泛應(yīng)用在以下領(lǐng)域：

1．制造業(yè)，實現(xiàn)精細制造，提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

2．企業(yè)供應(yīng)鏈管理，有效控制企業(yè)庫存量，降低市場風(fēng)險，提高盤點效率。

3．倉儲物流業(yè)和交通運輸，物流全過程的跟蹤監(jiān)控，提高調(diào)度的準確性和效率。

 
基于FPSLIC的設(shè)計

FPSLIC就是在基于SRAM的SoC中嵌入AVR MCU內(nèi)核和FPGA門陣列邏輯。AVR、FPGA、SRAM模塊之間的接口已經(jīng)實現(xiàn)，而且可以配置，可以節(jié)省2000~5000門。一個FPSLIC里有10000～ 40000門的FPGA、一個單片機、一個儲存器、多種外圍設(shè)備和現(xiàn)成的接口。其低價格的軟件包括：設(shè)計主控流程、綜合驗證、布線工具以及硬件和軟件的仿真。

    嵌入在FPSLIC 里的MCU為Atmel的AVR。它是一個8Bit RISC的MCU，可以執(zhí)行的單時鐘指令可達120多條，AVR代碼效率和性能跟一般8位的MCU相比凸顯優(yōu)越。當把它嵌入以SRAM為主的FPSLIC時，更可表現(xiàn)其三大特點 ：提高速度、降低功耗、程序存儲量降低。

    嵌入在FPSLIC 中的FPGA為Atmel的AT40K系列。該系列FPGA內(nèi)有10ns的分布式SRAM，它可以異步操作，也可以同步操作。AT40K的設(shè)計是用VHDL/Verilog或畫圖的方式在計算機上形成的。由于AT40K還可以當作DSP的協(xié)處理器使用?？蛻艨梢园岩恍┬枰焖賵?zhí)行的功能在FPGA里實現(xiàn)，比如FIR、FFT、interpolators 和DCT，從而使得該FPGA能很好地應(yīng)用在多媒體、電信和工業(yè)控制等領(lǐng)域。

    AT94K40的內(nèi)部程序/數(shù)據(jù)SDRAM分為3塊：10K×16位專用程序存儲器(地址范圍：0x0000~0x27ff)；4K×8位專用數(shù)據(jù)存儲器(0x0000~0x0fff)；6K×16位或12K×8位可配置存儲器。

    開發(fā)軟件采用System Designer 3.0。硬件和軟件同步仿真。

    本設(shè)計的主控板框圖如圖2所示。

    本方案的具體設(shè)置包括：

1.現(xiàn)在使用的設(shè)置為16K×16位的程序存儲器，4K×8位的數(shù)據(jù)存儲器。在4K×8位專用數(shù)據(jù)存儲器(0x0000~0x0fff)中包含了64個AVR I/O寄存器。其中AVR與FPGA的通信中使用到了以下寄存器:

FISCR:FPGA I/O選擇控制寄存器

FISUA～D:FPGA I/O選擇、中斷控制寄存器

    2. 考慮到需要以80KHz頻率發(fā)送OOK信號，通常的4MHz的板上晶振在不分頻的情況下使用匹配中斷(匹配值為50)，才勉強實現(xiàn)，但由于指令執(zhí)行周期(0.25s)太長，實際發(fā)送OOK信號時達不到要求的速度。故改用18.432MHz的晶振，匹配值為225。匹配值的計算公式為：匹配值＝晶振頻率/分頻系數(shù)/80KHz。

    3. AVR代碼中使用了Uart0&1的接收/發(fā)送中斷與Timer0的匹配中斷。

    4. 波特率設(shè)置：BAUD＝Fck/16*(UBR+1)，Fck為時鐘頻率，UBR為波特率寄存器高字節(jié)UBRHI和低字節(jié)UBRRn的數(shù)值(0～4095)。下面給出典型值：

Fck=4MHz,UBR=25,BAUD= 9600bps

Fck=18.432MHz,UBR=9,BAUD= 115200bps

    5. 由FPGA實現(xiàn)的功能為：補碼變換，差分處理，FIR低通濾波，歸一化判決，去毛刺，同步提取。

    其中對各步驟簡要說明如下：

a)補碼變換：因為ADC的輸出信號為1ff~000(3~2V), 3ff~200(2~1V)。若要分出信號的正負，就需要本步驟，具體操作為將大于511的輸出減去1024。

b)差分處理：增強信號。

c)FIR低通濾波：去除高頻噪聲。

d)歸一化判決：將A/D采樣得到的電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)?SPAN lang=EN-US>I/O信號。

e)去毛刺：去除毛刺信號。

f)同步提取：提取碼元信號，平均一個碼元擁有4個采樣點。

 
開發(fā)體會

采用FPSLIC開發(fā)優(yōu)勢在于：資源比較豐富，I/O設(shè)置很靈活，有很大的發(fā)揮余地；FPGA的運算速度很快；由于使軟硬件同步仿真，雖然難度大了，但也縮短了開發(fā)周期；總體的性價比好。

    感覺不足的地方有：AVR協(xié)同FPGA工作的速度跟不上，當運作頻繁時總是FPGA等候AVR；System Designer的界面不夠友好，使用起來不太方便；布線的速度慢。

    總體來說，本文利用FPSLIC實現(xiàn)了超高頻段RFID閱讀器，為 FPSLIC在這方面的應(yīng)用打開了思路。

 
參考文獻