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如何设计一款基于FPGA的RFID阅读器

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发表于 2020-3-19 13:07:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 cici961224 于 2020-3-19 13:08 编辑

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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