便攜式超高頻RFID讀寫(xiě)器的FPGA實(shí)現

摘要：設計了基于ISO18000-6C標準的USB2．0數據通信協(xié)議便攜式射頻讀寫(xiě)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。經(jīng)測試，系統收發(fā)頻率為889 MHz，最高數據傳輸速率為240 kbps，天線(xiàn)發(fā)射功率為1．1 dBm，讀寫(xiě)器穩定傳輸距離為1 m，數據傳輸準確，系統讀寫(xiě)穩定可靠，抗干擾能力強，適用于各種復雜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)行雙向數據傳輸的一種非接觸式射頻自動(dòng)識別技術(shù)。RFID系統具有使用壽命長(cháng)、低功耗、數據傳輸快速、穩定、安全、可靠，適應性和抗干擾性強等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)控制、消費類(lèi)電子、醫療電子、現代物流和校園一卡通等方面。RFID技術(shù)是現代物聯(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)現大規模應用，大多數屬于中、低頻數據傳輸，距國外先進(jìn)技術(shù)還有一段距離。本文重點(diǎn)介紹基于A(yíng)ltera公司Cyclone系列FPGA和ISO1800 0-6C標準超高頻RFID讀寫(xiě)器的軟硬件實(shí)現方法。

1 系統原理和結構
1．1 RFID系統原理
典型RFID系統由讀寫(xiě)器(Reader)、射頻標簽(RFIDTag)、天線(xiàn)(Antenna)、中間件(Middle Ware)和應用程序(Application Ware)5部分組成。RFID系統結構框圖如圖1所示。讀寫(xiě)器安裝在固定位置，通過(guò)USB與PC連接，實(shí)現數據通信與讀寫(xiě)，讀寫(xiě)器對射頻標簽操作實(shí)現用戶(hù)數據更新與存儲。由于系統基于ISO18000-6C標準，射頻標簽要符合該標準，實(shí)現用戶(hù)數據存儲；讀寫(xiě)器由編解碼電路、數據存儲電路、射頻前端收發(fā)電路、天線(xiàn)、電源電路等構成；天線(xiàn)接收和發(fā)送超高頻微波信號；中間件、中間信息和數據處理軟件，對射頻讀寫(xiě)器和中間件事件過(guò)濾、聚合和計算，抽象出對應用軟件有邏輯意義的算法；應用程序直接面對用戶(hù)人機交互界面。由應用軟件操作讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器收發(fā)微波信號修改用戶(hù)射頻標簽，應用軟件是用戶(hù)體驗和判斷RFID系統成功的一個(gè)重要因素。

1．2 RFID讀寫(xiě)器原理
基于FPGA RFID讀寫(xiě)器可分為3個(gè)模塊：FPGA最小系統、USB串行總線(xiàn)接口電路、RF信號收發(fā)電路。FPGA最小系統包含FPGA現場(chǎng)可編程邏輯陣列、JTAG配置電路、系統時(shí)鐘電路、數據存儲電路、顯示電路、電源電路。RFID讀寫(xiě)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寸共陰數碼管，外接5 V直流電源，經(jīng)兩級LM1085轉換為3．3 V和1．5 V電壓，為FPGA內核和引腳供電。數據存儲芯片選用Catalyst公司CMOS技術(shù)芯片EEPROMCAT24WC02，通過(guò)I2C總線(xiàn)與FPGA連接。USB串行總線(xiàn)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(guò)SPI總線(xiàn)與FPGA連接。
在RFID系統中，讀寫(xiě)器是連接射頻標簽和PC機客戶(hù)端的核心，通過(guò)對讀寫(xiě)器命令操作，實(shí)現用戶(hù)數據修改、存儲等操作。RFID讀寫(xiě)器與標簽數據傳輸可以分為從讀寫(xiě)器到標簽前向鏈路和標簽到讀寫(xiě)器后向鏈路，前向鏈路與后向鏈路采用半雙工方式通信，數據傳輸采用ASK調制，前向鏈路采用PIE碼，后向鏈路采用Miller碼，系統采用CRC-16校驗碼和特殊防沖突算法保證讀寫(xiě)正確。RFID通信可分為2步：閱讀器首先獲得在輻射范圍內標簽ID號，然后對ID號符合要求的標簽進(jìn)行讀寫(xiě)相應操作。讀寫(xiě)器與上位機USB數據通信，通過(guò)USB設備枚舉完成HID人機接口設備識別和數據讀寫(xiě)。