基于FPGA的RFID系統解碼模塊設計

　　RFID技術(shù)(radio frequency identification)是一種非接觸式智能識別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲得相關(guān)信息。整個(gè)識別過(guò)程無(wú)需人工介入，可同時(shí)識別多個(gè)對象并可以識別高速運動(dòng)的物體，操作簡(jiǎn)單，廣泛應用在車(chē)輛自動(dòng)識別系統、物流管理與監控、倉庫管理、門(mén)禁系統以及軍事等領(lǐng)域。

　　RFID系統由三部分組成：讀頭、天線(xiàn)和電子標簽，如圖1所示。

　　其中讀頭是整個(gè)系統的核心部分，控制整個(gè)識別過(guò)程中與標簽之間的通信，并提供與后臺計算機的接口。天線(xiàn)用來(lái)發(fā)送射頻信號給電子標簽，并把電子標簽響應的數據接收回來(lái)。電子標簽存儲著(zhù)目標的信息，它進(jìn)入識別區域時(shí)被天線(xiàn)發(fā)送的射頻信號激活，然后向讀頭返回應答，從而完成一次識別。

　　本文要介紹的解碼模塊是基于ISO/IEC15693標準設計的，實(shí)現了從帶干擾的返回信號(此信號已經(jīng)去掉載波)中精確的提取標簽信息的功能。此設計直接影響識別的準確性。

　　1 ISO/IEC15693協(xié)議

　　ISO/IEC15693協(xié)議是國際化標準組織制定的關(guān)于射頻識別技術(shù)的一項標準，工作頻率為13.56MHz，電子標簽屬于無(wú)源標簽。協(xié)議詳細描述了射頻識別技術(shù)的信號調制方式、讀頭向標簽發(fā)送數據的編碼方式、標簽返回數據的編碼方式以及各種指令包格式和應答包格式。協(xié)議還介紹了電子標簽的防沖撞機制。本文中的標簽返回數據的解碼模塊就是以此協(xié)議為基準設計的，下面詳細介紹標簽向讀頭返回數據的格式。

　　電子標簽首先將原始數據(digital bits，即要返回的標簽信息)進(jìn)行曼徹斯特編碼(manchester bits)，然后再用編碼后的數據信息以FSK方式調制到低速率的子載波423.75kHz和484.28kHz信號上(RF Bits FSK)，即曼徹斯特碼的高電平部分使用484.28kHz方波信號表示，低電平部分使用423.75kHz方波信號表示。最后再由子載波調制到13.56MHz的載波上，以此方式回傳給讀頭。返回信號編碼及子載波形式如圖2所示。

　　為了達到數據的傳輸同步，電子標簽在曼徹斯特碼的起始和結尾分別加入幀頭和幀尾，幀頭部分為11100010，用423.75kHz和484.28kHz信號調制后如圖3所示。幀尾部分為01000111，與幀頭的順序完全相反，調制后如圖4所示。

　　2 解碼模塊的結構及其實(shí)現原理

　　整個(gè)讀頭的結構由模擬電路部分和數字電路部分組成。模擬電路的作用是產(chǎn)生13.56MHz的載波信號、調制發(fā)送信號和解調返回信號。數字電路部分負責數字信號的編解碼。FPGA是數字電路部分的核心，理想情況下返回信號經(jīng)過(guò)模擬電路解調到達FPGA后，其數據格式如圖2中RF Bits FSK所示。但在射頻信號傳輸過(guò)程中和模擬電路的解測過(guò)程中都難免有噪聲干擾，進(jìn)入FPGA的信號實(shí)際上是帶干擾FSK信號。因此必須在解碼模塊中對干擾加以消除，否則會(huì )大大降低電子標簽的識別成功率。解碼模塊共分為八個(gè)部分，如圖5所示，下面將對這些模塊的功能進(jìn)行具體介紹。

　　2.1 FSK信號的還原到曼徹斯特碼

　　按照圖2所示數據格式的逆順序進(jìn)行解碼，首先將RF Bits FSK信號還原為Manchester Bits信弓。此部分由圖5中的倍頻器、周期測量模塊和比較器三個(gè)模塊實(shí)現。在本設計中計數器在高頻時(shí)鐘信號(本設計采用100MHz時(shí)鐘信號)的驅動(dòng)下，測量FSK信號中相鄰的兩個(gè)信號上升沿之間的計數值，依此來(lái)區分423.75kHz和484.28kHz兩個(gè)頻率的信號。

　　首先為了提高計數的精度，將50M的系統時(shí)鐘經(jīng)過(guò)FPGA中的DCM模塊倍頻成100MHz，然后由此時(shí)鐘來(lái)驅動(dòng)周期測量模塊，來(lái)計算RF Bits FSK兩個(gè)相鄰上升沿之間(即RF Bits FSK的一個(gè)周期)的計數值，再通過(guò)比較器與門(mén)限比較來(lái)確定是423.75kHz或484.28kHz的信號。若是423.75kHz信號，則100M時(shí)鐘在其一個(gè)周期內計數值為236，若是484.28kHz信號，計數值為206，所以選擇折中門(mén)限為221。計數值大于此門(mén)限則認為此RF Bits FSK周期是423.75kHz信號，用低電平表示，小于此門(mén)限則為484.28kHz信號，用高電平表示。理想情況下解調后的信號就是曼徹斯特碼，如圖6所示。

　　但是一般情況下，此時(shí)的信號都是帶有干擾的，用真實(shí)數據仿真結果如圖7中的Disturbed_code所示，在信號中會(huì )有很有窄的脈沖出現。

　　2.2 去干擾處理

　　由于Disturbed_code是帶干擾的曼徹斯特碼，所以在進(jìn)行曼徹斯特解碼之前必須對數據進(jìn)行消除干擾的處理，否則會(huì )導致曼徹斯特解碼的錯誤。去干擾的原理是在取得幀同步以后使用430kHz(由50MHz時(shí)鐘分頻得到)時(shí)鐘對Disturted_code信號進(jìn)行采樣，每個(gè)曼徹斯特碼周期采樣8次，每采樣8次判斷一次采樣值中1的個(gè)數，若1的個(gè)數大于等于5則認為此曼徹斯特碼周期內的數據為1，否則為0。這里是考慮在一個(gè)曼徹斯特碼周期(曼徹斯特碼頻率為53.4kHz)內脈沖干擾只是很窄的一部分，所以我們將一個(gè)曼徹斯特碼周期分為8個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段采樣一次來(lái)判斷是1還是0，若8個(gè)時(shí)間段內1的個(gè)數多則此周期的曼徹斯特碼為1，同理0的個(gè)數多則判為0。用430kHz是因為一個(gè)曼徹斯特碼周期正好為8個(gè)430kHz脈沖周期。當然，此判斷方法會(huì )使信號有一定的延遲，但時(shí)間很短，不影響識別速度。去干擾之后便得到純凈的曼徹斯特碼，結果如圖7所示。

　　2.3 幀頭檢測

　　本設計中使用的去除干擾的方法是建立在準確識別數據幀頭的基礎之上的，所以在進(jìn)行去干擾處理之前必須進(jìn)行幀頭檢測，精確的幀頭檢測對識別的正確性影響很大。SOF檢測模塊實(shí)現了幀頭檢測的功能?？紤]到幀頭部分也會(huì )有干擾，本設計采用下面的相關(guān)算法來(lái)識別幀頭。具體實(shí)現算法如下：

　　其中X[71：0]為一個(gè)72位的移位寄存器，以480kHz(此頻率時(shí)鐘正好將一個(gè)曼徹斯特碼周劃分為9個(gè)時(shí)間段)的頻率將Disturbed_code移入其中，⊙為按位同或，ffffffe0000003fe00H是理想情況下幀頭(11100010)經(jīng)過(guò)480kHz采樣速率采樣所得到的值。當Z為最大值時(shí)，說(shuō)明此時(shí)接收的幀頭與期望值匹配達到最佳，這就準確的找到了幀頭的位置。仿真結果如圖8所示。

　　2.4 曼徹斯特解碼

　　經(jīng)過(guò)前面的處理，我們已經(jīng)得到理想的曼徹斯特碼，下面介紹曼徹斯特解碼模塊的解碼過(guò)程。前面已經(jīng)取得了幀同步，現在從第一個(gè)Manchester_code數據位的中間位置開(kāi)始，以53.4kHz(此頻率為1個(gè)曼徹斯特碼周期)的頻率將Manchester code移入串行移位寄存器N[1：0]中，采用下述方法實(shí)現解碼。

　　每2個(gè)53.4kHz信號周期判斷一飲K的數值，當K=2時(shí)輸出解碼數據為1(曼徹斯特碼10表示原碼1)，k=0時(shí)輸出解碼數據為0(即曼徹斯特碼為01，表示原碼0)，每16個(gè)53.4kHz信號周期便可以得到一個(gè)字節的標簽數據。這樣直到幀尾出現便完成了曼徹斯特的解碼工作。

　　曼徹斯特解碼后的數據同時(shí)送往圖5中CRC校驗模塊進(jìn)行校驗和標簽信息數據棧進(jìn)行存儲。若CRC校驗正確，則會(huì )給出一個(gè)Data_ok的信號通知其它部分來(lái)讀取此標簽信息數據棧中的數據。到此為止便完成了整個(gè)上行信號的解碼工作。其真實(shí)數據的仿真結果如圖9所示。

　　此設計經(jīng)過(guò)FPGA的驗證，并結合本課題組成員的模擬電路部分實(shí)現了RFID系統的正常工作，標簽檢測準確，讀取速度快，每秒可以讀50張標簽，雙天線(xiàn)作用距離可達1.5m。

　　RFID系統采用非接觸式射頻識別技術(shù)，識別速度快、安全性高，應用于超市、礦下工人身份識別等領(lǐng)域可大大提高效率和安全性，所以RFID有著(zhù)廣泛的應用前景。