基于FPGA的超高頻讀寫(xiě)器設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月17日

　　引言
 
　　射頻識別(RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，它利用天線(xiàn)來(lái)傳輸射頻信號，利用空間耦合實(shí)現非接觸供電，并進(jìn)行非接觸雙向數據通信，而達到自動(dòng)識別目標并交換數據的目的。與傳統的條形碼識別方式相比，射頻識別技術(shù)能對移動(dòng)的多個(gè)目標進(jìn)行識別，而且還具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(cháng)、讀取距離大、數據加密等優(yōu)點(diǎn)。因而RHD技術(shù)廣泛應用于交通運輸、物流管理、門(mén)禁系統等眾多領(lǐng)域。相對而言，UHF頻段的發(fā)展遠沒(méi)有低頻和高頻段成熟，而UHF頻段的讀寫(xiě)距離遠和更快的讀取速度讓其在國際物流、公路自動(dòng)收費等領(lǐng)域有著(zhù)獨特的優(yōu)勢，目前已成為RFID技術(shù)應用的一個(gè)主流發(fā)展方向。

　　1 讀寫(xiě)器的整體結構

　　本文提出的基于物流管理的讀寫(xiě)器工作在UHF91 5MHz頻率下。FPGA是大規?？删幊唐骷械牧硪淮箢?lèi)PLD(programmable logic device)器件，既繼承了ASIC的大規模、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，又克服了普通ASIC設計周期長(cháng)、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)，逐步成為復雜數字硬件電路設計的首選。奧地利微電子公司的AS3990射頻收發(fā)器產(chǎn)品適用于UHF頻段，針對便攜、固定、近距或遠距應用進(jìn)行了個(gè)性?xún)?yōu)化，多種產(chǎn)品可采用同一種軟件接口。它是一款高度集成的UHF讀寫(xiě)器芯片，包括AFE、數據幀、編碼／解碼，支持MCU和電源管理，支持密集讀寫(xiě)模式，天線(xiàn)驅動(dòng)用OOK、ASIC或PR-ASK調制，創(chuàng )新化的雙輸入接收器可以消除通信盲區。該芯片是64引腳QFN封裝，并支持目前業(yè)界最低功耗BOM(Bill of Material，物料清單)的解決方案，所以是講究功耗成本的應用首選。AS3990繼承了EPC Classl Gen2(ISO 18000-6C)協(xié)議引擎，其高速的數據處理能力可以完成發(fā)送和接收數據幀的處理，而且在Direct Data Mode模式下還可以實(shí)現ISO 18000-6A和ISO 18000-6B協(xié)議。為了減輕處理器的工作負擔并保證穩定的數據流以及正確的協(xié)議處理，AS3990采用了一個(gè)12字節的FIFO寄存器來(lái)管理數據幀。內置的可編程選項可以使它適合于UHF頻段里的所有應用，還可以直接進(jìn)入其內置控制寄存器對各種讀寫(xiě)器參數進(jìn)行微調。
    
　　讀寫(xiě)器RF前端采用零中頻接收結構。由頻率合成器產(chǎn)生所需要的RF信號，然后經(jīng)過(guò)功率分配器得到兩路載波信號，分別用于發(fā)送通路和接收通路。發(fā)送通路采用OOK調制，基帶信號通過(guò)開(kāi)關(guān)通斷控制載波是否經(jīng)過(guò)功放，并用天線(xiàn)發(fā)送；接收通路中接收信號先經(jīng)過(guò)功率分配、放大等操作，然后分別送到混頻器和兩路正交的載波信號進(jìn)行混頻，對混頻之后的信號經(jīng)過(guò)濾波、放大等操作恢復出數字基帶信號。該系統之所以采用兩路正交混頻結構，主要是為了避免射頻場(chǎng)中存在接收盲點(diǎn)。如果只采用一路接收信號，當接收信號的相位和本振信號的相位相差90°，混頻后的信號始終為0，即有用信號沒(méi)有解調出來(lái)。但采用正交I和Q兩路接收信號，無(wú)論相位延時(shí)多少，I和Q中總有一路能解調出有用信號。 
   
　　AS3990芯片與控制器之間的接口可以采用串行數據接口，為了采用較高的傳輸速率時(shí)也可以采用并行接口。本設計采用FPGA與AS3990芯片的并行連接通信，AS3990的IO0-I07、IRQ、CLK、VCC，CLSYS接口與FPGA相連接，如圖1所示，其中IRQ為中斷，IO0-I07為數據的雙向并行口。芯片內部有32個(gè)寄存器用來(lái)實(shí)現其傳輸協(xié)議和監測工作狀態(tài)，通過(guò)對內部寄存器的設置，來(lái)控制芯片的傳輸模式、調制方式、傳輸速率等。在常規工作模式下，即支持ISO 18000-6C標準，傳輸數據的編碼與解碼，CRC校驗碼的生成和校驗都是在芯片內部完成的，還有自動(dòng)產(chǎn)生幀同步、引導碼，將從MCU傳遞的數據轉換成數據幀格式后再發(fā)送，且發(fā)送和接收都是通過(guò)FIFO寄存器傳輸的。而在直接數據模式下，數據的編解碼和CRC校驗碼的生成與校驗都在芯片外部實(shí)現，而且發(fā)送和接收只能直接地、無(wú)緩沖地從FIFO中輸出碼流，可以用該模式來(lái)實(shí)現ISO 18 000-6B、6A協(xié)議等。

　　2 讀寫(xiě)器數字基帶部分設計
    
　　數字部分由控制器、存儲器組成，主要完成命令信號的發(fā)送和數字邏輯的控制，并且實(shí)現與PC機的通信和對RF模塊的控制。

　　2．1 RF部分初始化
    
　　該部分主要是完成對AS3990芯片內部寄存器的配置。
    
　　芯片上電復位以后，配置寄存器初始化為其默認值，使芯片可以在EPC Class1 Gen2協(xié)議下工作，但為了使芯片的工作性能達到最優(yōu)化或者實(shí)現ISO／IEC18000-6A、6B協(xié)議等，則必須重新配置寄存器的值。主要實(shí)現以下內容的配置：
    
　　(1)AS3990有兩種工作模式，分別支持和實(shí)現不同的協(xié)議，為常規數據模式(Normal Data Mode)和直接數據模式(Direct Data Mode)。在常規數據模式中，發(fā)送和接收的數據是通過(guò)內部FIFO寄存器傳輸的，所有數據的處理過(guò)程都是在芯片內部完成的。在直接數據模式中，數據處理是在芯片外部實(shí)現的，由控制部分完成，可以利用該模式來(lái)實(shí)現ISO 18000-6A、6B協(xié)議等。
    
　　(2)選擇系統工作頻率。AS3990芯片規定的UHF讀寫(xiě)器工作頻率是860～960MHz，我們可以根據具體情況和實(shí)際應用來(lái)設定其工作頻率。
    
　　(3)設定傳輸速率，包括讀寫(xiě)器到標簽的數據速率和標簽到讀寫(xiě)器的數據速率。其中讀寫(xiě)器到標簽的比特率范圍為26．7～128kbps，標簽到讀寫(xiě)器的傳輸速率在40～640kHz之間。
    
　　(4)選擇編碼方式和調制方式。根據協(xié)議規定，讀寫(xiě)器前向鏈路采用PIE編碼、ASK調制方式。反向鏈路的編碼方式有兩種選擇，FM0編碼和Miller編碼方式；調制方式也有兩種，為ASK調制和PSK調制方式。其中反向鏈路調制方式的選擇由生產(chǎn)廠(chǎng)商決定。如圖2為初始化模塊的
仿真圖。

　　2．2 讀寫(xiě)器命令
    
　　在A(yíng)S3990芯片內部，已經(jīng)集成了一些常用到的命令：軟件初始化命令(83)、FIFO寄存器復位命令(8F)、帶CRC校驗的發(fā)送命令(90)、Qu-ery命令(98)、QueryRep命令(99)等，在需要使用這些命令時(shí)，只要直接調用這些命令碼即可。而其他一些沒(méi)有集成到芯片內部的命令就需要用軟件來(lái)實(shí)現，包括選擇命令Select，還有一些讀命令Read、寫(xiě)命令Write等。

　　對于沒(méi)有集成在芯片內部的命令，就需要用軟件來(lái)完成其命令格式，不過(guò)校驗碼的產(chǎn)生、命令前導碼、命令的編碼都在芯片內部完成。圖3所示為Select命令的軟件發(fā)送格式。首先是起始條件(FF)，然后是FIFO寄存器復位命令(8F)，帶CRC校驗的發(fā)送命令(90)；再是命令格式，要發(fā)送的數據長(cháng)度，最后是數據。當數據從微控制器發(fā)送給AS3990芯片以后，首先將要發(fā)送的數據存入內部FIFO寄存器，加上CRC校驗碼、前導碼，然后將數據經(jīng)過(guò)編碼，以數據幀的格式經(jīng)過(guò)調制后發(fā)送出去。 

　　對于集成在芯片內部的命令，只要發(fā)送命令碼，芯片會(huì )自動(dòng)將命令以數據幀的格式經(jīng)過(guò)調制后發(fā)送出去。如圖4為Query的命令發(fā)送格式。 

　　只有芯片的工作模式設置為常規數據模式時(shí)，才能使用芯片內部集成命令。在直接數據模式下，所有的命令格式都由控制器完成。

　　2．3 讀寫(xiě)器的防沖突
    
　　RFID系統中，多標簽引起的沖突是影響系統效率的難題，傳統的概率性防沖突算法采用的是幀時(shí)隙Aloha算法或動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙Aloha算法等。但這些算法都存在系統識別效率不高等問(wèn)題。當標簽數遠大于幀時(shí)隙數時(shí)，發(fā)生碰撞的時(shí)隙數增多，讀寫(xiě)器不能完成標簽的讀?。寒敇撕灁颠h小于幀時(shí)隙數時(shí)，空閑時(shí)隙增多而導致時(shí)隙浪費，這些都是導致系統效率不高的根本原因。鑒于以上的弊端，本文提出了一種基于幀時(shí)隙Aloha的改進(jìn)型算法，核心思想是將標簽識別分為兩個(gè)步驟，即沖突檢測和數據讀取。其中沖突檢測是為了檢測一個(gè)識別周期中的標簽發(fā)生沖突的情況。數據讀取是根據沖突檢測的情況，允許無(wú)沖突的標簽和閱讀器完成通信。

　　通常，在幀時(shí)隙Aloha算法中，當系統標簽數量變得很大時(shí)，系統效率就開(kāi)始下降。當讀寫(xiě)器設置幀的長(cháng)度(包含的時(shí)隙數)為Nt，響應的標簽數為n時(shí)，則有r個(gè)標簽選擇同一個(gè)應答時(shí)隙的概率服從二項分布．
    
　　因此，當r=1時(shí)表示標簽選擇無(wú)碰時(shí)隙的概率。在一個(gè)周期中預期成功讀取的標簽數 
    
　　系統效率的計算公式如下：
　　系統效率=一個(gè)周期中預期讀取的標簽數／當前的幀的長(cháng)度=N／N，
　　從上式中可以計算出系統效率的最大值的位置。從而可以推導出，當幀的長(cháng)度為Nt時(shí)，效率最高的標簽響應數為： 
    
　　從上式可以得出，當標簽數和幀時(shí)隙長(cháng)度大體相當時(shí)，系統效率將變得最大。與圖5所示一致。

　　為使系統效率最高，必須使幀時(shí)隙數等于參與循環(huán)的標簽數。每幀時(shí)隙數可以根據標簽數的變化及時(shí)調整，使得標簽數量與幀時(shí)隙數匹配。在開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)時(shí)，讀寫(xiě)器要對參與循環(huán)的標簽數進(jìn)行估計，如果所估計的標簽數與實(shí)際情況相差甚遠，那么算法的效率就會(huì )發(fā)生大幅的下降。通過(guò)對上一個(gè)周期通信所獲取的空的時(shí)隙數、發(fā)生碰撞的時(shí)隙數和只有一個(gè)標簽傳輸數據的時(shí)隙數來(lái)估計標簽的數量，由估計的標簽的數量來(lái)及時(shí)調整下一幀的長(cháng)度。由于當外圍標簽數量與幀時(shí)隙數偏離較大時(shí)，系統效率會(huì )急劇下降，所以通過(guò)幀時(shí)隙改進(jìn)型算法能夠把系統的效率控制在34．6％～36．8％范圍內，從而大幅提高了系統的識別效率。在實(shí)際的RFID系統中，被正確識別的標簽將不再響應讀寫(xiě)器發(fā)送的數據傳輸請求，同樣，成功傳輸數據的標簽也不再響應讀寫(xiě)器的請求。因此前一幀中沒(méi)有被識別的標簽數為N=2．93c。其中c表示發(fā)生碰撞的時(shí)隙數。通過(guò)對未識別的標簽數進(jìn)行估計，選擇最佳的幀時(shí)隙長(cháng)度，從而使每個(gè)循環(huán)周期中響應標簽數與幀時(shí)隙數相匹配，從而大幅度提高了系統的效率。

　　3 總結
    
　　本文選用FPGA芯片與AS3990射頻收發(fā)芯片設計并實(shí)現了遠距離UHF RFID讀寫(xiě)器，標簽識別距離達到3～4m，已基本滿(mǎn)足應用要求。并提出了一種幀時(shí)隙Aloha防碰撞的改進(jìn)型算法。通過(guò)動(dòng)態(tài)地調整幀時(shí)隙數與外圍標簽數相匹配，使讀寫(xiě)器系統的讀取效率維持在34.6％～36.8％范圍內，大幅度提高了系統的讀取效率。