便攜式超高頻RFID讀寫器的FPGA實現(xiàn)※

晏勇

（阿壩師范高等?？茖W(xué)校 電子信息工程系，郫縣 611741）

晏勇（講師），研究方向為射頻技術(shù)、FPGA與嵌入式系統(tǒng)。

引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是利用微波進(jìn)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(yīng)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)［1］。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(yīng)用，大多數(shù)屬于中、低頻數(shù)據(jù)傳輸，距國外先進(jìn)技術(shù)還有一段距離［2］。本文重點介紹基于Altera公司Cyclone系列FPGA和ISO18000－6C標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)簽（RFID Tag）、天線（Antenna）、中間件（Middle Ware）和應(yīng)用程序（Application Ware）5部分組成［3］。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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，射頻標(biāo)簽要符合該標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用軟件有邏輯意義的算法；應(yīng)用程序直接面對用戶人機(jī)交互界面。由應(yīng)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(biāo)簽，應(yīng)用軟件是用戶體驗和判斷RFID系統(tǒng)成功的一個重要因素［4］。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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，20MHz有源時鐘晶振，0.3寸共陰數(shù)碼管，外接5V直流電源，經(jīng)兩級LM1085轉(zhuǎn)換為3.3V和1.5V電壓，為FPGA內(nèi)核和引腳供電［5］。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(biāo)簽和PC機(jī)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(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸可以分為從讀寫器到標(biāo)簽前向鏈路和標(biāo)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［6］。RFID通信可分為2步：閱讀器首先獲得在輻射范圍內(nèi)標(biāo)簽ID號，然后對ID號符合要求的標(biāo)簽進(jìn)行讀寫相應(yīng)操作。讀寫器與上位機(jī)USB數(shù)據(jù)通信，通過USB設(shè)備枚舉完成HID人機(jī)接口設(shè)備識別和數(shù)據(jù)讀寫。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 Cyclone EP1C3T144FPGA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(fù)位電路、配置電路、濾波電路。現(xiàn)場可編程門陣列采用EP1C3T144［7］。它基于1.5V，0.13μm全銅SRAM工藝、TQFP144封裝；104個I／O口，支持各種I／O標(biāo)準(zhǔn)；支持LVDS，數(shù)據(jù)傳輸率為311Mbps；2910LE邏輯單元、288Kb RAM、1個PLL鎖相環(huán)，支持66MHz 32位PCI標(biāo)準(zhǔn)，支持外接133MHz DDR SDROM；單獨有源時鐘接口，外接20MHz頻率的有源晶振；專用配置電路接口，3.3VLVTTL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(fù)位：硬件復(fù)位接FPGA nconfig引腳，按下此鍵FPGA代碼從EEPROM重新配置；軟件復(fù)位是編寫代碼時設(shè)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(hù)功能，SOP8封裝。它還具有讀寫次數(shù)多、保存時間長、功耗低［8］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［9］，兼容＋5V和＋3.3V供電，最大工作電流為30mA，外接12MHz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(shè)備熱插熱拔，內(nèi)置USB底層通信協(xié)議，自動完成標(biāo)準(zhǔn)USB事件枚舉；支持?jǐn)?shù)據(jù)控制傳輸、批量傳輸、終端傳輸；默認(rèn)鏈接端點0所有事件，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸與處理，使用方便，CH372硬件接口［10］電路如圖3所示。

圖2 24C02硬件接口電路

圖3 CH372硬件接口電路

2.3 CC1100RF收發(fā)電路

CC1100是一款極低功耗UHF收發(fā)集成電路［11］。其通信效果好、抗干擾性能強、穿透力強、靈敏度高；可自由設(shè)置收發(fā)頻率，可設(shè)置范圍為300～348MHz、400～464 MHz、800～928MHz，可編程控制數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)500kbps，4線SPI（SI、SO、SCLK、CSn）接口。CC1100正常工作電壓為3.3V，最高輸入電壓3.6V，每個引腳輸入電壓應(yīng)相同。868～915MHz發(fā)送模式輸出功率為＋10dBm，電流為30mA，接收最大功率為＋10dBm，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(shè)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(jī)工作模式［12］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(jìn)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RXFIFO、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(yīng)電流不同。空閑狀態(tài)可分為等待WAIT狀態(tài)，內(nèi)部電流1.9mA；睡眠SLEEP狀態(tài)，內(nèi)部電流400～900nA；晶振的停振狀態(tài)僅維持寄存器值不變，內(nèi)部電流160nA；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14.2～15.4mA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。14mA時發(fā)射功率為－10dBm，29mA時發(fā)射功率為＋20dBm。根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整工作電流，可實現(xiàn)整機(jī)最低功耗。

由于采用ISO18000－6C標(biāo)準(zhǔn)射頻空中接口協(xié)議，系統(tǒng)采用889MHz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50Ω偶極子天線［13］。12、13引腳LC網(wǎng)絡(luò)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。

圖4 CC1100數(shù)據(jù)收發(fā)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 RF收發(fā)芯片CC1100軟件設(shè)計

CC1100操作包括芯片數(shù)據(jù)讀寫、寄存器與命令濾波器設(shè)置訪問、數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)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(dǎo)、同步數(shù)據(jù)、標(biāo)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［14］。其中前導(dǎo)數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)通過CC1100寄存器設(shè)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(shè)置或配置寄存器。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所列。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

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(dāng)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)。CC1100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(shè)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(dāng)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(shè)置當(dāng)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(shè)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(jìn)和MDMCFG4.DRATE＿E配置寄存器和晶振頻率設(shè)置，先設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸速率和晶振頻率，計算出MDMCFG3.DRATE＿M(jìn) 和 MDMCFG4.DRATE＿E配置寄存器值［15］。

3.2 ISO18000－6C空中接口協(xié)議［16］

傳輸頻率范圍：860～960MHz。

調(diào)制方式：ASK，每個信道500kHz，可設(shè)置52個信道，標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽數(shù)量；EMI和穩(wěn)定性測試包括復(fù)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－標(biāo)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(jìn)行相關(guān)測試與數(shù)據(jù)分析。

經(jīng)測試，RF放大器對889MHz信號放大倍數(shù)最大，讀寫器與標(biāo)簽最大數(shù)據(jù)傳輸速率為240kbps；傳輸距離在1m內(nèi)天線發(fā)射功率為1.1dBm，調(diào)整發(fā)射功率，最大傳輸距離可達(dá)3m?；贗SO18000－6C標(biāo)準(zhǔn)射頻標(biāo)簽協(xié)議RFID便攜式系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，只需USB與PC機(jī)連接便可實現(xiàn)讀寫器與PC機(jī)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。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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