一款基于FPGA的RFID阅读器设计

引言

RFID技术是从20世纪80年代走向成熟的一项自动识别技术，近年来发展十分迅速。目前，在全世界，基于RFID技术的电子标签，使用已经非常广泛了，这主要取决于它的特性，RFID标签可以使用在几乎所有的物理对象上。RFID技术在工业自动化，物体跟踪，交通运输控制管理，防伪校园卡，电子钱包，行李标签，收费系统，医用装置，电子物品的监控和军事用途等方面已经得到了广泛的应用。例如第二代居民身份证，使用基于ISO/IEC4443-B标准的13.56MHz电子标签，该项目可以说国内乃至国际上最大的RFID应用的项目之一。

RFID系统由阅读器(Reader)，电子标签(Tag)和后台数据库组成，见图1。阅读器从附着在物品上的Tag中读取数据，这些数据在阅读器或送给后台的数据库应用程序进行处理。阅读器作为RFID系统中的关键部件通过天线与电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

图1RFID系统构成。

FPGA具有开发简单，静态可重复编程和动态在系统编程的特点，已经成为当今应用最广泛的可编程专用集成电路。目前在FPGA的集成开发环境中提供各种I/O接口的IP核，方便实现各种I/O接口。

现有的RFID阅读器一般是由ARM(AdvancedRISCMachines)结构体系实现的，一般体积较大，不容易升级。本文研究和实现了基于FPGA的阅读器，这种阅读器具有结构灵活、体积小、升级容易、方便实现不同的外设接口等优点。

论文结构如下第一部分描述阅读器的总体结构，第二部分是硬件部分结构，第三部分是软件部分结构，第四部分是阅读器的实现。

1基于FPGA的RFID阅读器总体结构

阅读器是由FPGA、射频模块、LCD和FLASH构成的，阅读器的系统结构见图2。标准串口向射频模块发送对标签操作的命令，用于接收从射频模块返回的标签中的内容，LCD显示标签信息，系统控制程序是系统的核心程序，它协调各部分的运行，FLASH存储器存放数据。

图2阅读器的系统结构

FPGA实现的外部接口有：串口、LCD接口、FLASH接口和键盘接口等，射频模块内部含有符合RFID标准的标签操作程序，能够执行来自串口的操作标签的命令，返回标签的信息。

2阅读器的硬件部分结构

阅读器是以FPGA为核心，控制数据处理交换的模块结构。FPGA实现的模块有：各个外设接口和CPU模块，这些模块由该FPGA内部的可编程逻辑电路实现的，它完成与射频模块的通信，射频模块前端与标签的空中接口通信读取标签信息，FPGA从串口模块取回标签信息送LCD显示，硬件结构如图3。

图3阅读器的硬件结构。

3阅读器软件部分结构

程序的执行从键盘的触发开始，此时通过串口向射频模块发送读标签命令，射频模块返回标签的信息，触发串口中断服务程序执行，将读出的信息放入FIFO对列，将结果送LCD显示。软件部分程序执行流程图见图4。

图4软件部分程序执行流程。

4阅读器的实现

本文使用日立产射频模块、2.4GHz电子标签、XilinxSpartan-3LC1500开发板、XilinxPlatformStudio7.1i集成开发环境和XilinxISE7.1i集成开发环境硬件连接见图5。FPGA开发板设计一个串口连接射频模块，用于向射频模块发送标签操作命令和接收标签的信息。图中URAT为设计的串口，G16和H16为FPGA的I/O引脚，74LS04为电平转换模块。1602为液晶显示模块。

图5硬件连接。

4.1FPGA中的CPU模块

嵌入式CPU的设计是SOC设计的核心。FPGA可以方便地实现嵌入式CPU核[6]，在FPGA器件中嵌入式CPU有硬核和软核两种,如Xilinx的VirtexII器件中含有CPU硬核POWERPC401核，Altera的Excalibur器件中含有PowerTrace核;软核如Xilinx的PicoBlaze和MicroBlaze，Altera的Nios,Tensilica的Xtensa和OpenCores的OpenRISC软核。硬核提供了丰富的指令和功能,但不能改变其电路结构。硬核具有高速和高效的优点，但熟悉和充分掌握硬核的使用比较困难，硬核并不是所有的FPGA器件都有的。而软核是用VHDL语言设计实现，设计者可以根据具体需要进行设计或对软核进行适当的修改，适当增加或减少硬件电路，如寄存器数量，RAM容量和总线宽度等，,提高芯片利用率，,还可以提高CPU运行速度，并且软核还具有使用灵活和低成本的特点。本文使用的是Microblaze软核。

4.2实现过程

在集成开发环境中添加LCD、URAT和DIP的软件IP核，其中DIP用于模拟键盘输入。然后配置各个接口IP核的总线类型、地址范围和外部端口，在项目的UCF文件中配置接口IP核的引脚和FGPA的I/O的连接关系。

从串口接收数据有两种方法：一种是采用定时器读;另一种采用串口的中断服务程序来读。采用定时器消耗资源比较大，本文采用串口中断的方法，当串口有数据到达时，激活串口中断服务程序，在中断服务程序中读出串口缓冲区的数据，然后写道FIFO对列。

URAT中断服务程序的主要代码如下：

VoidXUartLite_InterruptHandler(XUartLite*

InstancePtr)

/*判断Uart缓冲区是否为空*/

if(!XUartLite_mIsReceiveEmpty(RS232_BASEADD

R))

{

/*接收URAT数据*/

Data=XUartLite_RecvByte(RS232_BASEADDR);//

/*写入FIFO缓冲队列*/

Add_Queue(Data);

}

其中FIFO缓冲队列是由一个自定义的数据结构和对它的操作实现的。

下面是主程序的主要代码。

初始化部分

/*URAT初始化*/

XUartLite_Initialize(&Uart,

XPAR_RS232_DEVICE_ID)

/*LCD初始化*/

voidlcd_init(unsignedintbase_addr)

/*URAT开中断*/

voidXUartLite_EnableInterrupt(XUartLite*

InstancePtr)

/*设置URAT初始化*/

voidXUartLite_SetSendHandler(XUartLite

*InstancePtr,XUartLite_HandlerFuncPtr,void

*CallBackRef)

/*设置URAT的中断服务程序*/

voidXUartLite_SetRecvHandler(XUartLite*

InstancePtr,，XUartLite_Handler

XUartLite_InterruptHandle,void*CallBackRef)

初始化完成以后，然后进入一个无限循环。

/*判断是否有键按下*/

XGpio_InterruptGetStatus(XGpio*InstancePtr)

/*发送读标签命令*/

for(j=0;j

{XUartLite_SendByte(UARTLITE_0_BASEA

DDR,*(commanda+j));

wait(50000);

}

/*如果对列不为空*/

If(!IsEmptyQuque())

/*读取队列数据*/

Read_Quque(data)

/*写入FLASH*/

voidflash_write(Xuint32addr,longdata)

对FLASH的操作首先要块檫除，然后才能写，对FLASH写的代码如下：

voidflash_write(Xuint32addr,longdata)

{XIo_Out32(flash_base_addr+(0x555<<2),

0x00aa00aa);

XIo_Out32(flash_base_addr+(0xaaa<<2),

0x00550055);

XIo_Out32(flash_base_addr+(0x555<<2),

0x00a000a0);

XIo_Out32(addr,data);

return;

}

程序编写完成后，经过编译和消除错误后，下载到目标板，在FPGA开发板运行程序，在LCD得到标签信息，见图6。

图6标签信息在LCD的显示

5结论

RFID技术是近年来发展起来的一种新型的自动识别技术。FPGA技术是未来硬件广泛使用的一种技术，本文结合将RFID技术与FPGA技术相结合，研究和实现了一种新结构的阅读器，基于FPGA的阅读器具有结构灵活、体积小、升级容易和易扩展等优点。本文给出了阅读器的总体结构、硬件部分结构和软件部分结构，研究了RFID射频模块与FPGA之间的接口实现及标签信息在LCD显示。具有广泛的使用价值。