便攜式超高頻RFID讀寫器的FPGA實現

摘要：設計了基于ISO18000-6C標準的USB2．0數據通信協議便攜式射頻讀寫器。以Altera EP1C3T144為核心控制器、CC1100為RF收發器、CH372為USB接口器件，組成了該硬件系統。經測試，系統收發頻率為889 MHz，最高數據傳輸速率為240 kbps，天線發射功率為1．1 dBm，讀寫器穩定傳輸距離為1 m，數據傳輸準確，系統讀寫穩定可靠，抗干擾能力強，適用于各種復雜EMI環境。
關鍵詞：ISO18000-6C；高頻RFID；EP1C3T144；CC1100；CH372

引言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是利用微波進行雙向數據傳輸的一種非接觸式射頻自動識別技術。RFID系統具有使用壽命長、低功耗、數據傳輸快速、穩定、安全、可靠，適應性和抗干擾性強等優點，已廣泛用于工業控制、消費類電子、醫療電子、現代物流和校園一卡通等方面。RFID技術是現代物聯網的核心技術。我國研究RFID技術起步比較晚，受軟件和硬件等條件限制RFID技術還未真正實現大規模應用，大多數屬于中、低頻數據傳輸，距國外先進技術還有一段距離。本文重點介紹基于Altera公司Cyclone系列FPGA和ISO1800 0-6C標準超高頻RFID讀寫器的軟硬件實現方法。

1 系統原理和結構
1．1 RFID系統原理
典型RFID系統由讀寫器(Reader)、射頻標簽(RFIDTag)、天線(Antenna)、中間件(Middle Ware)和應用程序(Application Ware)5部分組成。RFID系統結構框圖如圖1所示。讀寫器安裝在固定位置，通過USB與PC連接，實現數據通信與讀寫，讀寫器對射頻標簽操作實現用戶數據更新與存儲。由于系統基于ISO18000-6C標準，射頻標簽要符合該標準，實現用戶數據存儲；讀寫器由編解碼電路、數據存儲電路、射頻前端收發電路、天線、電源電路等構成；天線接收和發送超高頻微波信號；中間件、中間信息和數據處理軟件，對射頻讀寫器和中間件事件過濾、聚合和計算，抽象出對應用軟件有邏輯意義的算法；應用程序直接面對用戶人機交互界面。由應用軟件操作讀寫器，讀寫器收發微波信號修改用戶射頻標簽，應用軟件是用戶體驗和判斷RFID系統成功的一個重要因素。

1．2 RFID讀寫器原理
基于FPGA RFID讀寫器可分為3個模塊：FPGA最小系統、USB串行總線接口電路、RF信號收發電路。FPGA最小系統包含FPGA現場可編程邏輯陣列、JTAG配置電路、系統時鐘電路、數據存儲電路、顯示電路、電源電路。RFID讀寫器控制核心用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144芯片。由于FPGA基于SRAM技術，下載配置芯片用Altera公司配套的EPCS1，下載模式采用JTAG模式，20 MHz有源時鐘晶振，0．3寸共陰數碼管，外接5 V直流電源，經兩級LM1085轉換為3．3 V和1．5 V電壓，為FPGA內核和引腳供電。數據存儲芯片選用Catalyst公司CMOS技術芯片EEPROMCAT24WC02，通過I2C總線與FPGA連接。USB串行總線接口芯片采用南京沁恒公司的USB通用接口芯片。RF信號收發模塊選用Chipcon公司的SmartRF03技術和0．18μm CMOS工藝的CC1100芯片作為微波信號收發前端，通過SPI總線與FPGA連接。
在RFID系統中，讀寫器是連接射頻標簽和PC機客戶端的核心，通過對讀寫器命令操作，實現用戶數據修改、存儲等操作。RFID讀寫器與標簽數據傳輸可以分為從讀寫器到標簽前向鏈路和標簽到讀寫器后向鏈路，前向鏈路與后向鏈路采用半雙工方式通信，數據傳輸采用ASK調制，前向鏈路采用PIE碼，后向鏈路采用Miller碼，系統采用CRC-16校驗碼和特殊防沖突算法保證讀寫正確。RFID通信可分為2步：閱讀器首先獲得在輻射范圍內標簽ID號，然后對ID號符合要求的標簽進行讀寫相應操作。讀寫器與上位機USB數據通信，通過USB設備枚舉完成HID人機接口設備識別和數據讀寫。