电子信息工程相关专业基于FPGA的超高频读写器基带数据处理设计论文Word格式.docx

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2.在分析读写器整体框架的基础上,设计了数字基带系统的整体框架。

数字基带系统包含时钟分频模块、Manchester编码模块,FM0解码模块、CRC校验模块、防碰撞模块。

3.采用VHDL语言设计出整个数字处理系统。

4.对整个数字基带系统进行了仿真和FPGA验证,经验证设计数据处理系统功能符合要求,完成设计指标中的内容。

关键字：

ISO18000-6B、射频识别技术、FPGA、曼彻斯特编码

ABSTRACT

TheInternetofthingsisanetworktotheInternetasthefoundation,theuserendextendstoobjectsandcommunication,thingswiththeriseanddevelopmentofrelatedtechnologies,RFIDproductshasintransport,powergrids,warehousing,logisticsandotherfieldshasbeenwidelyused,themarketdemandforrelatedproductsisalsoincreasing.Radiofrequencyidentification（FrequencyIDentificationRadio,RFID）

TechnologyisthekeytechnologyoftheInternetofthings,itusesradiofrequencywirelesssignaltorealizethenoncontactinformationtransmission,inordertoachievetheautomaticidentification,trackingandinformationsharing.RFIDtechnologyandthetraditionalbarcoderecognitiontechnologycomparedwiththelabelandantipollutionabilitystrong,highsafetyperformance,labellargecapacity,long-distancealsoidentifymultipletagsetc.advantagescanthatRFIDisthefoundationofInternetofthings.Comparedwiththeotherbandoftheradiofrequencyidentification（RFID）,ultrahighfrequency（UHF）RFIDsystemwithread-writedistance,hightransmissionrate,andmetalelectronictagsdonotneedtoseparatelyadvantagesthecanbewidelyusedforvarioussituations,supplychainmanagement,productionautomation,airparcelmanagement,containermanagementandlogisticsmanagement.

AUHFsegment（ultrahighfrequencyisdesignedinthispaperbasedonISO/IEC18000-6bstandard,UHFRFIDreadingandwritingdevicebasebanddataprocessor,therealizationofthecodeissenttoacceptthecodeofaseriesofsignalfrequency,datacheckinganddataanticollisiondetection.

Completedthefollowingmaincontents:

1.thecurrentsuperhighfrequencyprotocolisintroducedandanalyzedindetailthe6B-ISO/IEC18000protocol,theprotocolofthecodingtechnology,datavalidationmethod,readandwritedevicecommandtagstate,anticollisiontechnologyisintroduced.Basedonthis,thispaperpresentsthedesignofthedatabasebandprocessor.

2basedontheanalysisoftheoverallframeworkofthereader,theoverallframeworkofthedigitalbasebandsystemisdesigned.Thedigitalbasebandsystemincludesclockfrequencydivisionmodule,Manchestercodingmodule,FM0decodingmodule,CRCcheckmodule,andanticollisionmodule.

3usingVHDLlanguagetodesigntheentiredigitalprocessingsystem.

4fortheentiredigitalbasebandsystemsimulationandFPGAverification,thedesignofdataprocessingsystemfunctionstomeettherequirements,thecompletionofthecontentofthedesignindicators.

Keyword:

ISO18000-6B、RFID、FPGA、Manchester

第一章绪论

1.1前言

RFID（RadioFrequencyIdentification）是无线射频识别的简称，是一种通过电磁感应和电磁传播，对目标物体进行非接触识别和通信的自动识别技术。

随着信息技术的发展，物联网已成为国家重大战略，掀起了第三次信息产业的浪潮。

物联网是利用射频识别（RFID）、全球定位系统、激光扫描技术等，根据一定的协议，将物品连接到互联网，进行信息的传递与交换，以实现对物品的跟踪、识别、管理等功能的一种网络。

物联网译为英文是“TheInternetofThings”，顾名思义，就是物品与物品相连接的互联网。

这有两方面含义，第一物联网仍然是以互联网为基础。

第二，物联网将互联网的用户端延伸扩展到物品，实现物品之间的互联互通。

RFID系统一般由两个部分组成,即电子标签（Tag）和读写器（Reader）。

它的核心部件是电子标签,电子标签由稱合元件及芯片组成,其中包含带加密逻辑、串行EEPROM、微处理器CPU以及射频收发及相关电路。

电子标签具有智能读写和加密通信的功能,一般,标签在阅读器几厘米到几米的范围内,阅读器可通过发射无线电波来读取标签存储的信息。

电子标签可分为有源标签和无源标签。

阅读器主要由天线、无线收发模块、控制模块及接口电路等组成。

1.2课题研究意义

FPGA即现场可编程逻辑阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

随着半导体工艺制造水平的不断提高,FPGA的集成度越来越高,单个FPGA包含的逻辑单元也成指数增加,这样FPGA的功能越来越强大,许多处理器内核已经嵌入到FPGA芯片中,FPGA的开发已经从门级走向系统级。

由于FPGA中含有丰富的硬件资源,大大的提高了数字系统的速度,因此,采用FPGA开发数系统是未来的一个主流。

FPGA的特点主要有以下几个方面:

1.编程方法简便易学,VerilogHDL与VHDL成为FPGA编程的主流,设计简单易学。

2.设计灵活,使用方便,FPGA器件可以无限次擦写,只要是在设计的阶段，可以随时的修改程序。

在不改变外围电路的情况下,FPGA可以实现不同的功能,重复利用。

3.系统集成度高,可靠性强,这是FPGA很明显的优点,由于其高集成度,大大地减少了系统所需的芯片的数目,通过合理的设计，只要简单的语句就可以对系统进行中断,屏蔽等操作。

4.工作速度快,相比于DSP和MCU器件,FPGA的速度在工作速度上有很大的提高,FPGA的延迟可达到纳秒级。

5.成本低,由于FPGA的集成度高,半导体工艺的进步,使得开发成本大大的降低,另外FPGA的开发灵活,周期多,这也节省了时间和人成本。

射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术是一种非接触式的识别技术。

它利用无线射频信号的传输进行通信，完成对物品的自动识别、信息获取、跟踪、定位和管理。

与传统的自动识别技术相比，RFID技术具有以下几种优点：

1）标签存储量大。

传统条码识别中的一维条码存储量很小，二维条码的存储量比一维条码大了很多，但最大只有3000字符，远远不能满足信息时代的需求。

而RFID标签的存储量是二维条码的几十倍，随着半导体技术发展，信息存储量将逐渐变大，可以满足信息时代信息爆炸和对信息处理速度的要求。

2）标签抗污染能力强。

传统条码识别的载体是纸张，由于较为轻薄，所以很容易损坏。

而且条形码使用光识别技术，当有污渍覆盖条码时，就无法正确识别。

RFID标签采用电子芯片存储，利用的无线电磁波传输原理，可以避免标签的污染引起的误识别。

3）标签安全性高。

传统条码是由简单线条组成，信息保密性差，并且比较容易仿造。

而RFID标签采用电子芯片，可以在芯片内部进行编码与加密，大大提高了标签的安全性，以确保隐私信息不泄露。

4）识别速度快、可远距离识别多个标签。

现在使用的条码技术必须近距离对条码进行扫描，而且每次只能识别一个条码，从而导致识别速度慢、操作不方便。

而RFID利用无线识别，物品可以离读写器较远，而且一次可以识别多张标签，这就大大提高了标签识别的效率。

5）标签可随时更新信息。

由于条码是一次性的，无法修改，实时性较差。

而在物流、交通、管理等领域，采用RFID标签可实时进行信息的获取、更改和删除，真正实现了物品的互联。

1.3选题背景

目前RFID技术发展十分迅速，在应用领域，以Wal-Mart、UPS、Gillette等为代表的大批企业已经开始采用RFID技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率并为客户提供各种增值服务；

在RFID通信标准上，除EPCglobal、ISO/IEC、UID为三个最主要的技术标准体系组织外，AIMGlobal、IP-X等也不断发展起来；

在RFID系统应用解决方案上，SAMSUNG、Alien、Motorala、TI、ST等都具有自己的核心技术并且可以提供成熟的产品。

RFID阅读器芯片方面，SIMENS，IMPINJ，SAMSUNG等公司均有单芯片或多芯片UHFRFID系统解决方案，日本Omren公司在2004年推出的支持ISO和EPC双标准的双频读写器是读写器解决方案中的一个优异代表，2007年INTEL推出了性能优良并可适用于UHF频段的R1000读写器单芯片。

国内可以研制UHFRFID阅读器的企业比较少，比较有代表是深圳远望谷、江苏瑞福。

在软件系统上，也是一些国外的企业占据主要市场，代表有Oracle、OATSystem、IBM、HP。

RFID的应用领域也不断扩展，21世纪初，零售巨头（如沃尔玛）及一些政府机构（如美国国防部）就开始开始推进RFID应用；

2002年，美国海关出台了“集装箱安全协议（CSI）”；

诺基亚2007在中国推出了基于近场通信技术（NFC，NearFieldCommunication）的手机；

2008年，北京奥运会实施电子门票，进行数据收集和处理；

2010年，IBM正式提出了“智慧城市”愿景，希望为世界和中国的城市发展贡献力量。

之外，美国的军品管理、中国的二代身份证、中国的火车机车管理系统、日本的手机支付与近场通信等都是业界比较成功的大规模应用案例。

1.4论文主要内容

（一）介绍RFID技术及国内外发展状况，阐述论文研究背景和意义。

（二）RFID标准组织简介，重点详细介绍ISO/IEC18000-6B协议内容。

（三）设计数据处理器方案，重点研究编码解码和防碰撞。

（四）研究和开发设计基于FPGA的基带数据处理。

首先对各个模块进行理论研究，然后通过Quartus软件编程并仿真验证。

（五）搭建系统测试平台，用示波器显示测试数据、记录实测结果、分析数据和研究结果。

最后得出读写器可达到预设功能的结论。

（六）总结处理器研究成果，并对研究中的难点、重点及缺点进行总结。

第二章RFID协议介绍

2.1超高频RFID标准简介

随着RFID应用日趋广泛，由此带来的商机和利润是无可估量的，因此标准组织们也忙于制定各自的标准。

目前流行的超高频段协议制定组织主要有两个，即：

（一）EPCglobal，中文名称为全球第一标准化组织/全球物品编码协会，全球非盈利性标准化组织，其标准主要针对860-960MHz频段，制定有RP读写器数据协议、EPC标签数据规范和空中接口协议等标准。

（二）ISO/IEC（国际标准化组织/国际电工委员会），在各个频段的RFID都颁布了标准，常用的ISO/IEC组织制定的标准有13.56MHz频段的ISO/IEC14443和ISO/IEC15693系列标准，125KHz~2.45GHz的ISO/IEC18000系列标准。

由于该组织在标准制定时非常重视市场需求，积极听取国际各行业的意见，其制定的标准是目前国际化标准组织当中实现最好的，现已成为对RFID行业技术及产业发展都具有相当影响力的一个重要国际标准组织。

现存的超高频RFID协议有三个，ISO18000-6TypeA、TypeB和TypeC。

2004年8月15日ISO/IEC宣布ISO/IEC18000-6包括TypeA和TypeB两类协议，2006年6月15日EPCC1G2正式进入ISO/IEC18000-6，成为ISO/IEC18000-6C，从此ISO/IEC18000-6包括TypeA、TypeB和TypeC三类协议。

图2-1所示为3种协议中读写器与标签的通讯框架。

实际设计中，由于同一频段存在着多种协议，而它们之间存在差别，所以在根据RFID系统中载波频率选择设计标准的同时也需要兼顾设计的其他需求具体选择协议，本设计选用的是ISO/IEC18000-6B协议。

2.2ISO/IEC18000-6B协议介绍

在RFID技术标准中，ISO/IEC18000-6标准得到了广泛重视。

该标准规定了频率范围为860-960MHz的空中接口通信参数。

该标准包含两种类型的协议，A类型和B类型。

2005年6月，ISO/IEC将原来的EPCClass1Gen2作了修改，并且合并入ISO/IEC18000-6，定义为C类型。

目前市场上主流的UHFRFID读写器协议为ISO/IEC18000-6B和ISO/IEC18000-6C。

本文设计的读写器符合ISO/IEC18000-6B标准。

下面将对该标准进行简要介绍。

ISO/IEC18000-6B协议是基于读写器先讲的通信机制。

读写器和标签工作的频率范围是860-960MHz。

通信过程就是读写器发送的命令与标签响应数据相互交互的过程。

从读写器到标签的通信链路称为前向链路，从标签到读写器的链路称为反向链路。

2.2.1调制方式

前向链路采用幅度调制ASK。

调制指数标称为100%和18%。

调制指数的定义如图2-2和公式2-1所示。

调制指数M满足：

（2-1）调制指数M

反向链路采用反向散射

图2-2100%ASK调制示意图

2.2.2数据编码方式

前向链路采用曼彻斯特编码，曼彻斯特编码（Manchesterencoding）是一种同步时钟编码技术。

在曼彻斯特编码中，某个数据位的值是由该数据位半个周期时电平的跳变的方向确定的，它将每个二进制数据位分别用两个相位不一样的二进制新数据位来表示，即用‘01’形式的跳变来表示‘0’，‘10’形式的跳变来表示‘1’，如图2-3所示。

这种编码方式比较有利于标签发现与读写器通信过程中产生的错误，因为在一个码元周期内，是不应该出现连续的低电平或者高电平的。

图2-3曼彻斯特编码

反向链路采用FMO编码，FM0编码也称为双相间隔码编码,它是一种具有记忆性的编码,具体编码过程为,在位窗的起始处一定要翻转,这意味着每个数据编码与上一个数据的编码具有关联性,同时若在位窗的中间有翻转,在表示数据0,若位窗中间无翻转,则表示数1。

编码的示意图如图2-4所示。

一个位窗的持续时间由Tari值来决定。

图2-4FM0编码

2.2.3数据速率

前向链路的数据传输速率为10kbps或40kbps。

反向链路数据速率根据前向链路采用的分隔符的种类不同而不同，分别为40kbps和160kbps。

2.2.4数据校验方式

采用CCITT的CRC-16校验。

生成多项式为：

2.2.5命令和响应

读写器发送的命令有四类。

分别为强制性命令，选择性命令、自定义命令和专用命令。

标签根据读写器发送的命令不同而进行响应。

2.3冲突仲裁

2.4.1冲突仲裁概述

读写器可用GROUP_SELECT与GROUP_UNSELECT命令，使所有或一部分在读写器射频电磁场的识别卡参与冲突仲裁。

然后可用识别命令去运行冲突仲裁算法。

为支持仲裁冲突，识别卡上应具有二个硬件电路：

1、一个8比特计数器COUNT。

2、一个随机数发生器（有二个可能的值：

0或1）。

开始时，一组识别卡通过GROUP_SELECT命令转换到ID状态，还应该将它们内部的计数器置0。

这个组的子集可通过GROUP_UNSELECT命令不被选中转回READY状态。

在识别过程开始之前，其他的组可被选中。

模拟结果显示识别一个大组与识别一些小的组不会有优劣之分。

在上述的选择过程后，应实现下列的循环：

（1）所有处于ID状态且计数器COUNT为0的识别卡应发送它们的ID号。

最初这个组包含所有选中的识别卡。

（2）如果多于一个识别卡在发送，该读写器接收一个错误的响应。

应发出FAIL命令。

（3）计数器COUNT不等于0的识别卡在收到FAIL命令后，它将增加COUNT。

也就是说，他们因此更没有机会发送ID。

计数器等于0（那些刚刚才发送的）的识别卡在收到FAIL命令后，将生成一个随机数。

随机数为1的识别卡将增加COUNT，它们不会发送。

随机数为0的识别卡将保持COUNT为0，并再一次发送它们的UID。

现在出现四种可能情况之一：

（4）如果多于一个识别卡发送，则重复FAIL第二步。

（可能情况1）

（5）如果所有识别卡的随机数量为1，无识别卡发送。

该读写器接收不到信号。

它发出SUCCESS命令。

所有内部计数器COUNT减小，以及计数器COUNT为0的识别卡发送。

一般来说，这样会返回第二步。

（可能情况2）

（6）如果只有一个识别卡发送并且ID号正确地被读写器收到，该读写器应发送带此ID的DATA_READ命令。

如果DATA_READ命令被识别卡正确地收到，该识别卡应转为DATA_EXCHANGE状态，并应发送它的数据。

读写器应发送SUCCESS命令。

所有处于ID状态的识别卡应当减小计数器COUNT。

（7）如果只有一个识别卡的计数器COUNT为1并发送，重复第五或第六步。

如果多于一个识别卡发送，重复第二步。

（可能情况3）

（8）如果只有一个识别卡发送，而接收的ID有错误，该读写器应发送RESEND命令。

如果ID正确地收到，重复第五步。

如果重发接收ID若干次（这个次数根据该系统错误处理的级别进行设置），则会假定有多个识别卡发送，并重复第二步。

（可能情况4）

2.3.2特殊的冲突仲裁

在部分用户数据是唯一的，或信息重的概率非常低的情况下，FAIL_O命令，SUCCESS_O命令和DATA_READ_O命令可使用于冲突仲裁。

当该算法等