基于FPGA的RFID板級(jí)標(biāo)簽設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧方東,謝澤明,伍繼雄

摘 要:在分析射頻識(shí)別原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,討論超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)中電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)技術(shù),并采用EP1C6Q240FPGA對(duì)超高頻電子標(biāo)簽進(jìn)行了板級(jí)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。利用Verilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽數(shù)字電路,并在板級(jí)標(biāo)簽中進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽讀寫(xiě)功能,讀寫(xiě)性能優(yōu)異,為下一步設(shè)計(jì)出符合該標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽芯片提供了有力保證。

關(guān)鍵詞:RFID;板級(jí)標(biāo)簽;FPGA;狀態(tài)機(jī);ISO18000-6C

中圖分類(lèi)號(hào):TP3681文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)12-019-03

Design and Implement of RFID Tag on Board Level Based on FPGA

DENG Fangdong1,XIE Zeming1,WU Jixiong2

(1.Electronic and Information College,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China;

2.No.7 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Guangzhou,510310,China)

Abstract:Based on analysis of the basic principle and characteristics of RFID,tag design technology of RFID system is discussed in detail.The UHF tag on board level using EP1C6Q240FPGA is designed and implemented,tag digital circuit is implemented using Verilog and it is validated in tag on board level.Test results show that the design is based on ISO18000-6C standard,has good performance,and can ensure the chip design of tag with ISO18000-6C standard strongly.

Keywords:RFID;tag on board level;FPGA;state machine;ISO18000-6C

0 引 言

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)是一種新興的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù),在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)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[1]。它利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信,以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的目的,可用來(lái)跟蹤并管理幾乎所有的物理對(duì)象。RFID電子標(biāo)簽已經(jīng)成為21 世紀(jì)全球自動(dòng)識(shí)別技術(shù)發(fā)展的主要方向[2]。目前,RFID已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,且有國(guó)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(shí)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(diǎn)是速度快,可以同時(shí)讀取的標(biāo)簽數(shù)量多,理論上能讀到1 000多個(gè)標(biāo)簽;功能強(qiáng),具有多種寫(xiě)保護(hù)方式;安全性強(qiáng)。

在我國(guó),由于射頻識(shí)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(chē)輛管理、門(mén)禁管理等。目前,超高頻射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用在我國(guó)正處于初級(jí)發(fā)展階段,國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有成熟的超高頻電子標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)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(jì)了實(shí)現(xiàn)超高頻電子標(biāo)簽驗(yàn)證平臺(tái)的整體電路。重點(diǎn)討論基于EP1C6Q240FPGA的數(shù)字基帶部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后給出了該平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果,驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

1 電子標(biāo)簽的工作原理

射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由讀寫(xiě)器(Reader) 和射頻標(biāo)簽(RFID Tag)構(gòu)成。附著在待識(shí)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(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息。讀寫(xiě)器可無(wú)接觸地讀出標(biāo)簽中所存的電子數(shù)據(jù)或者將信息寫(xiě)入標(biāo)簽,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)物體的自動(dòng)識(shí)別和管理。讀寫(xiě)器與射頻標(biāo)簽按照約定的通信協(xié)議采用先進(jìn)的射頻技術(shù)互相通信,其基本通信過(guò)程如下[3]。

(1) 讀寫(xiě)器作用范圍內(nèi)的標(biāo)簽接收讀寫(xiě)器發(fā)送的載波能量,上電復(fù)位;

(2) 標(biāo)簽接收讀寫(xiě)器發(fā)送的命令并進(jìn)行操作;

(3) 讀寫(xiě)器發(fā)出選擇和盤(pán)存命令對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別,選定單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行通信,其余標(biāo)簽暫時(shí)處于休眠狀態(tài);

(4) 被識(shí)別的標(biāo)簽執(zhí)行讀寫(xiě)器發(fā)送的訪問(wèn)命令,并通過(guò)反向散射調(diào)制方式向讀寫(xiě)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息,進(jìn)入睡眠狀態(tài),此后不再對(duì)讀寫(xiě)器應(yīng)答;

(5) 讀寫(xiě)器對(duì)余下標(biāo)簽繼續(xù)搜索,重復(fù)(3),(4)分別喚醒單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取,直至識(shí)別出所有標(biāo)簽。

標(biāo)簽向讀寫(xiě)器傳送數(shù)據(jù)是通過(guò)反向散射調(diào)制技術(shù),對(duì)于無(wú)源電子標(biāo)簽,其本身沒(méi)有足夠的發(fā)射能量,所以通過(guò)改變天線的匹配阻抗控制天線的反射強(qiáng)弱,阻抗不匹配時(shí)天線反射率很大,阻抗匹配時(shí)天線反射率很小,以此來(lái)表示輸出信號(hào)的有無(wú)。

2 ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)

ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)[4]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(xiě)器發(fā)出的功率并能夠與讀寫(xiě)器通信。

調(diào)制 讀寫(xiě)器應(yīng)采用DSB-ASK,SSB-ASK或PR-ASK調(diào)制方式進(jìn)行通信。標(biāo)簽應(yīng)該能夠解調(diào)上述3種類(lèi)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(xiě)器能夠解調(diào)上述2種調(diào)制。

數(shù)據(jù)編碼 讀寫(xiě)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FM0 基帶或Miller 調(diào)制。讀寫(xiě)器發(fā)出編碼選擇的命令。

數(shù)據(jù)速率 讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率根據(jù)Tari值進(jìn)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(gè)公式共同決定:

LF=DR/TRcal(1)

1.1RTcal≤TRcal≤3RTcal(2)

3 RFID板級(jí)標(biāo)簽驗(yàn)證平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

板級(jí)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(jí)電子標(biāo)簽驗(yàn)證平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 板級(jí)標(biāo)簽驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

模擬射頻部分采用分立元件實(shí)現(xiàn),完成射頻信號(hào)的接收,來(lái)自RFID讀寫(xiě)器的信號(hào)通過(guò)天線和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過(guò)915 MHz的聲表面濾波器濾波,進(jìn)行包絡(luò)檢波后,通過(guò)一個(gè)運(yùn)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(shí)現(xiàn),完成ISO18000-6C協(xié)議處理,EP1C6Q240FPGA接收來(lái)自前端的TTL電平,完成PIE解碼、CRC校驗(yàn)、命令解析、狀態(tài)轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、FM0編碼等功能。FM0編碼通過(guò)反相散射調(diào)制輸出,改變天線的反射阻抗實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字基帶部分的設(shè)計(jì)在Altera公司的EP1C6Q240FPGA上實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)協(xié)議內(nèi)容的深入研究,實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽數(shù)字部分采用Top-down的設(shè)計(jì)方法,首先對(duì)電路功能進(jìn)行詳細(xì)描述,按照功能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分; 再用Verilog硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行RTL代碼設(shè)計(jì)。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(yàn)(Cyclic Redundancy Check,CRC) 校驗(yàn)?zāi)K、狀態(tài)機(jī)模塊、CRC產(chǎn)生模塊、存儲(chǔ)器、編碼模塊和時(shí)鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調(diào)出的命令信號(hào),根據(jù)協(xié)議中規(guī)定的命令格式將信號(hào)譯碼成標(biāo)簽數(shù)字部分可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù),并發(fā)送到CRC校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)機(jī)模塊。CRC校驗(yàn)?zāi)K對(duì)收到的命令進(jìn)行完整性校驗(yàn),若確認(rèn)為有效命令,則觸發(fā)狀態(tài)機(jī)模塊,控制標(biāo)簽執(zhí)行相應(yīng)操作,如讀寫(xiě)存儲(chǔ)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(yàn)碼,然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)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(jìn)行處理后,再采用射頻技術(shù)發(fā)送給讀寫(xiě)器。

圖2 數(shù)字基帶部分結(jié)構(gòu)框圖

4 測(cè)試結(jié)果

QuartusⅡ 6.0是Altera FPGA/CPLD的綜合性集成設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)集成了設(shè)計(jì)輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線與實(shí)現(xiàn)、時(shí)序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計(jì)流程所需的工具。Verilog HDL程序在Quartus Ⅱ 6.0環(huán)境下編譯、仿真和下載,板級(jí)標(biāo)簽經(jīng)過(guò)總體設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、代碼設(shè)計(jì)、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(xiě)器(Cetc7 Rfid Reader V 1.0)進(jìn)行通信,快速準(zhǔn)確地收發(fā)信息,并實(shí)現(xiàn)防沖突功能。圖3顯示板級(jí)標(biāo)簽?zāi)軌蚪獯a來(lái)自閱讀器的命令信息,在狀態(tài)機(jī)的控制下,正確地輸出FM0編碼信號(hào)。圖4顯示板級(jí)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(cè)試表明,板級(jí)標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)中的讀寫(xiě)功能,標(biāo)簽工作性能穩(wěn)定,可靠性都能達(dá)到預(yù)期的效果。

圖3 由FPGA輸出的FM0編碼波形

(標(biāo)簽發(fā)出的帶前同步碼的16位隨機(jī)數(shù))

圖4 閱讀器正確讀取到的板級(jí)標(biāo)簽信息

5 結(jié) 語(yǔ)

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(guò)總體設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、代碼設(shè)計(jì)、仿真與下載,以及系統(tǒng)調(diào)試后,完成了基于FPGA的板級(jí)標(biāo)簽的軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試,已能夠正常工作,讀寫(xiě)性能優(yōu)異,并實(shí)現(xiàn)了防沖突功能。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步提高其安全性和可靠性,所設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)中,為下一步設(shè)計(jì)出符合該標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽芯片提供了有力的保證。

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