基于FPGA的RFID系统解码模块设计
发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:379
整个识别过程无需人工介入，可同时识别多个对象并可以识别高速运动的物体，操作简单，广泛应用在车辆自动识别系统、物流管理与监控、仓库管理、门禁系统以及军事等领域。
rfid系统由三部分组成：读头、天线和电子标签，如图1所示。
其中读头是整个系统的核心部分，控制整个识别过程中与标签之间的通信，并提供与后台计算机的接口。天线用来发送射频信号给电子标签，并把电子标签响应的数据接收回来。电子标签存储着目标的信息，它进入识别区域时被天线发送的射频信号激活，然后向读头返回应答，从而完成一次识别。
本文要介绍的解码模块是基于iso／iec15693标准设计的，实现了从带干扰的返回信号(此信号已经去掉载波)中精确的提取标签信息的功能。此设计直接影响识别的准确性。
1 iso／iec15693协议
iso／iec15693协议是国际化标准组织制定的关于射频识别技术的一项标准，工作频率为13.56mhz，电子标签属于无源标签。协议详细描述了射频识别技术的信号调制方式、读头向标签发送数据的编码方式、标签返回数据的编码方式以及各种指令包格式和应答包格式。协议还介绍了电子标签的防冲撞机制。本文中的标签返回数据的解码模块就是以此协议为基准设计的，下面详细介绍标签向读头返回数据的格式。
电子标签首先将原始数据(digital bits，即要返回的标签信息)进行曼彻斯特编码(manchester bits)，然后再用编码后的数据信息以fsk方式调制到低速率的子载波423.75khz和484.28khz信号上(rf bits fsk)，即曼彻斯特码的高电平部分使用484.28khz方波信号表示，低电平部分使用423.75khz方波信号表示。最后再由子载波调制到13.56mhz的载波上，以此方式回传给读头。返回信号编码及子载波形式如图2所示。
为了达到数据的传输同步，电子标签在曼彻斯特码的起始和结尾分别加入帧头和帧尾，帧头部分为11100010，用423.75khz和484.28khz信号调制后如图3所示。帧尾部分为01000111，与帧头的顺序完全相反，调制后如图4所示。
2 解码模块的结构及其实现原理
整个读头的结构由模拟电路部分和数字电路部分组成。模拟电路的作用是产生13.56mhz的载波信号、调制发送信号和解调返回信号。数字电路部分负责数字信号的编解码。fpga是数字电路部分的核心，理想情况下返回信号经过模拟电路解调到达fpga后，其数据格式如图2中rf bits fsk所示。但在射频信号传输过程中和模拟电路的解测过程中都难免有噪声干扰，进入fpga的信号实际上是带干扰fsk信号。因此必须在解码模块中对干扰加以消除，否则会大大降低电子标签的识别成功率。解码模块共分为八个部分，如图5所示，下面将对这些模块的功能进行具体介绍。
2.1 fsk信号的还原到曼彻斯特码
按照图2所示数据格式的逆顺序进行解码，首先将rf bits fsk信号还原为manchester bits信弓。此部分由图5中的倍频器、周期测量模块和比较器三个模块实现。在本设计中计数器在高频时钟信号(本设计采用100mhz时钟信号)的驱动下，测量fsk信号中相邻的两个信号上升沿之间的计数值，依此来区分423.75khz和484.28khz两个频率的信号。
首先为了提高计数的精度，将50m的系统时钟经过fpga中的dcm模块倍频成100mhz，然后由此时钟来驱动周期测量模块，来计算rf bits fsk两个相邻上升沿之间(即rf bits fsk的一个周期)的计数值，再通过比较器与门限比较来确定是423.75khz或484.28khz的信号。若是423.75khz信号，则100m时钟在其一个周期内计数值为236，若是484.28khz信号，计数值为206，所以选择折中门限为221。计数值大于此门限则认为此rf bits fsk周期是423.75khz信号，用低电平表示，小于此门限则为484.28khz信号，用高电平表示。理想情况下解调后的信号就是曼彻斯特码，如图6所示。
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rfid技术(radio frequency identification)是一种非接触式智能识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获得相关信息。
整个识别过程无需人工介入，可同时识别多个对象并可以识别高速运动的物体，操作简单，广泛应用在车辆自动识别系统、物流管理与监控、仓库管理、门禁系统以及军事等领域。 rfid系统由三部分组成：读头、天线和电子标签，如图1所示。 其中读头是整个系统的核心部分，控制整个识别过程中与标签之间的通信，并提供与后台计算机的接口。天线用来发送射频信号给电子标签，并把电子标签响应的数据接收回来。电子标签存储着目标的信息，它进入识别区域时被天线发送的射频信号激活，然后向读头返回应答，从而完成一次识别。 本文要介绍的解码模块是基于iso／iec15693标准设计的，实现了从带干扰的返回信号(此信号已经去掉载波)中精确的提取标签信息的功能。此设计直接影响识别的准确性。 1 iso／iec15693协议 iso／iec15693协议是国际化标准组织制定的关于射频识别技术的一项标准，工作频率为13.56mhz，电子标签属于无源标签。协议详细描述了射频识别技术的信号调制方式、读头向标签发送数据的编码方式、标签返回数据的编码方式以及各种指令包格式和应答包格式。协议还介绍了电子标签的防冲撞机制。本文中的标签返回数据的解码模块就是以此协议为基准设计的，下面详细介绍标签向读头返回数据的格式。 电子标签首先将原始数据(digital bits，即要返回的标签信息)进行曼彻斯特编码(manchester bits)，然后再用编码后的数据信息以fsk方式调制到低速率的子载波423.75khz和484.28khz信号上(rf bits fsk)，即曼彻斯特码的高电平部分使用484.28khz方波信号表示，低电平部分使用423.75khz方波信号表示。最后再由子载波调制到13.56mhz的载波上，以此方式回传给读头。返回信号编码及子载波形式如图2所示。 为了达到数据的传输同步，电子标签在曼彻斯特码的起始和结尾分别加入帧头和帧尾，帧头部分为11100010，用423.75khz和484.28khz信号调制后如图3所示。帧尾部分为01000111，与帧头的顺序完全相反，调制后如图4所示。 2 解码模块的结构及其实现原理 整个读头的结构由模拟电路部分和数字电路部分组成。模拟电路的作用是产生13.56mhz的载波信号、调制发送信号和解调返回信号。数字电路部分负责数字信号的编解码。fpga是数字电路部分的核心，理想情况下返回信号经过模拟电路解调到达fpga后，其数据格式如图2中rf bits fsk所示。但在射频信号传输过程中和模拟电路的解测过程中都难免有噪声干扰，进入fpga的信号实际上是带干扰fsk信号。因此必须在解码模块中对干扰加以消除，否则会大大降低电子标签的识别成功率。解码模块共分为八个部分，如图5所示，下面将对这些模块的功能进行具体介绍。 2.1 fsk信号的还原到曼彻斯特码 按照图2所示数据格式的逆顺序进行解码，首先将rf bits fsk信号还原为manchester bits信弓。此部分由图5中的倍频器、周期测量模块和比较器三个模块实现。在本设计中计数器在高频时钟信号(本设计采用100mhz时钟信号)的驱动下，测量fsk信号中相邻的两个信号上升沿之间的计数值，依此来区分423.75khz和484.28khz两个频率的信号。 首先为了提高计数的精度，将50m的系统时钟经过fpga中的dcm模块倍频成100mhz，然后由此时钟来驱动周期测量模块，来计算rf bits fsk两个相邻上升沿之间(即rf bits fsk的一个周期)的计数值，再通过比较器与门限比较来确定是423.75khz或484.28khz的信号。若是423.75khz信号，则100m时钟在其一个周期内计数值为236，若是484.28khz信号，计数值为206，所以选择折中门限为221。计数值大于此门限则认为此rf bits fsk周期是423.75khz信号，用低电平表示，小于此门限则为484.28khz信号，用高电平表示。理想情况下解调后的信号就是曼彻斯特码，如图6所示。
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