UHF RFID读写器编解码模块的FPGA实现

引言

UHF RFID读写器具有读写距离远、读写速度快等优点，已成功运用于供应链管理、航空管理和后勤管理等诸多领域。本设计依据的协议是EPC C1G2(EPCClassl Generation2)。

本文介绍了一种读写器的编解码部分由FPGA来完成的设计方案，由FPGA负责前向链路的PIE编码和后向链路的FM0／miller解码，且解码模块可对标签突发传来的数据立即检测并实施解码，实现了较快的解码速率。FPGA选用的是Altera公司的EP1C3T100C6芯片。

1、RFID系统介绍

图1所示为RFID系统，主要由PC机、读写器、天线和电子标签组成。读写器与电子标签之间的数据通过天线进行传递。读写器作为RFID系统的一部分，既能与标签通信，又能向PC机传输数据并执行上位机所要求的操作，具有发送、接收和处理数据的能力。读写器系统按其所处理信号的不同，主要由2个部分组成，即处理数字信号的基带部分和处理模拟信号的射频部分。

图1 RFID系统

2、EPC C1G2协议的相关介绍

EPC C1G2标准具有如下特点：速度快，速率可达40～640 kbps；可以同时读取标签的数量多，理论上能读到1000多个标签；可在密集的读写器环境下工作，能迅速使用变化无常的标签群；存储区域多，可延伸使用用户的内存需求；功能强，具有多种写保护方式，安全性强；通用性强，符合EPC规则；产品价格低，兼容性好。

2．1 PIE编码介绍
EPC C1G2协议规定发送链路(即读写器向标签发送数据)采用的编码方式是脉冲间隔编码(即PIE编码)。读写器每次给标签发送命令，都以帧同步码或前同步码开始所有的通信。帧同步码格式如图2所示，帧同步码由delimiter、数据0和RTcal三部分组成。前同步码格式如图3所示，前同步码由delimiter、数据0、RTcal和TRcal四部分组成，除delimiter外，各部分均以低脉冲PW结尾，且各部分PW的长度必须相同。de limiter的长度固定为12．5μs，协议规定允许有±5％的误差。delimiter用于给电子标签校准时钟。

图2 PIE编码的0和1

图3 PIE前同步码

前同步码只用于表明盘存周期开始的Query命令中，其他命令则以帧同步码开始。当Query命令数据中的DR=1、前同步码中的TRcal长度为33．3μs时，可设定反向链路(即标签向读写器发送数据)频率最高为640kHz。

2．2 FM0和miller码介绍
Query命令中M参数值决定了标签返回数据的编码方式，即FM0、miller2、miller4、miller8四种。FM0码在每个数据边界处和数据0中间反相。miller码则是在两个连续的数据0的边界处和数据1的中间反相。miller编码序列每位可包含2、4、8个副载波周期，即miller2、mille r4、miller8三种编码形式。这四种编码方式都以各自特定的帧头开始，而具体选择哪种帧头，则由Query命令中Trext参数值决定，并且在结尾处都有一位"dummyl"作为数据传送的结束标志。

2．3 读写器与标签通信流程
EPC C1G2协议规定读写器的命令分为选择、盘存、访问3类，而标签的工作状态分为就绪、仲裁、应答、确认、开放、保护、杀死7个状态，读写器命令类型和标签状态如图4所示。读写器依赖3类命令通过改变标签所处的状态，实现对标签群的筛选，以及对单个标签的识别和访问过程。读写器与标签的通信过程略一编者注。

图4 读写器命令类型和标签状态

3、总体设计

在本读写器设计中，ARM与FPGA协同工作。ARM芯片是LPC2148，工作时钟是20 MHz，主要完成对读写器系统的控制。而FPGA则负责编解码部分的数据流处理，工作时钟频率是25 MHz。图5是FPGA部分的整体设计框图。

图5 整体设计框图

FPGA中的模块主要包括协议控制及命令产生模块、PIE编码模块、FM0／miller解码模块，以及用于与PC机交互的串口控制模块。

工作过程如下：对读写器命令数据及其相应的CRC5／16校验位进行PIE编码，编码完成送到射频发射端，数字信号通过控制射频芯片RF2 173的开关引脚实现调制深度为100％的OOK(On-Off Keying)调制，并经由收发分离的定向耦合器，通过天线发射出去。

场内标签接收到读写器发送的信息后，在允许其通信的情况下，会根据读写器发送来的命令参数，选择4种编码方式中的一种，将要回复读写器的数据进行编码，经调制之后在空间传输。

读写器天线接收到标签信息后，经由定向耦合器将标签信息送到读写器的射频接收模块，该模块对标签信息进行解调，并将解调后得到的数字信号送给FPGA的FM0／miller解码模块。解码模块根据数据的编码方式选择相应的电路解码，解码后的数据返回给协议控制及命令产生模块。该模块根据上次发送的命令以及接收到的标签信息作出判断，产生下一次的操作命令数据，发给PIE编