UHF RFID讀寫器具有讀寫距離遠(yuǎn)、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成功運(yùn)用于供應(yīng)鏈管理、航空管理和后勤管理等諸多領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)依據(jù)的協(xié)議是EPC C1G2(EPCClassl Generation2)。

本文介紹了一種讀寫器的編解碼部分由FPGA來完成的設(shè)計(jì)方案，由FPGA負(fù)責(zé)前向鏈路的PIE編碼和后向鏈路的FM0／miller解碼，且解碼模塊可對(duì)標(biāo)簽突發(fā)傳來的數(shù)據(jù)立即檢測并實(shí)施解碼，實(shí)現(xiàn)了較快的解碼速率。FPGA選用的是Altera公司的EP1C3T100C6芯片。

1、RFID系統(tǒng)介紹

圖1所示為RFID系統(tǒng)，主要由PC機(jī)、讀寫器、天線和電子標(biāo)簽組成。讀寫器與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通過天線進(jìn)行傳遞。讀寫器作為RFID系統(tǒng)的一部分，既能與標(biāo)簽通信，又能向PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)并執(zhí)行上位機(jī)所要求的操作，具有發(fā)送、接收和處理數(shù)據(jù)的能力。讀寫器系統(tǒng)按其所處理信號(hào)的不同，主要由2個(gè)部分組成，即處理數(shù)字信號(hào)的基帶部分和處理模擬信號(hào)的射頻部分。

圖1 RFID系統(tǒng)

2、EPC C1G2協(xié)議的相關(guān)介紹

EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)具有如下特點(diǎn)：速度快，速率可達(dá)40～640 kbps；可以同時(shí)讀取標(biāo)簽的數(shù)量多，理論上能讀到1000多個(gè)標(biāo)簽；可在密集的讀寫器環(huán)境下工作，能迅速使用變化無常的標(biāo)簽群；存儲(chǔ)區(qū)域多，可延伸使用用戶的內(nèi)存需求；功能強(qiáng)，具有多種寫保護(hù)方式，安全性強(qiáng)；通用性強(qiáng)，符合EPC規(guī)則；產(chǎn)品價(jià)格低，兼容性好。

2．1 PIE編碼介紹
EPC C1G2協(xié)議規(guī)定發(fā)送鏈路(即讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù))采用的編碼方式是脈沖間隔編碼(即PIE編碼)。讀寫器每次給標(biāo)簽發(fā)送命令，都以幀同步碼或前同步碼開始所有的通信。幀同步碼格式如圖2所示，幀同步碼由delimiter、數(shù)據(jù)0和RTcal三部分組成。前同步碼格式如圖3所示，前同步碼由delimiter、數(shù)據(jù)0、RTcal和TRcal四部分組成，除delimiter外，各部分均以低脈沖PW結(jié)尾，且各部分PW的長度必須相同。de limiter的長度固定為12．5μs，協(xié)議規(guī)定允許有±5％的誤差。delimiter用于給電子標(biāo)簽校準(zhǔn)時(shí)鐘。

圖2 PIE編碼的0和1

圖3 PIE前同步碼

前同步碼只用于表明盤存周期開始的Query命令中，其他命令則以幀同步碼開始。當(dāng)Query命令數(shù)據(jù)中的DR=1、前同步碼中的TRcal長度為33．3μs時(shí)，可設(shè)定反向鏈路(即標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù))頻率最高為640kHz。

2．2 FM0和miller碼介紹
Query命令中M參數(shù)值決定了標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)的編碼方式，即FM0、miller2、miller4、miller8四種。FM0碼在每個(gè)數(shù)據(jù)邊界處和數(shù)據(jù)0中間反相。miller碼則是在兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)0的邊界處和數(shù)據(jù)1的中間反相。miller編碼序列每位可包含2、4、8個(gè)副載波周期，即miller2、mille r4、miller8三種編碼形式。這四種編碼方式都以各自特定的幀頭開始，而具體選擇哪種幀頭，則由Query命令中Trext參數(shù)值決定，并且在結(jié)尾處都有一位“dummyl”作為數(shù)據(jù)傳送的結(jié)束標(biāo)志。

2．3讀寫器與標(biāo)簽通信流程
EPC C1G2協(xié)議規(guī)定讀寫器的命令分為選擇、盤存、訪問3類，而標(biāo)簽的工作狀態(tài)分為就緒、仲裁、應(yīng)答、確認(rèn)、開放、保護(hù)、殺死7個(gè)狀態(tài)，讀寫器命令類型和標(biāo)簽狀態(tài)如圖4所示。讀寫器依賴3類命令通過改變標(biāo)簽所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽群的篩選，以及對(duì)單個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別和訪問過程。讀寫器與標(biāo)簽的通信過程略一編者注。

圖4 讀寫器命令類型和標(biāo)簽狀態(tài)

3、總體設(shè)計(jì)

在本讀寫器設(shè)計(jì)中，ARM與FPGA協(xié)同工作。ARM芯片是LPC2148，工作時(shí)鐘是20 MHz，主要完成對(duì)讀寫器系統(tǒng)的控制。而FPGA則負(fù)責(zé)編解碼部分的數(shù)據(jù)流處理，工作時(shí)鐘頻率是25 MHz。圖5是FPGA部分的整體設(shè)計(jì)框圖。

圖5 整體設(shè)計(jì)框圖

FPGA中的模塊主要包括協(xié)議控制及命令產(chǎn)生模塊、PIE編碼模塊、FM0／miller解碼模塊，以及用于與PC機(jī)交互的串口控制模塊。

工作過程如下：對(duì)讀寫器命令數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的CRC5／16校驗(yàn)位進(jìn)行PIE編碼，編碼完成送到射頻發(fā)射端，數(shù)字信號(hào)通過控制射頻芯片RF2 173的開關(guān)引腳實(shí)現(xiàn)調(diào)制深度為100％的OOK(On-Off Keying)調(diào)制，并經(jīng)由收發(fā)分離的定向耦合器，通過天線發(fā)射出去。