基于FPGA的RFID讀卡器的完整設計

項目背景及可行性分析

項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況;

項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng )新點(diǎn)的論述;

技術(shù)成熟性和可靠性論述

項目背景：

射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展得很快，產(chǎn)品種類(lèi)也很多，如德州儀器公司（TI）、MOTOROLA、Phllips、EM、iPico等世界著(zhù)名廠(chǎng)家都大亨產(chǎn)RFID產(chǎn)品。他們的產(chǎn)品各有特色，自成系列。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和應用的普及，這些廠(chǎng)家所生產(chǎn)的RFID系統都將向統一的標準過(guò)渡。

射頻識別技術(shù)廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化和交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域：汽車(chē)、火車(chē)等交通監控；高速公路自動(dòng)收費系統；停車(chē)管理系統；物品管理；流水線(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化；安全出入檢查；倉庫管理系統；動(dòng)物管理和車(chē)輛防盜等。

RFID早期應用領(lǐng)域:

由于RFID系統具有非接觸性、可讀寫(xiě)以及可以實(shí)現多標簽同時(shí)識別的特性，因此，RFID系統在工業(yè)、商業(yè)和服務(wù)業(yè)等方面得到了十分廣泛的應用。RFID早期在如下3個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，這3個(gè)領(lǐng)域也是RFID的基本應用領(lǐng)域：

運輸與配送：車(chē)輛

制造與加工：生產(chǎn)自動(dòng)化

安全與認證：人員識別

RFID的高成長(cháng)性應用領(lǐng)域：

動(dòng)物識別

廢棄物管理

會(huì )議與計時(shí)

郵包跟蹤

航空行李跟蹤

收費管理

RFID新興的應用領(lǐng)域：

電子物品監視系統/服裝零售店出口管理

貴重儀器設備的防盜管理、非授權使用管理或者資產(chǎn)管理

過(guò)路過(guò)橋費的自動(dòng)收取

動(dòng)物管理/個(gè)性化喂養

運動(dòng)計時(shí)

車(chē)輛防盜系統和汽車(chē)點(diǎn)火系統

應用和發(fā)展趨勢
當前RFID應用和發(fā)展面臨著(zhù)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是標準、成本、技術(shù)和安全。

1.標準

目前行業(yè)標準以及相關(guān)產(chǎn)品標準還不統一，電子標準簽迄今為止全球也還沒(méi)有正式形成一個(gè)統一的（包括各個(gè)頻段）國際標準。標準（特別是關(guān)于數據格式定義的標準）的不統一是制約RFID發(fā)展的重要因素，而數據格式的標準問(wèn)題又涉及到各個(gè)國家自身的利用和安全。標準的不統一也使當前各個(gè)廠(chǎng)家推出的RFID產(chǎn)品互不兼容，這勢必阻礙了未來(lái)RFID產(chǎn)品的互通和發(fā)展，因此，如何使這些標準相互兼容，讓一個(gè)RFID產(chǎn)品能順利地在民辦范圍中流通是當前重要而緊迫的問(wèn)題。目前，很多國家都正在抓緊時(shí)間制定各自的標準，我國電子標簽技術(shù)還正處在研發(fā)階段。

2.成本

目前美國一個(gè)電子標簽最低的價(jià)格是20美分左右，這樣的價(jià)格是無(wú)法應用于某些價(jià)值較低的單件商品，只有電子標簽的單價(jià)下降到10美分以下，才可能大規模應用于整箱整包的商品。隨著(zhù)技術(shù)的不斷提升和在各大行業(yè)的日益推廣，RFID的各個(gè)組成部分，包括電子標簽、閱讀器和天線(xiàn)等，制造成本都有望大幅度降低。

3. 技術(shù)

雖然在RFID電子標簽的單項技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，但總體上產(chǎn)品技術(shù)還不夠成熟，還存在較高的差錯率（RFID被誤讀的比率有時(shí)高達20%），在集成應用中也還需要攻克大量的技術(shù)難題。

4 .安全

當前廣泛使用的無(wú)源RFID系統還沒(méi)有非?？煽康陌踩珯C制，無(wú)法對數據進(jìn)行很好的保密，RFID數據還容易受到攻擊，主要是因為RFID芯片本身，以及芯片在讀或者寫(xiě)數據的過(guò)程中都很容易被黑客所利用。此外，還有識別率的問(wèn)題，由于液體和金屬制口等對無(wú)線(xiàn)電信號的干擾很大，RFID標簽的準確識別率目前還只有80%左右，離大規模實(shí)際應用所要求的成熟程度也還有一定差距。

從總體上而方，RFID技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨立的跨學(xué)科的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，它將大量來(lái)自完成不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如高頻技術(shù)、電磁兼容性、半導體技術(shù)、數據保護和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)所能應用和發(fā)揮效應的主要方面包括節省人工成本，提高作業(yè)精確性，加快處理速度，有效跟蹤物流動(dòng)態(tài)等，目前RFID技術(shù)已被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。2004年11月初，美國《VAR Vusiness》雜志完成的一項技術(shù)狀況調查報告，評出了2005年“七大熱門(mén)科技走向”，其中把射頻識別技術(shù)（RFID）作為2005年科技業(yè)的突破性技術(shù)。美國沃爾瑪及美國國防部等正在推進(jìn)全面導入RFID的計劃，許多高科技公司也正在開(kāi)發(fā)RFID專(zhuān)用的軟件和硬件，這些公司包括英特爾，微軟，甲骨文和SUN等。ABI估計，到2008年，RFID電子標簽、閱讀器和相關(guān)軟件與服務(wù)的銷(xiāo)售額可望增至30億美元，RFID技術(shù)市場(chǎng)在未來(lái)五年內將有數萬(wàn)億美元的市場(chǎng)空間。

項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況：

項目名稱(chēng)：基于FPGA的RFID讀卡器的設計

項目的主要內容：RFID(無(wú)線(xiàn)射頻識別)技術(shù)，又稱(chēng)為電子標簽或者無(wú)線(xiàn)標簽識別，是一種利用無(wú)線(xiàn)射頻通信實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，被列為21世紀最有前途的重要產(chǎn)業(yè)和應用技術(shù)之一。RFID標簽具有體積小、容量大、壽命長(cháng)、可重復使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫(xiě)、非可視識別、移動(dòng)識別、多目標識別、定位及長(cháng)期跟蹤管理。成本的節約和效率的提升，促使RFID技術(shù)成為各個(gè)行業(yè)實(shí)現信息化的重要切入點(diǎn)。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽， 操作快捷方便。無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)（RFID）的基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電磁耦合或電磁傳播）傳輸特性，實(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別。

RFID技術(shù)的典型應用有：物流和供應管理，生產(chǎn)制造和裝配，航空行李處理，郵件/快運包裹處理，文檔追蹤/圖書(shū)館管理，身份標識。

讀卡器關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1.避免讀卡器沖突

利用讀卡器遇到的一個(gè)問(wèn)題就是，從一個(gè)讀卡器發(fā)出的信號可能與另一個(gè)覆蓋范圍重疊的讀卡器發(fā)出的信號互相干擾。這種現象叫做讀卡器沖突，Auto-ID中心利用一種叫做時(shí)分多址（TDMA）機制來(lái)避免沖突。簡(jiǎn)而言之，就是讀卡器被指示在不同時(shí)段讀取信息，而不是在同一時(shí)刻都試圖讀取信息，這保證了它們不會(huì )互相干擾。但是這意味著(zhù)處于兩個(gè)讀卡器重疊區域的任何一個(gè)RFID 標簽都將被讀取兩次信息，為此開(kāi)發(fā)出了一套刪除冗余信息的系統。

2.避免標簽沖突

讀卡器遇到的另一個(gè)問(wèn)題就是在同一范圍內要讀取多個(gè)芯片的信息，當在同一時(shí)刻超過(guò)一個(gè)芯片向讀卡器返回信號，這樣標簽沖突就發(fā)生了，它使讀卡器不能清晰判斷信息。Auto-ID 中心已經(jīng)采用了一個(gè)標準化的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。讀卡器只要求第一位數符合它所要求的數字的標簽回應讀卡器。從本質(zhì)上來(lái)講，就是，讀卡器提出要求：“產(chǎn)品電子碼以0 開(kāi)頭的標簽回應讀卡器。”如果超過(guò)一個(gè)標簽回應，則讀卡器繼續要求：“產(chǎn)品電子碼以00 開(kāi)頭的標簽回應讀卡器。” 這樣操作直到僅有一個(gè)標簽回應為止。這一過(guò)程非常迅速，一個(gè)讀卡器在1 秒之內可以讀取50 個(gè)標簽的信息。

3 .讀取距離

讀卡器讀取信息的距離取決于讀卡器的能量和使用的頻率。通常來(lái)講，高頻率的標簽有更大的讀取距離，但是它需要讀卡器輸出的電磁波能量更大。一個(gè)典型的低頻標簽必須在一英尺內讀取，而一個(gè)UHF 標簽可以在10 到20 英尺的距離內被讀取。在某些應用情況下，讀取距離是一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，例如有時(shí)需要讀取較長(cháng)的距離。但是較長(cháng)的讀取距離并不一定就是優(yōu)點(diǎn)，如果你在一個(gè)足球場(chǎng)那么大的倉庫里有兩個(gè)讀卡器，你也許知道有哪些存貨，但是讀卡器不能幫你確定某一個(gè)產(chǎn)品的具體位置。對于供應鏈來(lái)講，在倉庫中最好有一個(gè)由許多讀卡器組成的網(wǎng)絡(luò )，這樣它們能夠準確地查明一個(gè)標簽的確切地點(diǎn)。Auto-ID 中心的設計是一種在4 英尺距離內可讀取標簽的靈敏讀卡器。

4.射頻接口

射頻模塊與基帶模塊的接口為調制（裝載）/解調（卸載），在系統實(shí)現中，通常射頻模塊包括調制/解調部分，并且也包括解調之后對回波小信號的必要加工處理（如放大、整形）等。射頻模塊的收發(fā)分離是采用單天線(xiàn)系統時(shí)射頻模塊必須處理好的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

技術(shù)成熟性可靠性：射頻讀卡技術(shù)正在不斷發(fā)展，其讀卡作用距離及讀卡準確程度均在不斷提高。本項目運用精確解調技術(shù)，準確讀出卡內信號，技術(shù)成熟可靠。

項目實(shí)施方案

1.方案基本功能框圖及描述

用框圖的方式并加以簡(jiǎn)單的描述簡(jiǎn)述實(shí)施本項目的技術(shù)方案。

RFID讀寫(xiě)器的結構圖

讀寫(xiě)器系統可以分成兩個(gè)基本的功能模塊，即控制模塊和高頻接口。高頻接口是由接受器和發(fā)送器組成的。讀寫(xiě)器還需要發(fā)射電磁能量的天線(xiàn)。

高頻接口也稱(chēng)為射頻模塊。高頻接口具備的主要功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活射頻標簽并為其提供能量;對發(fā)射信號進(jìn)行調制，用于將數據傳送給射頻標簽；接收并解調來(lái)自射頻標簽的無(wú)線(xiàn)電信號。

在高頻接口中有兩個(gè)分割開(kāi)的信號通道，分別應用于射頻標簽上下行兩個(gè)方向上的數據流。傳送到射頻標簽的數據通過(guò)發(fā)送分支通道來(lái)發(fā)送，而來(lái)自射頻標簽的數據則通過(guò)接受器分支通道來(lái)接收。

高頻接口和控制器之間的九口將高頻接口的狀態(tài)以二進(jìn)制數的形式表示出來(lái)，1表示有高頻信號，0表示沒(méi)有高頻信號。

控制系統也稱(chēng)為讀寫(xiě)模塊?？刂葡到y具有如下功能：與數據管理系統軟件進(jìn)行通信，并執行從數據管理系統軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作命令；控制與射頻標簽的通信過(guò)程；信號的編碼與解碼；執行防碰撞算法；進(jìn)行讀寫(xiě)器和標簽之間的身份驗證。

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺

硬件部分需要一塊V2pro開(kāi)發(fā)板，Xilinx公司ISE6。仿真軟件為Modelsim。設計實(shí)現采取原理圖和VHDL語(yǔ)言相結合的原則。頂層模塊采用Quartus II 6.0設計原理圖，功能模塊采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現。構建一個(gè)比較小型的可編程片上系統。另需要自己制作一些外部電路。

軟件部分需要ISE軟件，以及嵌入式邏輯分析儀功能包。

3.系統最終要達到的性能指標

論述本項目最終完成時(shí)所設想達到的目標。

能準確有效地對目標對象進(jìn)行識別驗證，并做出反應。

需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

子板功能描述、接口說(shuō)明、時(shí)間、方式

子板功能：作為數據采集系統，然后送入FPGA處理。

接口說(shuō)明：RS232

2.測試設備

列出在方案實(shí)施過(guò)程中所需要的測試設備(萬(wàn)用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)

萬(wàn)用表、示波器、電腦

3.仿真、開(kāi)發(fā)工具

列出在方案實(shí)施過(guò)程中所需要的仿真、開(kāi)發(fā)工具等。

ISE、Quartus2軟件平臺