如何设计一款基于FPGA的RFID阅读器

cici961224

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 13.56 MHz 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 1 RFID 系统构成

现有的 RFID 阅读器一般是由 ARM( AdvancedRISC Machines)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、Xilinx Spartan-3 LC1500 开发板、Xilinx PlatformStudio 7.1i 集成开发环境和 Xilinx ISE 7.1i 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

4.1 FPGA 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：

Void XUartLite_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*/

void lcd_init(unsigned int base_addr)

/*URAT 开中断*/

void XUartLite_EnableInterrupt ( XUartLite *

InstancePtr)

/*设置 URAT 初始化*/

void XUartLite_SetSendHandler(XUartLite

* InstancePtr, XUartLite_Handler FuncPtr, void

*CallBackRef)

/*设置 URAT 的中断服务程序*/

void XUartLite_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*/

void flash_write(Xuint32 addr, long data)

对 FLASH 的操作首先要块檫除，然后才能写，对 FLASH 写的代码如下：

void flash_write(Xuint32 addr, long data)

{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。

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