射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息。通常RFID系統(tǒng)主要由應(yīng)用軟件、射頻卡以及讀卡器三部分構(gòu)成［1］。相對(duì)于低頻段的RFID系統(tǒng)，工作在860 MHz～960 MHz的超高頻段（UHF）RFID系統(tǒng)有著讀取距離遠(yuǎn)、閱讀速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上RFID技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)［2］。讀卡器的設(shè)計(jì)是RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)方案有很多種。FPGA［3］具有開發(fā)簡(jiǎn)單、靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在線編程的特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的可編程專用集成電路。目前生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的很多公司都使用自己的標(biāo)準(zhǔn)，可供射頻卡使用的幾種標(biāo)準(zhǔn)有ISO/IEC 11784、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000等。其中應(yīng)用最多的是ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693和ISO/IEC 18000這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)［4］。本文基于ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議設(shè)計(jì)了一款工作頻率為915 MHz的讀卡器。

1 讀卡器的硬件設(shè)計(jì)

讀卡器的硬件可以分為三大模塊：FPGA數(shù)字信號(hào)處理模塊、MCU及人機(jī)接口模塊和射頻收發(fā)模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。FPGA數(shù)字信號(hào)處理模塊用來實(shí)現(xiàn)ISO/IEC 18000-6 Type B 協(xié)議中規(guī)定的基帶數(shù)據(jù)編解碼，MCU及人機(jī)接口模塊用來實(shí)現(xiàn)指令的跳轉(zhuǎn)控制和返回?cái)?shù)據(jù)的顯示等一些操作接口，射頻收發(fā)模塊用來處理前端的超高頻信號(hào)。

1.1 FPGA數(shù)字信號(hào)處理模塊

FPGA數(shù)字信號(hào)處理模塊包含時(shí)鐘分頻模塊、FIFO、曼徹斯特編碼器、CRC生成校驗(yàn)、FM0解碼器、串并變換電路及對(duì)應(yīng)的幀發(fā)送接收控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該模塊的內(nèi)部工作流程如下：

（1）發(fā)送部分

①數(shù)據(jù)通信接口8 bit并行接收來自MCU的命令數(shù) 據(jù)，數(shù)據(jù)在FIFO中緩沖。

②數(shù)據(jù)做并行到串行的轉(zhuǎn)換。

③在發(fā)送控制器的控制下，串行數(shù)據(jù)通過CRC模塊，生成16 bit的CRC校驗(yàn)值，并附加在原數(shù)據(jù)的后面。

④根據(jù)ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議規(guī)定，把上述的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼。

⑤把已經(jīng)過曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)引向一個(gè)已預(yù)置幀頭的移位寄存器，數(shù)據(jù)一到便啟動(dòng)移位寄存器，然后把輸出數(shù)據(jù)傳送給射頻收發(fā)模塊。

（2）接收部分

①?gòu)纳漕l收發(fā)模塊接收一幀基帶信號(hào)，用移位寄存器來檢測(cè)幀頭。若檢測(cè)到幀頭，則發(fā)一個(gè)收到幀頭的信號(hào)給接收控制器。

②若接收控制器接收到幀頭的信號(hào)，則馬上啟動(dòng)FM0解碼。

③解碼后的數(shù)據(jù)傳送給串/并行的轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)暫存在FIFO。

④同時(shí)解碼后的數(shù)據(jù)也送給CRC模塊進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤，則清除存于FIFO中的數(shù)據(jù)，通知MCU其接收的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；若校驗(yàn)結(jié)果正確，則把FIFO中的數(shù)據(jù)傳送給MCU。

1.2 MCU及人機(jī)接口模塊

MCU及人機(jī)接口模塊以C8051F020單片機(jī)［5］為核心，由FPGA接口、LCD、PS/2鍵盤、UART接口以及JTAG接口等外圍電路組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

該模塊實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）C8051F020負(fù)責(zé)整個(gè)讀卡器內(nèi)各部分的協(xié)調(diào)工作（包括與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信）；（2）在啟動(dòng)時(shí)向FPGA傳送配置數(shù)據(jù)，初始化FPGA；（3）在讀卡過程中向FPGA傳送讀卡命令，然后通過INT1中斷啟動(dòng)接收FPGA信號(hào)；（4）處理接收回來的射頻卡信息（卡號(hào)、密碼等）；（5）實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制樹形防碰撞功能；（6）驅(qū)動(dòng)LCD，顯示系統(tǒng)的提示信息；（7）擴(kuò)展一個(gè)PS/2鍵盤，可以輸入數(shù)據(jù)及命令；（8）控制 TR1000芯片，設(shè)置OOK發(fā)射方式或ASK接收方式；（9）控制發(fā)射功率大??；（10）擴(kuò)展EEPROM，存儲(chǔ)讀出的射頻卡的信息。

1.3 射頻收發(fā)模塊

超高頻段射頻收發(fā)模塊的開發(fā)一般可以采用兩種方案：一是采用分立元件搭建射頻電路；二是采用無線射頻收發(fā)模塊以實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的調(diào)制解調(diào)［6］。由于第一種方法的電路調(diào)試比較麻煩，而且會(huì)占用很長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)間，所以本設(shè)計(jì)采取第二種方案。

ISO/IEC 18000-6 Type B 協(xié)議規(guī)定讀卡器到射頻卡端的射頻調(diào)制方式為調(diào)制深度為99%的ASK調(diào)制，也就是可以近似看作為OOK調(diào)制；而射頻卡到讀卡器端的射頻調(diào)制方式為反向散射調(diào)制，其調(diào)制方式與ASK調(diào)制類似，所以在解調(diào)端可以按照ASK方式解調(diào)。射頻收發(fā)模塊的核心芯片采用RFM公司的TR1000芯片。TR1000是一款單片OOK/ASK通用無線射頻收發(fā)器芯片，適合高穩(wěn)定、小尺寸、低功率、低價(jià)格的短距離無線數(shù)據(jù)通信和無線控制應(yīng)用。

2 讀卡器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想，在初始化的時(shí)候由單片機(jī)配置FPGA。考慮到C語言可讀性強(qiáng)，移植性好以及MCU的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用C語言對(duì)C8051F020進(jìn)行編程。讀卡器的軟件系統(tǒng)大致可以分為：讀寫卡操作程序、防沖突程序和串行通信程序。

2.1 讀寫卡操作程序

讀寫卡操作程序完成基于ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議的基帶信號(hào)編解碼，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

具體工作過程如下：（1）上電復(fù)位，系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)時(shí)鐘、端口、LCD、定時(shí)器的初始化，配置FPGA和開中斷。（2）等待接收上位機(jī)或鍵盤發(fā)送的指令。（3）對(duì)指令進(jìn)行判斷，如果為多卡操作，則進(jìn)入防沖突子程序；如果為單卡操作，則直接進(jìn)行讀卡、寫卡、值操作和中止操作。（4）若操作成功，所得數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD顯示操作成功信息；若操作失敗，則驅(qū)動(dòng)LCD顯示操作失敗信息。