超高頻RFID讀寫(xiě)器基帶模塊原理是怎樣的

1 引言

近年來(lái)，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）作為自動(dòng)識(shí)別的新技術(shù)憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展。其應(yīng)用廣泛，在人和動(dòng)物身份識(shí)別、物流管理、交通運(yùn)輸管理、資料及檔案存儲(chǔ)、工廠的生產(chǎn)控制等諸多領(lǐng)域均凸顯其作用和優(yōu)勢(shì)。按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)町以分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波等不同頻段的系統(tǒng)，低頻與高頻系統(tǒng)較成熟。超高頻技術(shù)則剛開(kāi)始進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，其技術(shù)水平還沒(méi)有達(dá)到成熟的地步。對(duì)于此頻段讀寫(xiě)器的研究和設(shè)計(jì)具有較大的意義。

本文依據(jù)ISO/IEC18000-6協(xié)議，利用FPGA與單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于超高頻RFID讀寫(xiě)器的基帶模塊，對(duì)此類(lèi)讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

2 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID系統(tǒng)一般包括射頻標(biāo)簽，讀寫(xiě)器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分。射頻標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，是安裝在被識(shí)別對(duì)象上，存儲(chǔ)被識(shí)別對(duì)象相關(guān)信息的電子裝置。讀寫(xiě)器是利用射頻技術(shù)讀取射頻識(shí)別標(biāo)簽信息、或?qū)⑿畔?xiě)入標(biāo)簽的電子設(shè)備。讀寫(xiě)器讀出的標(biāo)簽信息通過(guò)訃算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。射頻識(shí)別系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和通信傳輸?shù)脑O(shè)備。

2.2 RFID系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)足南信息載體和信息獲取裝置組成。RFID系統(tǒng)的基本模型如圖1所示。其中，射頻標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體;讀寫(xiě)器足標(biāo)簽信息的讀取裝置。射頻標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空中耦合、在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。

3 RFID讀寫(xiě)器的結(jié)構(gòu)

從電路實(shí)現(xiàn)角度來(lái)說(shuō)，讀寫(xiě)器可劃分為兩大部分，即：射頻模塊與基帶模塊。

射頻模塊主要由調(diào)制解調(diào)電路模塊及天線組成，主要功能有兩個(gè)。一是實(shí)現(xiàn)將讀寫(xiě)器欲發(fā)往射頻標(biāo)簽的命令調(diào)制到射頻信號(hào)上，經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送到射頻標(biāo)簽上，而射頻標(biāo)簽對(duì)照射的其上的射頻信號(hào)作出響應(yīng)。二是實(shí)現(xiàn)將射頻標(biāo)簽返回到讀寫(xiě)器的回波信號(hào)進(jìn)行加工處理。并從中解調(diào)提取出射頻標(biāo)簽回送的數(shù)據(jù)。

基帶模塊主要南讀寫(xiě)器控制模塊、編解碼模塊及數(shù)據(jù)校驗(yàn)等模塊組成，主受功能也自。兩個(gè)，一是接收上位機(jī)或鍵盤(pán)輸入的命令，作必要的處理后進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)為便于調(diào)制到射頻信號(hào)上的編碼調(diào)制信號(hào)。二是將標(biāo)簽回送列射頻模塊后經(jīng)過(guò)解調(diào)處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解碼和必要的處理，然后將結(jié)果送上位機(jī)、顯示器或存儲(chǔ)器。各模塊之間的信息傳輸和命令控制關(guān)系如網(wǎng)2所示。

依據(jù)ISO/IECl8000-6協(xié)議，超高頻讀寫(xiě)器應(yīng)支持二種通訊類(lèi)型，A類(lèi)和B類(lèi)。它應(yīng)當(dāng)可以從一個(gè)類(lèi)型轉(zhuǎn)換成另一個(gè)類(lèi)型。本文的讀寫(xiě)器通過(guò)單片機(jī)控制其兩種類(lèi)剮通訊方式的轉(zhuǎn)換。

4 UHF RFID讀寫(xiě)器基帶模塊原理與設(shè)計(jì)

4.1 UHF RFID瀆寫(xiě)器基帶模塊功能實(shí)現(xiàn)方法

如圖2，可以將基帶模塊分為兩個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)部分和FPGA部分。FPGA部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3，分為編碼模塊，解碼模塊，CRC模塊以及時(shí)鐘分頻模塊，利用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。主要功能足將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC產(chǎn)牛和編碼然后送調(diào)制模塊后通過(guò)天線發(fā)送給標(biāo)簽以及將解調(diào)后的天線接收回來(lái)的標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和CRC校驗(yàn)。單片機(jī)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的控制以及與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換、將讀寫(xiě)數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信、執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送來(lái)的命令，以及將讀寫(xiě)狀態(tài)通過(guò)LCD顯示，以下重點(diǎn)介紹FPGA部分。

4.2 PIE編碼器的功能及實(shí)現(xiàn)方法

PIE編碼的全稱(chēng)為脈沖寬度編碼，它用在A類(lèi)通訊的前向鏈路中，編碼原理是通過(guò)定義脈沖下降沿之間的不I卅時(shí)間寬度來(lái)表示數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)中定義了一個(gè)名稱(chēng)為‘Tari’的時(shí)間間隔，也稱(chēng)為基準(zhǔn)時(shí)間間隔，該時(shí)間段為相鄰兩個(gè)脈沖下降沿的時(shí)問(wèn)寬度，持續(xù)為207s。由讀寫(xiě)器發(fā)往標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀由SOF（幀首）、EOF（幀尾）、數(shù)據(jù)0和1組成。數(shù)據(jù)0的編碼為1個(gè)‘Tari’時(shí)間段，數(shù)據(jù)1的編碼為2個(gè)‘Tari’時(shí)間段，數(shù)據(jù)幀SOF為3個(gè)‘Tari’時(shí)間段，數(shù)據(jù)幀EOF為4個(gè)‘Tari’時(shí)間段。

當(dāng)上位機(jī)給單片機(jī)指令和信息數(shù)據(jù)后，如圖3.單片機(jī)啟動(dòng)編碼和CRC模塊。即單片機(jī)給編碼模塊和CRC模塊一個(gè)編碼啟動(dòng)指令，編碼模塊接收到啟動(dòng)指令后返同給睢片機(jī)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，單片機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)后將待編碼的信息數(shù)據(jù)送入編碼模塊和CRC模塊。當(dāng)編碼數(shù)據(jù)完成后，立即將產(chǎn)牛的CRC值送入編碼模塊進(jìn)行編碼。編碼輸出每一幀數(shù)據(jù)都由一個(gè)幀首（SOF）、緊接著的數(shù)據(jù)位、最后以幀尾（EOF）結(jié)束組成。編碼模塊具體實(shí)現(xiàn)為：當(dāng)檢測(cè)列NRZ碼輸人為0時(shí)，PIE碼輸出Tari/2長(zhǎng)度的低電平和7Tari/2長(zhǎng)度的高電平，相當(dāng)于NRZ碼的01;當(dāng)檢測(cè)到NRZ碼輸入為1時(shí)，PIE碼輸出Tari/2長(zhǎng)度的低電平和3Tari/2長(zhǎng)度的高電平，相當(dāng)于NRZ碼的0111。同理輸出SOF時(shí)。相當(dāng)于NRZ碼的01011111;輸出EOF時(shí)，相當(dāng)于NRZ碼的01111111。

4.3曼徹斯特編碼器的功能及實(shí)現(xiàn)方法

曼徹斯特編碼，它用在B類(lèi)通訊的前向鏈路中，它是在半個(gè)比特周期的負(fù)邊沿表示二進(jìn)制l，半個(gè)比特周期中的正邊沿表示二進(jìn)制0，如圖4

產(chǎn)生曼徹斯特碼的方法很簡(jiǎn)單，只要將時(shí)鐘與NRZ碼（數(shù)據(jù)）異或后即可。時(shí)鐘南時(shí)鐘分頻模塊產(chǎn)生。單片機(jī)的命令執(zhí)行過(guò)程與上面介紹的操作過(guò)程相同，區(qū)別是上位機(jī)給單片機(jī)下的不同（A類(lèi)或B類(lèi)）通訊方式的命令。

4.4譯碼模塊的功能及實(shí)現(xiàn)方法

依據(jù)ISO/IECl8000-6協(xié)議，超高頻讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間反向鏈路編碼方式采用FM0編碼。所以讀寫(xiě)器解碼模塊是針對(duì)FM0編碼的譯碼模塊。FM0編碼，在半比特周期中的任意的邊沿表示二進(jìn)制0，而沒(méi)有邊沿就是二進(jìn)制1。此外，在每一比特周期開(kāi)始時(shí)，電平都要反相，如圖5

讀寫(xiě)器讀取的FMO編碼信息是由一個(gè)16位的幀頭開(kāi)始，并且有多個(gè)違例碼（順序未遵守FM0編碼規(guī)則）作為幀頭至數(shù)據(jù)域過(guò)渡的幀標(biāo)志。

4.5 CRC模塊的功能和原理

CRC模塊由CRC生成模塊和CRC校驗(yàn)?zāi)K兩個(gè)功能模塊組成。CRC校驗(yàn)?zāi)K主要足在洋碼時(shí)對(duì)收到的命令進(jìn)行完整性校驗(yàn)，從而確定觸發(fā)單片機(jī)對(duì)FPGA的各模塊進(jìn)行控制操作。CRC生成模塊主要是在編碼時(shí)產(chǎn)生CRC值跟隨信息數(shù)據(jù)一起編碼后發(fā)送，當(dāng)數(shù)據(jù)接收到后計(jì)算接收的CRC值，如果結(jié)果為零則數(shù)據(jù)傳輸尤誤，否則傳輸c出錯(cuò)。

根據(jù)協(xié)議，本文設(shè)計(jì)用了CRC-5和CRC-16兩種CRC校驗(yàn)的算法，從數(shù)學(xué)角度看，CRC校驗(yàn)和是用生成多項(xiàng)式去除一個(gè)多項(xiàng)式（數(shù)據(jù)字節(jié)）即可求得，CRC值為相除后所得余項(xiàng)。CRC-5和CRC-16分別對(duì)應(yīng)的生成多項(xiàng)式為x5+x3+l和x16+x12+x5+1。

4.6 R寸鐘分頻模塊功能及實(shí)現(xiàn)方法

時(shí)鐘分頻模塊的功能是產(chǎn)生FPGA各模塊工作和協(xié)調(diào)運(yùn)行所需的時(shí)鐘頻率。FM0編碼和曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率為40Kbps;PIE編碼，1個(gè)‘Tari’時(shí)間是20μs，所以模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率有40KHZ、50KHZ和80KHZ，其中FM0編碼和曼徹斯特編碼都用到40KHZ和80KHZ，因?yàn)樵谶@兩種編碼中，在NRZ編碼數(shù)據(jù)0和1的中間時(shí)刻發(fā)生電平的跳變，50KHZ主要針對(duì)PIE編碼使用。與編碼譯碼以及CRC模塊一樣，時(shí)鐘分頻模塊也是由Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)，其中40KHZ的頻，牢可以由80KHZ的頻率經(jīng)二分頻得到。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文較系統(tǒng)的介紹了依據(jù)ISO/IECl8000-6協(xié)議，將單片機(jī)與FPGA相結(jié)合，設(shè)計(jì)超高頻RFID讀寫(xiě)器基帶模塊的方法，設(shè)計(jì)結(jié)合了單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和控制能力強(qiáng)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集方便，速度高，編寫(xiě)模塊簡(jiǎn)單有效性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)的模塊抗干擾能力強(qiáng)，簡(jiǎn)單可靠，對(duì)此類(lèi)讀寫(xiě)器基帶模塊的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。本文未詳細(xì)介紹讀寫(xiě)器射頻模塊，對(duì)于射頻模塊和基帶模塊的結(jié)合有待進(jìn)一步研究和探討。

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