基于FPGA的UHF的RFID读写器设计

1 引言

射频识别技术(RFID)是利用射频方式进行远距离通信以达到物品识别目的，可用来追踪和管理几乎所有物理对象。在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域，甚至军事用途都具有广泛的应用前景，并且引起了广泛的关注。RFID系统一般包括读写器和电子标签(或称应答器)2个部分。RFID电子标签(Tag)由芯片与天线(Antenna)组成，每个标签具有惟一的电子编码。标签附在物体上以标识目标对象。RFID读写器(Reader)的主要任务是控制射频模块向标签发射读写信号，并接收标签的应答。对标签信息进行解码，并将信息传输到主机以供处理。根据应用的不同，阅读器可以是手持式或固定式。本文重点介绍的就是读写器的开发。

EPC规范已经颁布第一代规范。规范把标签细分为Class0，Class1，Class2三种。其中Class0和Class1标签都是一次写入多次读取标签，Class0标签只能由厂商写入信息，用户无法修改，因而又称为只读标签，主要用于供应链管理)Class1则提供了更多的灵活性，信息可由用户写入一次。Class0和Class1标签采用不同的空中接口标准进行通信，因此两类标签不能互操作。Class2标签具备多次写入能力，并增加了部分存储空间用于存储用户的附加数据。Class2标签允许加入安全与访问控制、感知网络和AdHoc网络等功能支持。目前EPCglobal正在制定第二代标签标准，即UHFClasslGeneration2(C1G2)。C1G2具有随时更新标签内容的能力，保证标签始终保存最新信息。EPC规范l_0版本包括EPCTag数据规范、Class0(900MHz)标签规范、C1ass1(13．56MHz)标签接口规范、Classl(860～930MHz)标签射频与逻辑通讯接口规范、物理标识语言(PhysicalMarkupLanguage，PML)。

本文重点介绍EPCClass1读写器系统设计、数字部分设计及FPGA在数字实现上的应用。由于U频段RFID技术的应用还处在早期的发展阶段，符合EPCClass1协议的读写器在国内还没有相关产品面世。本文对相关开发有一定的参考价值。

2 EPCClasslb系统设计

一个完整的RFID系统包括：读写器、天线、标签和PC机。读写器完成对标签(Tag)的读写操作。通过RS232或RS485总线完成PC机的命令接收和EPC卡号的上传。图l是读写器的系统组成框图。读写器组成包括与PC机的串口通信部分、单片机和FPGA组成的数字部分、射频部分。RF单元实现和标签的通信，数字部分完成对射频部分的控制、回波命令解析PC机接收卡号实现上位机的控制。下面对各模块做简单介绍。

2．1 PC端
RFID系统一般要将标签信息读取到计算机上，然后等待处理用户通过PC机可以实现读写器控制，完成对标签的读写操作。读写器与PC机通信是基于RS232总线，纠错算法是CRC—CCITT算法。



2．2射频模块

读写器对标签的读写是通过发送射频能量和对回波实现的。射频模一方面将数字模块送来的信息完成调制并发送。标签应答，射频模块接收回波信号将他解调成基带信号，送到数字模块。

2．3数字模块

数字模块由单片机(cygnalC8O51F126)、存储器(24Cz56)，FPGA(xlSlOO)组成单片机的功能有：

(1)实现与PC机通信，接收PC机命令，完成解析下传到FPGA
(2)将FPGA送来的EPC卡号加算CRC—CCITT校验上传PC机。择Xilinx公司ISE6．2，仿真软件为Modelsim5．7。设计实现采取原理图和VHDL语言相结合的原则。顶层模块采用原理图设计，功能模块采用VHDL语言实现。
(3)解决多卡碰撞，实现多卡读取。由于FPGA实现多卡读取算法非常消耗FPGA资源，而且需要FPGA有大量的存储器资源存放读到的卡号，成本较高。而如果由PC机实现多卡读取算法，则读取速度很难提高。
(4)实现对射频模块的锁相环频率控制以及功率控制读写器发射功率常需要调整，而且读写器有时需要在不同射频频率，甚至跳频下工作。单片机通过对射频模块的锁相环控制实现对射频频率和功率的控制。

单片机采用CYGNAL公司的C8051F126。内部有128k的FLASH存储器和8k的RAM，可以在5OMHz主频下工作。

FPGA实现EPCClassl通信协议，接收单片机控制命令，将命令按照协议标准编码送到射频模块调制并发送，然后解调并接收射频模块送来的回波基带信号，将得到的标签信息发送给单片机。FPGA实现的EPCClassl命令的基本命令包括scrollid，scrollallid，pinged，quiet，talk，kill；编程命令programid，verifyid，lockid，eraseid这些命令包括命令的发送和回波的解析。根据发送命令不同，对应的发送命令格式也不相同，分为2类。回波信号格式也根据命令的不同分为2类。下面介绍FPGA实现的EPCClass1协议。

3FPGA实现的信号调制解调

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