基于FPGA技術(shù)的RFID標簽設計

射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術(shù)是一種新興的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理、防偽及軍事等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應用前景。它利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數據通信，以達到目標識別并交換數據的目的，可用來(lái)跟蹤并管理幾乎所有的物理對象。RFID電子標簽已經(jīng)成為21世紀全球自動(dòng)識別技術(shù)發(fā)展的主要方向。目前，RFID已經(jīng)得到了廣泛應用，且有國際標準 ISO10536，ISO14443，ISO15693，ISO18000，EPCGlobal等幾種。其中，ISO18000-6C屬于超高頻射頻識別技術(shù)標準，它融合了EPCC1G2標準。該標準的特點(diǎn)是速度快，可以同時(shí)讀取的標簽數量多，理論上能讀到1000多個(gè)標簽；功能強，具有多種寫(xiě)保護方式；安全性強。

　　在我國，由于射頻識別技術(shù)起步較晚，應用的領(lǐng)域不是很廣，主要的應用是基于中低頻的應用，包括車(chē)輛管理、門(mén)禁管理等。目前，超高頻射頻識別技術(shù)及其應用在我國正處于初級發(fā)展階段，國內目前還沒(méi)有成熟的超高頻電子標簽芯片設計技術(shù)。

　　在此，首先介紹電子標簽的工作原理及ISO18000-6C標準，并根據ISO18000-6C標準，設計了實(shí)現超高頻電子標簽驗證平臺的整體電路。重點(diǎn)討論基于EP1C6Q240FPGA的數字基帶部分設計與實(shí)現。最后給出了該平臺的測試結果，驗證了平臺設計的正確性和可靠性。

　　1 電子標簽的工作原理射頻識別系統通常由讀寫(xiě)器（Reader）和射頻標簽（RFIDTag）構成。附著(zhù)在待識別物體上的射頻標簽內存有約定格式的電子數據，作為待識別物品的標識性信息。讀寫(xiě)器可無(wú)接觸地讀出標簽中所存的電子數據或者將信息寫(xiě)入標簽，從而實(shí)現對各類(lèi)物體的自動(dòng)識別和管理。讀寫(xiě)器與射頻標簽按照約定的通信協(xié)議采用先進(jìn)的射頻技術(shù)互相通信，其基本通信過(guò)程如下。

　?。?）讀寫(xiě)器作用范圍內的標簽接收讀寫(xiě)器發(fā)送的載波能量，上電復位；（2）標簽接收讀寫(xiě)器發(fā)送的命令并進(jìn)行操作；（3）讀寫(xiě)器發(fā)出選擇和盤(pán)存命令對標簽進(jìn)行識別，選定單個(gè)標簽進(jìn)行通信，其余標簽暫時(shí)處于休眠狀態(tài)；（4）被識別的標簽執行讀寫(xiě)器發(fā)送的訪(fǎng)問(wèn)命令，并通過(guò)反向散射調制方式向讀寫(xiě)器發(fā)送數據信息，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此后不再對讀寫(xiě)器應答；（5）讀寫(xiě)器對余下標簽繼續搜索，重復（3），（4）分別喚醒單個(gè)標簽進(jìn)行讀取。直至識別出所有標簽。

　　標簽向讀寫(xiě)器傳送數據是通過(guò)反向散射調制技術(shù)，對于無(wú)源電子標簽，其本身沒(méi)有足夠的發(fā)射能量，所以通過(guò)改變天線(xiàn)的匹配阻抗控制天線(xiàn)的反射強弱，阻抗不匹配時(shí)天線(xiàn)反射率很大，阻抗匹配時(shí)天線(xiàn)反射率很小，以此來(lái)表示輸出信號的有無(wú)。

　　2 ISO18000-6C標準ISO18000-6c標準為：

　　工作頻率標簽應能夠在 860～960MHz的頻率范圍內接收從讀寫(xiě)器發(fā)出的功率并能夠與讀寫(xiě)器通信。

　　調制讀寫(xiě)器應采用DSB- ASK，SSB-ASK或PR-ASK調制方式進(jìn)行通信。標簽應該能夠解調上述3種類(lèi)型的調制。標簽反向散射應采用ASK或PSK調制。標簽商選擇調制形式。讀寫(xiě)器能夠解調上述2種調制。

　　數據編碼讀寫(xiě)器到標簽的鏈路應采用 PIE編碼，標簽將反射散射的數據編為該數據速率的副載波FMO基帶或Miller調制。讀寫(xiě)器發(fā)出編碼選擇的命令。

　數據速率讀寫(xiě)器到標簽的數據速率根據Tari值進(jìn)行選擇，數據速率可以從40～640Kb/s。標簽的反射速率由下面兩個(gè)公式共同決定：

　　3 RFID板級標簽驗證平臺的總體設計與實(shí)現板級標簽主要由模擬射頻和數字處理2部分組成。圖1為板級電子標簽驗證平臺的結構框圖。

　　模擬射頻部分采用分立元件實(shí)現，完成射頻信號的接收，來(lái)自RFID讀寫(xiě)器的信號通過(guò)天線(xiàn)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，經(jīng)過(guò)915MHz的聲表面濾波器濾波，進(jìn)行包絡(luò )檢波后，通過(guò)一個(gè)運放構成的一階有源低通濾波器，再由電壓比較器完成高低電平的判決。數字部分由EP1C6Q240FPGA實(shí)現，完成ISO18000-6C協(xié)議處理，EP1C6Q240FPGA接收來(lái)自前端的TTL電平，完成PIE解碼、CRC校驗、命令解析、狀態(tài)轉移、數據存儲、FMO編碼等功能。FMO編碼通過(guò)反相散射調制輸出，改變天線(xiàn)的反射阻抗實(shí)現。

　　數字基帶部分的設計在A(yíng)ltera 公司的EP1C6Q240FPGA上實(shí)現。經(jīng)過(guò)對協(xié)議內容的深入研究，實(shí)現標簽數字部分采用Top-down的設計方法，首先對電路功能進(jìn)行詳細描述，按照功能對整個(gè)系統進(jìn)行模塊劃分；再用Vexilog硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行RTL代碼設計。數字基帶結構框圖如圖2所示，它包括譯碼模塊、循環(huán)冗余校驗（CyclicRedundancyCheck，CRC）校驗模塊、狀態(tài)機模塊、CRC產(chǎn)生模塊、存儲器、編碼模塊和時(shí)鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調出的命令信號，根據協(xié)議中規定的命令格式將信號譯碼成標簽數字部分可識別的二進(jìn)制數據，并發(fā)送到CRC校驗模塊和狀態(tài)機模塊。CRC校驗模塊對收到的命令進(jìn)行完整性校驗，若確認為有效命令，則觸發(fā)狀態(tài)機模塊，控制標簽執行相應操作，如讀寫(xiě)存儲器、防沖突控制等。處理完成后，則將要發(fā)送的數據送至 CRC：產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應的CRC校驗碼，然后將要發(fā)送的數據和校驗碼一起送至編碼模塊，最后由編碼模塊以特定的脈沖形式發(fā)送給模擬部分進(jìn)行處理后，再采用射頻技術(shù)發(fā)送給讀寫(xiě)器。

　　4 測試結果QuartusⅡ6.0是AlteraFPGA/CPLD的綜合性集成設計平臺。該平臺集成了設計輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線(xiàn)與實(shí)現、時(shí)序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設計流程所需的工具。VerilogHDL程序在QuartusⅡ6.O環(huán)境下編譯、仿真和下載，板級標簽經(jīng)過(guò)總體設計、PCB板設計與實(shí)現、代碼設計、仿真與下載，以及系統調試后，能夠與支持ISO18000-6C標準的讀寫(xiě)器（Cetc7RlidReaderV1.O）進(jìn)行通信，快速準確地收發(fā)信息，并實(shí)現防沖突功能。圖3顯示板級標簽能夠解碼來(lái)自閱讀器的命令信息，在狀態(tài)機的控制下，正確地輸出FM0編碼信號。圖4顯示板級標簽能夠支持ISO18000-6C標準的閱讀器正確讀?。ㄗx取到的EPC碼與標簽一致），讀取效果良好（73次/10s），讀取性能穩定。測試表明，板級標簽能夠實(shí)現ISO18000-6C標準中的讀寫(xiě)功能，標簽工作性能穩定，可靠性都能達到預期的效果。

　　5 結語(yǔ)

根據ISO18000-6C標準，采用EP1C6Q240FPGA以及模擬射頻分立元件，經(jīng)過(guò)總體設計、PCB板設計與實(shí)現、代碼設計、仿真與下載，以及系統調試后，完成了基于FPGA的板級標簽的軟、硬件設計與實(shí)現。該系統通過(guò)測試，已能夠正常工作，讀寫(xiě)性能優(yōu)異，并實(shí)現了防沖突功能。在此基礎上可以進(jìn)一步提高其安全性和可靠性，所設計的標簽數字電路RTL代碼能夠直接應用到標簽芯片開(kāi)發(fā)中，為下一步設計出符合該標準的電子標簽芯片提供了有力的保證。