便攜式超高頻RFID讀寫器的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了基于ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確，系統(tǒng)讀寫穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種復(fù)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(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N非接觸式射頻自動(dòng)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)控制、消費(fèi)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(shí)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。本文重點(diǎn)介紹基于Altera公司Cyclone系列FPGA和ISO1800 0-6C標(biāo)準(zhǔn)超高頻RFID讀寫器的軟硬件實(shí)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(RFIDTag)、天線(Antenna)、中間件(Middle Ware)和應(yīng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與讀寫，讀寫器對射頻標(biāo)簽操作實(shí)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(shí)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(jì)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(yàn)和判斷RFID系統(tǒng)成功的一個(gè)重要因素。

1．2 RFID讀寫器原理
基于FPGA RFID讀寫器可分為3個(gè)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(shí)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(shí)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(biāo)簽和PC機(jī)客戶端的核心，通過對讀寫器命令操作，實(shí)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(yàn)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(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。