基于FPGA的RFID無(wú)線(xiàn)通信系統的實(shí)現

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，電子信息技術(shù)越來(lái)越快地普及到各行各業(yè)的應用中去。傳統的物流信息采集工作方式是通過(guò)工作人員將票物進(jìn)行核對，然后將票上的數據輸入到計算機中。這一過(guò)程費時(shí)費力，并且可能由于各種人為過(guò)失造成各種各樣錯誤數據的存在，影響所采集信息的可靠性。而自動(dòng)識別技術(shù)利用計算機進(jìn)行自動(dòng)識別，增加了輸入的靈活性與準確性，使人們擺脫繁雜的統計識別工作，并且大大提高了物流信息采集的工作效率。目前，由沃爾瑪、麥德隆等大超市一手推動(dòng)的RFID應用，為零售業(yè)帶來(lái)包括降低勞動(dòng)力成本、商品的可視度提高，降低因商品斷貨造成的損失，減少商品偷竊現象等好處。其可應用的過(guò)程包括：商品的銷(xiāo)售數據實(shí)時(shí)統計，補貨，防盜等。本文利用RFID技術(shù)，用FPGA芯片與NRF905搭建了無(wú)線(xiàn)通信系統，成功的實(shí)現了無(wú)線(xiàn)收發(fā)數據。

　　1 系統設計

　　1.1 RFID簡(jiǎn)介

　　RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別技術(shù))是利用無(wú)線(xiàn)電波對記錄媒體進(jìn)行讀/寫(xiě)。射頻識別的距離可達幾十厘米至幾米，且根據讀/寫(xiě)的方式，可以輸入數千字節的信息，同時(shí)，還具有極高的保密性。射頻識別技術(shù)適用的領(lǐng)域：物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數據采集和交換的場(chǎng)合，要求頻繁改變數據內容的場(chǎng)合尤為適用。如香港的車(chē)輛自動(dòng)識別系統駕易通，采用的主要技術(shù)就是射頻技術(shù)。射頻技術(shù)在其他物品的識別自動(dòng)化管理方面也得到了較廣泛的應用。

　　如圖1所示即為本無(wú)線(xiàn)系統的整個(gè)構架，由控制模塊，SPI模塊以及天線(xiàn)模塊構成。其中對SPI模塊的配置由控制模塊通過(guò)Wishbone總線(xiàn)來(lái)完成，并且對天線(xiàn)模塊的配置，模式轉換，收發(fā)數據等操作均由控制模塊通過(guò)SPI總線(xiàn)來(lái)完成。下面將就各個(gè)部分進(jìn)行說(shuō)明。

　　1.2 天線(xiàn)模塊(NRF905收發(fā)模塊)

　　1.2.1 NRF905介紹

　　NRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9～3.6 V，32引腳QFN封裝，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM頻道?？梢宰詣?dòng)完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)的工作，可由片內硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便，功耗低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12.5 mA。

　　NRF905有ShockBurst接收與ShockBurst發(fā)送兩種工作模式;掉電和SPI編程與Standby和SPI編程兩種節電模式。其ShoekBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導碼和CRC，可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行編程配置。NRF905的工作模式由對TRX_CE，TX_EN，PWR_UP的設置來(lái)設置，見(jiàn)表1。

　　1.2.2 NRF905配置與工作過(guò)程

　　nRF905的所有配置都通過(guò)SPI接口進(jìn)行。SPI接口由5個(gè)寄存器組成，一條SPI指令用來(lái)決定進(jìn)行什么操作。SPI接口只有在掉電模式和Standby"模式是激活的。

　　其中SPI接口的5個(gè)寄存器分別為：

　　(1)狀態(tài)寄存器：寄存器包含數據就緒DR和地址匹配AM狀態(tài)。

　　(2)RF配置寄存器：寄存器包含收發(fā)器的頻率、輸出功率等配置信息。

　　(3)發(fā)送地址：寄存器包含目標器件地址，字節長(cháng)度由配置寄存器設置。

　　(4)發(fā)送有效數據：寄存器包含發(fā)送的有效Shock Burst數據包數據，字節長(cháng)度由配置寄存器設置。

　　(5)接收有效數據：寄存器包含接收到的有效ShockBurst數據包數據，字節長(cháng)度由配置寄存器設置。在寄存器中的有效數據由數據準備就緒DR指示。

　　ShoekBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數據傳輸，而不需要高速控制器來(lái)進(jìn)行數據處理或時(shí)鐘覆蓋。通過(guò)將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內，nRF905提供給應用控制器一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設定的接口速度決定。nRF905通過(guò)ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數字應用部分的速度來(lái)降低在應用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX(接收)模式中，地址匹配AM和數據準備就緒DR信號通知控制器一個(gè)有效的地址和數據包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst TX(發(fā)送)模式中，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒DR信號通知控制器數據傳輸已經(jīng)完成。

　　1.3 SPI模塊

　　1.3.1 SPI總線(xiàn)介紹

　　SPI(Serial Parallel Bus)總線(xiàn)是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設接口，容許CPU與各種外圍接口器件，以串行方式進(jìn)行通信。它使用4條線(xiàn)：串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCK)、主機輸入/從機輸出線(xiàn)(MISO)、主機輸出/從機輸入線(xiàn)(MOSI)、低電平有效的使能信號線(xiàn)(SS)。這樣，僅需3～4根數據線(xiàn)和控制線(xiàn)即可擴展具有SPI接口的各種I/0器件。

　　SPI總線(xiàn)模式的數據是以字節為單位進(jìn)行傳輸的(一次傳輸可以傳多個(gè)字節)，每字節為8位，每個(gè)命令或者數據塊都是字節對齊的(8個(gè)時(shí)鐘的整數倍)。數據按位傳輸，高位在前，地位在后，為全雙工通信，數據傳輸速度總體來(lái)說(shuō)比I2C總線(xiàn)要快，速度可達到每秒幾兆比特。SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個(gè)主器件和一個(gè)或多個(gè)從器件。在本文設計的無(wú)線(xiàn)通信系統中，由FPGA實(shí)現的SPI總線(xiàn)接口模塊為主機，NRF905的SPI模塊為從機。

　　SPI時(shí)序模式的選擇：

　　SPI接口有4種不同的數據傳輸時(shí)序，取CPOL和CPHL這兩位的組合。CPOL是用來(lái)決定SCK時(shí)鐘信號空閑時(shí)的電平;CPOL=O，空閑電平為低電平，CPOL=1時(shí)，空閑電平為高電平。CPHA是用來(lái)決定采樣時(shí)刻的，CPHA=0，在每個(gè)周期的第一個(gè)時(shí)鐘沿采樣;CPHA=1，在每個(gè)周期的第二個(gè)時(shí)鐘沿采樣。