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        基于FPGA的RFID閱讀器結構以及實現詳解
        來源: | 作者:迅遠科技 | 發布時間: 107天前 | 92 次瀏覽 | 分享到:

          RFID 技術是從 20 世紀 80 年代走向成熟的一項自動識別技術,近年來發展十分迅速。 目前,在全世界,基于 RFID 技術的電子標簽,使用已經 非常廣泛了,這主要取決于它的特性,RFID 標簽可以使用在幾乎所有的物理對象上。RFID 技術在 工業自動化,物體跟蹤,交通運輸控制管理,防偽校園卡,電子錢包,行李標簽,收費系統,醫用裝 置,電子物品的監控和軍事用途等方面已經得到了廣泛的應用。例如第二代居民身份證,使用基于 ISO/IEC4443-B 標準的 13.56 MHz 電子標簽,該項 目可以說國內乃至國際上最大的RFID 應用的項目之一。

          RFID 系統由閱讀器(Reader),電子標簽( Tag) 和后臺數據庫組成 ,見圖1。閱讀器從附著在物品上的Tag中讀取數據,這些數據在閱讀器或送給 后臺的數據庫應用程序進行處理。閱讀器作為RFID 系統中的關鍵部件通過天線與電子標簽進行無線 通信,可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或 寫入操作。

        基于FPGA的RFID閱讀器結構以及實現詳解

          圖 1 RFID 系統構成

          FPGA 具有開發簡單,靜態可重復編程和動態在系統編程的特點,已經成為當今應用最廣泛的 可編程專用集成電路。目前在 FPGA 的集成開發環 境中提供各種 I/O 接口的 IP 核,方便實現各種 I/O 接口。

          現有的RFID 閱讀器一般是由ARM( AdvancedRISC Machines)結構體系實現的,一般體積較大,不容易升級。本文研究和實現了基于FPGA 的閱讀器,這種閱讀器具有結構靈活、體積小、升級容易、方便實現不同的外設接口等優點。

          論文結構如下第一部分描述閱讀器的總體結構,第二部分是硬件部分結構,第三部分是軟件部分結構,第四部分是閱讀器的實現。

          1 基于FPGA 的RFID 閱讀器總體結構

          閱讀器是由FPGA、射頻模塊、LCD 和FLASH構成的,閱讀器的系統結構見圖2。 標準串口向射頻模塊發送對標簽操作的命令,用于接收從射頻模塊返回的標簽中的內容,LCD 顯示標簽信息,系統控制程序是系統的核心程序,它協調各部分的運行, FLASH 存儲器存放數據。

        1

          圖2 閱讀器的系統結構

          FPGA 實現的外部接口有:串口、LCD 接口、FLASH 接口和鍵盤接口等,射頻模塊內部含有符合RFID 標準的標簽操作程序,能夠執行來自串口的操作標簽的命令,返回標簽的信息。

          2 閱讀器的硬件部分結構

          閱讀器是以FPGA 為核心,控制數據處理交換的模塊結構。FPGA 實現的模塊有:各個外設接口和CPU 模塊,這些模塊由該FPGA 內部的可編程邏輯電路實現的,它完成與射頻模塊的通信,射頻模塊前端與標簽的空中接口通信讀取標簽信息,FPGA 從串口模塊取回標簽信息送LCD 顯示,硬件結構如圖3。

        基于FPGA的RFID閱讀器結構以及實現詳解

          圖 3 閱讀器的硬件結構

          3 閱讀器軟件部分結構

          程序的執行從鍵盤的觸發開始,此時通過串口向射頻模塊發送讀標簽命令,射頻模塊返回標簽的信息,觸發串口中斷服務程序執行,將讀出的信息放入FIFO 對列,將結果送LCD 顯示。軟件部分程序執行流程圖見圖4。

        基于FPGA的RFID閱讀器結構以及實現詳解

          圖4 軟件部分程序執行流程

          4 閱讀器的實現

          本文使用日立產射頻模塊、2.4GHz 電子標簽、Xilinx Spartan-3 LC1500 開發板、Xilinx PlatformStudio 7.1i 集成開發環境和Xilinx ISE 7.1i 集成開發環境硬件連接見圖5。FPGA 開發板設計一個串口連接射頻模塊,用于向射頻模塊發送標簽操作命令和接收標簽的信息。圖中URAT 為設計的串口,G16和H16 為FPGA 的I/O 引腳,74LS04 為電平轉換模塊。1602 為液晶顯示模塊。

        基于FPGA的RFID閱讀器結構以及實現詳解

          圖5 硬件連接

          4.1 FPGA 中的CPU 模塊

          嵌入式CPU 的設計是SOC 設計的核心。FPGA可以方便地實現嵌入式CPU 核[6],在FPGA 器件中嵌入式CPU 有硬核和軟核兩種,如Xilinx 的VirtexII器件中含有CPU 硬核POWERPC401 核,Altera 的Excalibur 器件中含有PowerTrace 核;軟核如Xilinx的PicoBlaze 和MicroBlaze, Altera 的Nios, Tensilica的Xtensa 和OpenCores 的OpenRISC 軟核。硬核提供了豐富的指令和功能,但不能改變其電路結構。硬核具有高速和高效的優點,但熟悉和充分掌握硬核的使用比較困難,硬核并不是所有的FPGA 器件都有的。而軟核是用VHDL 語言設計實現,設計者可以根據具體需要進行設計或對軟核進行適當的修改,適當增加或減少硬件電路,如寄存器數量,RAM容量和總線寬度等,,提高芯片利用率,,還可以提高CPU 運行速度,并且軟核還具有使用靈活和低成本的特點。本文使用的是Microblaze 軟核。

          4.2 實現過程

          在集成開發環境中添加LCD、 URAT 和DIP的軟件IP 核,其中DIP 用于模擬鍵盤輸入。然后配置各個接口IP 核的總線類型、地址范圍和外部端口,在項目的UCF 文件中配置接口IP 核的引腳和FGPA 的I/O 的連接關系。

          從串口接收數據有兩種方法:一種是采用定時器讀;另一種采用串口的中斷服務程序來讀。采用定時器消耗資源比較大,本文采用串口中斷的方法,當串口有數據到達時,激活串口中斷服務程序,在中斷服務程序中讀出串口緩沖區的數據,然后寫道FIFO 對列。

          URAT 中斷服務程序的主要代碼如下:

          Void XUartLite_InterruptHandler ( XUartLite *

          InstancePtr)

          /*判斷Uart 緩沖區是否為空*/

          if(!XUartLite_mIsReceiveEmpty(RS232_BASEADD

          R))

          {

          /*接收URAT 數據*/

          Data=XUartLite_RecvByte(RS232_BASEADDR);//

          /*寫入FIFO 緩沖隊列*/

          Add_Queue(Data);

          }

          其中FIFO 緩沖隊列是由一個自定義的數據結構和對它的操作實現的。

          下面是主程序的主要代碼。

          初始化部分

          /*URAT 初始化*/

          XUartLite_IniTIalize( &Uart,

          XPAR_RS232_DEVICE_ID)

          /*LCD 初始化*/

          void lcd_init(unsigned int base_addr)

          /*URAT 開中斷*/

          void XUartLite_EnableInterrupt ( XUartLite *

          InstancePtr)

          /*設置URAT 初始化*/

          void XUartLite_SetSendHandler(XUartLite

          * InstancePtr, XUartLite_Handler FuncPtr, void

          *CallBackRef)

          /*設置URAT 的中斷服務程序*/

          void XUartLite_SetRecvHandler(XUartLite *

          InstancePtr, , XUartLite_Handler

          XUartLite_InterruptHandle, void * CallBackRef)

          初始化完成以后,然后進入一個無限循環。

          /*判斷是否有鍵按下*/

          XGpio_InterruptGetStatus(XGpio *InstancePtr)

          /*發送讀標簽命令*/

          for (j=0;j

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