基于FPGA的超高頻讀寫器設(shè)計(jì)

文章出處：http://m.botanicstilllife.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月17日

　　引言
 
　　射頻識別(RFID)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，它利用天線來傳輸射頻信號，利用空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸供電，并進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，而達(dá)到自動識別目標(biāo)并交換數(shù)據(jù)的目的。與傳統(tǒng)的條形碼識別方式相比，射頻識別技術(shù)能對移動的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識別，而且還具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、數(shù)據(jù)加密等優(yōu)點(diǎn)。因而RHD技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、物流管理、門禁系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。相對而言，UHF頻段的發(fā)展遠(yuǎn)沒有低頻和高頻段成熟，而UHF頻段的讀寫距離遠(yuǎn)和更快的讀取速度讓其在國際物流、公路自動收費(fèi)等領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢，目前已成為RFID技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)主流發(fā)展方向。

　　1 讀寫器的整體結(jié)構(gòu)

　　本文提出的基于物流管理的讀寫器工作在UHF91 5MHz頻率下。FPGA是大規(guī)模可編程器件中的另一大類PLD(programmable logic device)器件，既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，又克服了普通ASIC設(shè)計(jì)周期長、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)，逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計(jì)的首選。奧地利微電子公司的AS3990射頻收發(fā)器產(chǎn)品適用于UHF頻段，針對便攜、固定、近距或遠(yuǎn)距應(yīng)用進(jìn)行了個(gè)性優(yōu)化，多種產(chǎn)品可采用同一種軟件接口。它是一款高度集成的UHF讀寫器芯片，包括AFE、數(shù)據(jù)幀、編碼／解碼，支持MCU和電源管理，支持密集讀寫模式，天線驅(qū)動用OOK、ASIC或PR-ASK調(diào)制，創(chuàng)新化的雙輸入接收器可以消除通信盲區(qū)。該芯片是64引腳QFN封裝，并支持目前業(yè)界最低功耗BOM(Bill of Material，物料清單)的解決方案，所以是講究功耗成本的應(yīng)用首選。AS3990繼承了EPC Classl Gen2(ISO 18000-6C)協(xié)議引擎，其高速的數(shù)據(jù)處理能力可以完成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀的處理，而且在Direct Data Mode模式下還可以實(shí)現(xiàn)ISO 18000-6A和ISO 18000-6B協(xié)議。為了減輕處理器的工作負(fù)擔(dān)并保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流以及正確的協(xié)議處理，AS3990采用了一個(gè)12字節(jié)的FIFO寄存器來管理數(shù)據(jù)幀。內(nèi)置的可編程選項(xiàng)可以使它適合于UHF頻段里的所有應(yīng)用，還可以直接進(jìn)入其內(nèi)置控制寄存器對各種讀寫器參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。
    
　　讀寫器RF前端采用零中頻接收結(jié)構(gòu)。由頻率合成器產(chǎn)生所需要的RF信號，然后經(jīng)過功率分配器得到兩路載波信號，分別用于發(fā)送通路和接收通路。發(fā)送通路采用OOK調(diào)制，基帶信號通過開關(guān)通斷控制載波是否經(jīng)過功放，并用天線發(fā)送；接收通路中接收信號先經(jīng)過功率分配、放大等操作，然后分別送到混頻器和兩路正交的載波信號進(jìn)行混頻，對混頻之后的信號經(jīng)過濾波、放大等操作恢復(fù)出數(shù)字基帶信號。該系統(tǒng)之所以采用兩路正交混頻結(jié)構(gòu)，主要是為了避免射頻場中存在接收盲點(diǎn)。如果只采用一路接收信號，當(dāng)接收信號的相位和本振信號的相位相差90°，混頻后的信號始終為0，即有用信號沒有解調(diào)出來。但采用正交I和Q兩路接收信號，無論相位延時(shí)多少，I和Q中總有一路能解調(diào)出有用信號。 
   
　　AS3990芯片與控制器之間的接口可以采用串行數(shù)據(jù)接口，為了采用較高的傳輸速率時(shí)也可以采用并行接口。本設(shè)計(jì)采用FPGA與AS3990芯片的并行連接通信，AS3990的IO0-I07、IRQ、CLK、VCC，CLSYS接口與FPGA相連接，如圖1所示，其中IRQ為中斷，IO0-I07為數(shù)據(jù)的雙向并行口。芯片內(nèi)部有32個(gè)寄存器用來實(shí)現(xiàn)其傳輸協(xié)議和監(jiān)測工作狀態(tài)，通過對內(nèi)部寄存器的設(shè)置，來控制芯片的傳輸模式、調(diào)制方式、傳輸速率等。在常規(guī)工作模式下，即支持ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)的編碼與解碼，CRC校驗(yàn)碼的生成和校驗(yàn)都是在芯片內(nèi)部完成的，還有自動產(chǎn)生幀同步、引導(dǎo)碼，將從MCU傳遞的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀格式后再發(fā)送，且發(fā)送和接收都是通過FIFO寄存器傳輸?shù)?。而在直接?shù)據(jù)模式下，數(shù)據(jù)的編解碼和CRC校驗(yàn)碼的生成與校驗(yàn)都在芯片外部實(shí)現(xiàn)，而且發(fā)送和接收只能直接地、無緩沖地從FIFO中輸出碼流，可以用該模式來實(shí)現(xiàn)ISO 18 000-6B、6A協(xié)議等。

　　2 讀寫器數(shù)字基帶部分設(shè)計(jì)
    
　　數(shù)字部分由控制器、存儲器組成，主要完成命令信號的發(fā)送和數(shù)字邏輯的控制，并且實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信和對RF模塊的控制。

　　2．1 RF部分初始化
    
　　該部分主要是完成對AS3990芯片內(nèi)部寄存器的配置。
    
　　芯片上電復(fù)位以后，配置寄存器初始化為其默認(rèn)值，使芯片可以在EPC Class1 Gen2協(xié)議下工作，但為了使芯片的工作性能達(dá)到最優(yōu)化或者實(shí)現(xiàn)ISO／IEC18000-6A、6B協(xié)議等，則必須重新配置寄存器的值。主要實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容的配置：
    
　　(1)AS3990有兩種工作模式，分別支持和實(shí)現(xiàn)不同的協(xié)議，為常規(guī)數(shù)據(jù)模式(Normal Data Mode)和直接數(shù)據(jù)模式(Direct Data Mode)。在常規(guī)數(shù)據(jù)模式中，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是通過內(nèi)部FIFO寄存器傳輸?shù)?，所有?shù)據(jù)的處理過程都是在芯片內(nèi)部完成的。在直接數(shù)據(jù)模式中，數(shù)據(jù)處理是在芯片外部實(shí)現(xiàn)的，由控制部分完成，可以利用該模式來實(shí)現(xiàn)ISO 18000-6A、6B協(xié)議等。
    
　　(2)選擇系統(tǒng)工作頻率。AS3990芯片規(guī)定的UHF讀寫器工作頻率是860～960MHz，我們可以根據(jù)具體情況和實(shí)際應(yīng)用來設(shè)定其工作頻率。
    
　　(3)設(shè)定傳輸速率，包括讀寫器到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)速率和標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)速率。其中讀寫器到標(biāo)簽的比特率范圍為26．7～128kbps，標(biāo)簽到讀寫器的傳輸速率在40～640kHz之間。
    
　　(4)選擇編碼方式和調(diào)制方式。根據(jù)協(xié)議規(guī)定，讀寫器前向鏈路采用PIE編碼、ASK調(diào)制方式。反向鏈路的編碼方式有兩種選擇，F(xiàn)M0編碼和Miller編碼方式；調(diào)制方式也有兩種，為ASK調(diào)制和PSK調(diào)制方式。其中反向鏈路調(diào)制方式的選擇由生產(chǎn)廠商決定。如圖2為初始化模塊的
仿真圖。

　　2．2 讀寫器命令
    
　　在AS3990芯片內(nèi)部，已經(jīng)集成了一些常用到的命令：軟件初始化命令(83)、FIFO寄存器復(fù)位命令(8F)、帶CRC校驗(yàn)的發(fā)送命令(90)、Qu-ery命令(98)、QueryRep命令(99)等，在需要使用這些命令時(shí)，只要直接調(diào)用這些命令碼即可。而其他一些沒有集成到芯片內(nèi)部的命令就需要用軟件來實(shí)現(xiàn)，包括選擇命令Select，還有一些讀命令Read、寫命令Write等。

　　對于沒有集成在芯片內(nèi)部的命令，就需要用軟件來完成其命令格式，不過校驗(yàn)碼的產(chǎn)生、命令前導(dǎo)碼、命令的編碼都在芯片內(nèi)部完成。圖3所示為Select命令的軟件發(fā)送格式。首先是起始條件(FF)，然后是FIFO寄存器復(fù)位命令(8F)，帶CRC校驗(yàn)的發(fā)送命令(90)；再是命令格式，要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，最后是數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)從微控制器發(fā)送給AS3990芯片以后，首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部FIFO寄存器，加上CRC校驗(yàn)碼、前導(dǎo)碼，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼，以數(shù)據(jù)幀的格式經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送出去。 

　　對于集成在芯片內(nèi)部的命令，只要發(fā)送命令碼，芯片會自動將命令以數(shù)據(jù)幀的格式經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送出去。如圖4為Query的命令發(fā)送格式。 

　　只有芯片的工作模式設(shè)置為常規(guī)數(shù)據(jù)模式時(shí)，才能使用芯片內(nèi)部集成命令。在直接數(shù)據(jù)模式下，所有的命令格式都由控制器完成。

　　2．3 讀寫器的防沖突
    
　　RFID系統(tǒng)中，多標(biāo)簽引起的沖突是影響系統(tǒng)效率的難題，傳統(tǒng)的概率性防沖突算法采用的是幀時(shí)隙Aloha算法或動態(tài)幀時(shí)隙Aloha算法等。但這些算法都存在系統(tǒng)識別效率不高等問題。當(dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)大于幀時(shí)隙數(shù)時(shí)，發(fā)生碰撞的時(shí)隙數(shù)增多，讀寫器不能完成標(biāo)簽的讀取：當(dāng)標(biāo)簽數(shù)遠(yuǎn)小于幀時(shí)隙數(shù)時(shí)，空閑時(shí)隙增多而導(dǎo)致時(shí)隙浪費(fèi)，這些都是導(dǎo)致系統(tǒng)效率不高的根本原因。鑒于以上的弊端，本文提出了一種基于幀時(shí)隙Aloha的改進(jìn)型算法，核心思想是將標(biāo)簽識別分為兩個(gè)步驟，即沖突檢測和數(shù)據(jù)讀取。其中沖突檢測是為了檢測一個(gè)識別周期中的標(biāo)簽發(fā)生沖突的情況。數(shù)據(jù)讀取是根據(jù)沖突檢測的情況，允許無沖突的標(biāo)簽和閱讀器完成通信。

　　通常，在幀時(shí)隙Aloha算法中，當(dāng)系統(tǒng)標(biāo)簽數(shù)量變得很大時(shí)，系統(tǒng)效率就開始下降。當(dāng)讀寫器設(shè)置幀的長度(包含的時(shí)隙數(shù))為Nt，響應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)為n時(shí)，則有r個(gè)標(biāo)簽選擇同一個(gè)應(yīng)答時(shí)隙的概率服從二項(xiàng)分布．
    
　　因此，當(dāng)r=1時(shí)表示標(biāo)簽選擇無碰時(shí)隙的概率。在一個(gè)周期中預(yù)期成功讀取的標(biāo)簽數(shù) 
    
　　系統(tǒng)效率的計(jì)算公式如下：
　　系統(tǒng)效率=一個(gè)周期中預(yù)期讀取的標(biāo)簽數(shù)／當(dāng)前的幀的長度=N／N，
　　從上式中可以計(jì)算出系統(tǒng)效率的最大值的位置。從而可以推導(dǎo)出，當(dāng)幀的長度為Nt時(shí)，效率最高的標(biāo)簽響應(yīng)數(shù)為： 
    
　　從上式可以得出，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)和幀時(shí)隙長度大體相當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)效率將變得最大。與圖5所示一致。

　　為使系統(tǒng)效率最高，必須使幀時(shí)隙數(shù)等于參與循環(huán)的標(biāo)簽數(shù)。每幀時(shí)隙數(shù)可以根據(jù)標(biāo)簽數(shù)的變化及時(shí)調(diào)整，使得標(biāo)簽數(shù)量與幀時(shí)隙數(shù)匹配。在開始一個(gè)新的循環(huán)時(shí)，讀寫器要對參與循環(huán)的標(biāo)簽數(shù)進(jìn)行估計(jì)，如果所估計(jì)的標(biāo)簽數(shù)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，那么算法的效率就會發(fā)生大幅的下降。通過對上一個(gè)周期通信所獲取的空的時(shí)隙數(shù)、發(fā)生碰撞的時(shí)隙數(shù)和只有一個(gè)標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)來估計(jì)標(biāo)簽的數(shù)量，由估計(jì)的標(biāo)簽的數(shù)量來及時(shí)調(diào)整下一幀的長度。由于當(dāng)外圍標(biāo)簽數(shù)量與幀時(shí)隙數(shù)偏離較大時(shí)，系統(tǒng)效率會急劇下降，所以通過幀時(shí)隙改進(jìn)型算法能夠把系統(tǒng)的效率控制在34．6％～36．8％范圍內(nèi)，從而大幅提高了系統(tǒng)的識別效率。在實(shí)際的RFID系統(tǒng)中，被正確識別的標(biāo)簽將不再響應(yīng)讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸請求，同樣，成功傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)簽也不再響應(yīng)讀寫器的請求。因此前一幀中沒有被識別的標(biāo)簽數(shù)為N=2．93c。其中c表示發(fā)生碰撞的時(shí)隙數(shù)。通過對未識別的標(biāo)簽數(shù)進(jìn)行估計(jì)，選擇最佳的幀時(shí)隙長度，從而使每個(gè)循環(huán)周期中響應(yīng)標(biāo)簽數(shù)與幀時(shí)隙數(shù)相匹配，從而大幅度提高了系統(tǒng)的效率。

　　3 總結(jié)
    
　　本文選用FPGA芯片與AS3990射頻收發(fā)芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離UHF RFID讀寫器，標(biāo)簽識別距離達(dá)到3～4m，已基本滿足應(yīng)用要求。并提出了一種幀時(shí)隙Aloha防碰撞的改進(jìn)型算法。通過動態(tài)地調(diào)整幀時(shí)隙數(shù)與外圍標(biāo)簽數(shù)相匹配，使讀寫器系統(tǒng)的讀取效率維持在34.6％～36.8％范圍內(nèi)，大幅度提高了系統(tǒng)的讀取效率。