基于FPSLIC的UHF频段RFID阅读器的实现

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基于FPSLIC的UHF频段RFID阅读器的实现

通常，RFID系统由电子标签(tag)、阅读器(reader)和数据管理系统这三个主要部分组成，如图1所示。

   电子标签部分又可以细分为标签天线和标签芯片两部分。每个电子标签都含有唯一的识别码，用来表示电子标签所附着的物体。当电子标签接收到阅读器的发射信号的时候，电子标签被唤醒，然后根据阅读器发射的指令完成相应的动作，并将响应信息发射回给阅读器。电子标签上有数KB的存储单元，可以反复读写10,000次以上。

    阅读器也可以细分为阅读器天线和阅读器两部分。阅读器通过发射信号唤醒和传送指令给电子标签，并接收标签返回的信号。在初步的过滤、处理信号之后，将有用的数据通过网络和数据管理系统交互，从而完成对电子标签的信息获取和解析。

    数据管理系统主要完成数据信息的存储及管理、数据管理系统可以由简单的小型数据库担当，也可以是集成了RFID管理模块的大型ERP数据库管理软件。它通过网络与分散在异地的阅读器通信，实时获取阅读器捕获到的电子标签信息。

    按频段RFID产品可以分为低频125KHz、高频13.56MHz、超高频915MHz以及微波频段2.45GHz和5.8GHz。本文实现了具有自主知识产权的UHF频段(915MHz)RFID阅读器。UHF阅读器兼容识别ISO18000-6和ANSI256的无源RFID标签，可根据发射功率调整识别距离。阅读器识别无源RFID标签可达5～10米的识别距离，50张标签/秒，并采用了RFID信号防冲撞算法，可以同时识别同一区域内多张RFID标签。
  












图1 RFID系统构成

  

         图2主控板框图

本设计方案可以广泛应用在以下领域：
1．制造业，实现精细制造，提高生产效率，保障产品质量。
2．企业供应链管理，有效控制企业库存量，降低市场风险，提高盘点效率。
3．仓储物流业和交通运输，物流全过程的跟踪监控，提高调度的准确性和效率。

基于FPSLIC的设计
FPSLIC就是在基于SRAM的SoC中嵌入AVR MCU内核和FPGA门阵列逻辑。AVR、FPGA、SRAM模块之间的接口已经实现，而且可以配置，可以节省2000~5000门。一个FPSLIC里有10000～ 40000门的FPGA、一个单片机、一个储存器、多种外围设备和现成的接口。其低价格的软件包括：设计主控流程、综合验证、布线工具以及硬件和软件的仿真。

    嵌入在FPSLIC 里的MCU为Atmel的AVR。它是一个8Bit RISC的MCU，可以执行的单时钟指令可达120多条，AVR代码效率和性能跟一般8位的MCU相比凸显优越。当把它嵌入以SRAM为主的FPSLIC时，更可表现其三大特点 ：提高速度、降低功耗、程序存储量降低。

    嵌入在FPSLIC 中的FPGA为Atmel的AT40K系列。该系列FPGA内有10ns的分布式SRAM，它可以异步操作，也可以同步操作。AT40K的设计是用VHDL/Verilog或画图的方式在计算机上形成的。由于AT40K还可以当作DSP的协处理器使用。客户可以把一些需要快速执行的功能在FPGA里实现，比如FIR、FFT、interpolators 和DCT，从而使得该FPGA能很好地应用在多媒体、电信和工业控制等领域。

    AT94K40的内部程序/数据SDRAM分为3块：10K×16位专用程序存储器(地址范围：0x0000~0x27ff)；4K×8位专用数据存储器(0x0000~0x0fff)；6K×16位或12K×8位可配置存储器。

    开发软件采用System Designer 3.0。硬件和软件同步仿真。

    本设计的主控板框图如图2所示。

    本方案的具体设置包括：
1.现在使用的设置为16K×16位的程序存储器，4K×8位的数据存储器。在4K×8位专用数据存储器(0x0000~0x0fff)中包含了64个AVR I/O寄存器。其中AVR与FPGA的通信中使用到了以下寄存器:
FISCR:FPGA I/O选择控制寄存器
FISUA～D:FPGA I/O选择、中断控制寄存器

    2. 考虑到需要以80KHz频率发送OOK信号，通常的4MHz的板上晶振在不分频的情况下使用匹配中断(匹配值为50)，才勉强实现，但由于指令执行周期(0.25s)太长，实际发送OOK信号时达不到要求的速度。故改用18.432MHz的晶振，匹配值为225。匹配值的计算公式为：匹配值＝晶振频率/分频系数/80KHz。

    3. AVR代码中使用了Uart0&1的接收/发送中断与Timer0的匹配中断。

    4. 波特率设置：BAUD＝Fck/16*(UBR+1)，Fck为时钟频率，UBR为波特率寄存器高字节UBRHI和低字节UBRRn的数值(0～4095)。下面给出典型值：
Fck=4MHz,UBR=25,BAUD= 9600bps
Fck=18.432MHz,UBR=9,BAUD= 115200bps

    5. 由FPGA实现的功能为：补码变换，差分处理，FIR低通滤波，归一化判决，去毛刺，同步提取。

    其中对各步骤简要说明如下：
a)补码变换：因为ADC的输出信号为1ff~000(3~2V), 3ff~200(2~1V)。若要分出信号的正负，就需要本步骤，具体操作为将大于511的输出减去1024。
b)差分处理：增强信号。
c)FIR低通滤波：去除高频噪声。
d)归一化判决：将A/D采样得到的电压值转变为I/O信号。
e)去毛刺：去除毛刺信号。
f)同步提取：提取码元信号，平均一个码元拥有4个采样点。

开发体会
采用FPSLIC开发优势在于：资源比较丰富，I/O设置很灵活，有很大的发挥余地；FPGA的运算速度很快；由于使软硬件同步仿真，虽然难度大了，但也缩短了开发周期；总体的性价比好。

    感觉不足的地方有：AVR协同FPGA工作的速度跟不上，当运作频繁时总是FPGA等候AVR；System Designer的界面不够友好，使用起来不太方便；布线的速度慢。

    总体来说，本文利用FPSLIC实现了超高频段RFID阅读器，为 FPSLIC在这方面的应用打开了思路。

参考文献
1 颜重光. 具有保密功能的MCU+FPGA片上系统. 电子设计应用, 2004年第8期