CN107808187A - 基于fpga的低频rfid标签芯片及其数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于FPGA的低频RFID标签芯片，包括低频RFID射频前端电路、FPGA处理器以及存储器，所述低频RFID射频前端模块通过FPGA处理器与所述处理器通信连接，低频RFID射频前端模块包括ASK解调电路与负载调制电路；所述ASK解调电路包括检波单元、滤波放大单元、电源单元和迟滞比较单元，所述检波单元通过滤波放大单元与迟滞比较单元通信连接，所述电源单元与迟滞比较单元电连接；所述负载调制电路根据RFID信号得到感应电压，并将所述感应电压输送至所述检波单元。有益效果：本发明的标签芯片通过简化的指令集能使此芯片在更多的快速工业领域中得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于射频标签领域，尤其涉及了一种基于FPGA的低频RFID标签芯片及其数据传输方法。
背景技术
RFID(Radio Frequency Identification)无线射频识别技术，是一项非接触式的自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)来实现无接触信息传递，具有非接触式、可靠性高、安全性能好、无需人工干预、可工作与任何恶劣环境等特点，广泛应用于学校、公共交通、门禁、电子钱包、医疗等领域。低频RFID标签一般工作在120KHz到134KHz频率范围内，除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。RFID技术首先在低频范围内得到了广泛的应用与推广，尤其在畜牧业的应用得到了一致认可；而市场上的低频标签多为只读式，不能对标签进行读数据操作。随着科技进步和工业化不断发展，各领域对低频RFID标签提出了新的要求和挑战，只读式标签难以满足市场需求，必须通过在增加阅读性能的同时加强标签芯片的通用性使该类型的标签能够适用更多的工业领域。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于FPGA的低频RFID标签芯片及其数据传输方法，具体由以下技术方案实现：
所述基于FPGA的低频RFID标签芯片，包括低频RFID射频前端电路、FPGA处理器以及存储器，所述低频RFID射频前端模块通过FPGA处理器与所述处理器通信连接，低频RFID射频前端模块包括ASK解调电路与负载调制电路；
所述ASK解调电路包括检波单元、滤波放大单元、电源单元和迟滞比较单元，所述检波单元通过滤波放大单元与迟滞比较单元通信连接，所述电源单元与迟滞比较单元电连接；
所述负载调制电路根据RFID信号得到感应电压，并将所述感应电压输送至所述检波单元。
所述基于FPGA的低频RFID标签芯片的进一步设计在于，所述检波单元选用BAS70-07二极管对得到的感应电压信号进行包络检波。
所述基于FPGA的低频RFID标签芯片的进一步设计在于，所述滤波放大单元为四级放大处理的全反馈二阶巴特沃思有源低通滤波器，由两个AD8052串接组成。
所述基于FPGA的低频RFID标签芯片的进一步设计在于，所述电源单元为线性稳压器。
所述基于FPGA的低频RFID标签芯片的进一步设计在于，所述负载调制电路包括线圈、电容、耦合单元以及开关管，所述线圈与电容连接形成回路，所述回路通过耦合单元与开关管通信连接。
所述基于FPGA的低频RFID标签芯片的进一步设计在于，所述电压比较器采用LM293芯片。
根据所述基于FPGA的低频RFID标签芯片，本发明还提供一种应用于所述基于FPGA的低频RFID标签芯片的数据传输方法，包括：
读写器持续发送载波，整个系统上电复位后将系统内部原有的ID序列号编码通过负载调制电路发送到读写器载波上，
当读写器向标签发送命令时，标签应答器通过耦合通信获取输入信号，通过专用的射频前端电路对所述输入信号进行包络检波、滤波放大和电平比较得到微处理器可识别的数字信号并送入解码模块，
解码模块检测到帧头数据，立即把解码后帧头与帧尾之间的数据保存下来；
启动CRC校验模块，如果CRC校验失败则代表读写器发送的命令不成功或者错误信息，标签向读写器返回一个Error响应，并等待下一次命令；如果读写器命令的CRC校验成功并且命令可识别，则标签根据解码出的命令形式采取读信息或者写信息操作，完成一次读写器与标签的通信过程。
所述数据传输方法的进一步设计在于，所述读操作为：标签返回读写器命令请求的数据信息；所述写操作为：将命令里包含的数据信息写入存储器中。
所述数据传输方法的进一步设计在于，读操作包含寻卡命令，所述寻卡命令自带防碰撞的命令格式，收到该寻卡命令时场内所有标签执行防碰撞算法，读写器选择符合命令要求的标签并读取其内部信息。
所述数据传输方法的进一步设计在于，所述寻卡命令通过专用指令设计成可选执行项，在执行所述专用指令时省略防碰撞过程或省略CRC校验过程或省略防碰撞过程与CRC校验过程的组合。
本发明的优点
本发明的基于FPGA的低频RFID标签芯片采用FPGA作为微处理器，搭配射频通信电路，采取主动式RFID工作方式，实现信号的快速生成和快速处理。处理器外围部分利用分立元件搭建硬件电路，实现耦合信号的调制与解调功能，到达射频前端的数字信号需要经过FPGA内部逻辑功能的处理，从而对芯片内信息进行读写操作。结果显示整个芯片系统表现出了良好的读写能力和识别距离，而且简化的指令集能使此芯片在更多的快速工业领域中得到广泛应用。
附图说明
图1是基于FPGA的低频RFID标签芯片的模块示意图。
图2是射频前端电路示意图图。
图3是ASK解调电路的电路图。
图4是负载调制电路的电路图。
图5是应用于所述基于FPGA的低频RFID标签芯片的数据传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方案进行详细说明。
如图1所示，本实施例的基于FPGA的低频RFID标签芯片，包括低频RFID射频前端电路、FPGA处理器以及存储器，低频RFID射频前端模块通过FPGA处理器与处理器通信连接，低频RFID射频前端模块包括ASK解调电路与负载调制电路。ASK解调电路包括检波单元、滤波放大单元、电源单元和迟滞比较单元，检波单元通过滤波放大单元与迟滞比较单元通信连接，电源单元与迟滞比较单元电连接。负载调制电路根据RFID信号得到感应电压，并将感应电压输送至检波单元。FPGA微处理器内部包括的解码模块、编码模块、CRC校验模块、防碰撞模块和主控制器模块。
本实施例采用FPGA作为微处理器，微处理器选用Cyclone EP4CE15。FPGA利用内部的PLL产生125KHz时钟信号并在存储器内部率先生成一串唯一数据，该数据经过编码模块处理成可识别编码信号，被用来驱动NMOS开关，按照数据流的节拍进行调节标签谐振回路两端的电压，该变化会经由线圈电感耦合传递给读写器，表现为读写器线圈两端电压的振幅发生变化，读写器端解调识别标签的数据后提取相关信息传递给上位机。当读写器需要向标签发送其他操作命令时，标签应答器通过125KHz天线线圈耦合感应读写器信号，ASK解调电路将信号解调完成并送入微控制器的解码模块，主控制器模块根据收获到的命令形式产生相应的相应返回给读写器。
如图2，本实施例的检波单元选用BAS70-07二极管对得到的感应电压信号进行包络检波。
本实施例的滤波放大单元为四级放大处理的全反馈二阶巴特沃思有源低通滤波器，由两个AD8052串接组成，对于滤除噪声信号具有良好效果。AD8052还同时具备电压反馈型运算放大器和差分放大电路的功能，放大倍数的调节可使共模电平1.5V的电压放大至3.3V，此处使用四级放大的目的是为了能够通过放大调制深度不明显的耦合信号使载波信号能更好的被还原出来。
本实施例的电源单元为线性稳压器。电压比较器采用LM293芯片，宽工作电压和可直接与TTL逻辑电路相连接使得微控制器的解码工作更加简单方便。
如图4，负载调制电路包括线圈、电容、耦合单元以及开关管，线圈与电容连接形成回路，回路通过耦合单元与开关管通信连接。本实施例选用BM28N10作为开关管，ID序列号通过控制此NMOS实现负载调制网络并耦合发送给读写器，读写器内部解调得到该序列号。
根据上述基于FPGA的低频RFID标签芯片，本发明还提供一种应用于基于FPGA的低频RFID标签芯片的数据传输方法，该数据传输方法由数字电路实现。数字电路是整个射频标识电子标签芯片的核心，主要功能是实现解码指令解析、状态跳转，存储器的读写以及输出信号编码等。数字电路包含的主要模块有主状态机电路、接收电路、发送电路和存储器接口电路，数字电路与读写器通信连接。其中主状态机是数字部分的数据运算中枢，负责依照协议标准执行指令，并指挥接收、发送和存储器接口协同工作。接收部分用来接收阅读器发出的指令，对指令进行解码，并提取指令参数，为主状态机处理指令提供输入。发送电路负责对指令的响应，包括数据打包和编码。存储器接口负责控制存储器读写、擦除功能的时序，保证存储器正常工作。循环冗余校验(CRC)是标签判断接收指令数据是否完整有效和保证发送指令数据完整性的标识别。根据ISO18000-2通信协议，如表1、表2所示，命令和响应内容包含在帧头SOF与帧尾EOF之间，读写器发送的每一条命令和标签应答器返回的响应都要进行CRC校验。
表1命令格式
| 5bits | 6bits | 8 | n | 16 | ||
| SOF | Flags | Command | Parameters | Data | CRC | EOF |
表2 响应格式
| 1bits | n | 16 | ||
| SOF | Error | Data | CRC | EOF |
如图5，该数据传输方法包括如下步骤：
读写器持续发送载波，整个系统上电复位后将系统内部原有的ID序列号（即标签固定识别号）编码通过负载调制电路发送到读写器载波上。
当读写器向标签发送命令时，标签应答器通过耦合通信获取输入信号，通过专用的射频前端电路对输入信号进行包络检波、滤波放大和电平比较得到微处理器可识别的数字信号并送入解码模块。
解码模块检测到帧头数据，立即把解码后帧头与帧尾之间的数据保存下来。
启动CRC校验模块，如果CRC校验失败则代表读写器发送的命令不成功或者错误信息，标签向读写器返回一个Error响应，并等待下一次命令；如果读写器命令的CRC校验成功并且命令可识别，则标签根据解码出的命令形式采取读信息或者写信息操作，完成一次读写器与标签的通信过程。
进一步设计在于，读操作为：标签返回读写器命令请求的数据信息；写操作为：将命令里包含的数据信息写入存储器中。
由于射频场内存在多标签情况，为了防止标签产生碰撞保证数据传输过程的正常进行，读操作包含寻卡命令，本实施例的寻卡命令自带防碰撞的命令格式，收到该寻卡命令时场内所有标签执行防碰撞算法，读写器选择符合命令要求的标签并读取其内部信息。本实施例中，寻卡命令时防碰撞运算过程按实际情况可选；为了能够快速读取，对于命令中的可选参数，在实际应用中，设计专用指令，执行该指令后，传输过程中省略可选项，亦可省略防碰撞过程，只传输必须参数。例如本实施例的专用指令表明应用于工业领域，如果接收到的命令表明标签应用于工业领域，自动将防碰撞的使能信号拉低，发送的数据省略CRC校验部分，可加快通信速度。具体的实现代码如下：
reg [7:0] AFI_r; // 保存的解码AFI
reg INV_EN; // 防碰撞使能信号
reg CRC_EN; // CRC校验使能信号
if(AFI_r==8’h10) begin
INV_EN <= 1’b0;
CRC_EN <= 1’b0;
end
else begin
INV_EN <= 1’b1;
CRC_EN <= 1’b1;
End
其中, AFI参数存储于命令格式中的Parameters部分。
本实施例的基于FPGA的低频RFID标签芯片采用FPGA作为微处理器，搭配射频通信电路，采取主动式RFID工作方式，实现信号的快速生成和快速处理。处理器外围部分利用分立元件搭建硬件电路，实现耦合信号的调制与解调功能，到达射频前端的数字信号需要经过FPGA内部逻辑功能的处理，从而对芯片内信息进行读写操作。结果显示整个芯片系统表现出了良好的读写能力和识别距离，而且简化的指令集能使此芯片在更多的快速工业领域中得到广泛应用。
以上对本发明提供的一种基于FPGA的低频RFID标签芯片及其数据传输方法进行了详细介绍，以便于理解本发明和其核心思想。对于本领域的一般技术人员，在具体实施时，可根据本发明的核心思想进行多种修改和演绎。综上所述，本说明书不应视为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的低频RFID标签芯片，其特征在于包括低频RFID射频前端电路、FPGA处理器以及存储器，所述低频RFID射频前端模块通过FPGA处理器与所述处理器通信连接，低频RFID射频前端模块包括ASK解调电路与负载调制电路；
所述ASK解调电路包括检波单元、滤波放大单元、电源单元和迟滞比较单元，所述检波单元通过滤波放大单元与迟滞比较单元通信连接，所述电源单元与迟滞比较单元电连接；
所述负载调制电路根据RFID信号得到感应电压，并将所述感应电压输送至所述检波单元。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的低频RFID标签芯片，其特征在于所述检波单元选用BAS70-07二极管对得到的感应电压信号进行包络检波。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的低频RFID标签芯片，其特征在于所述滤波放大单元为四级放大处理的全反馈二阶巴特沃思有源低通滤波器，由两个AD8052串接组成。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的低频RFID标签芯片，其特征在于所述电源单元为线性稳压器。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的低频RFID标签芯片，其特征在于所述负载调制电路包括线圈、电容、耦合单元以及开关管，所述线圈与电容连接形成回路，所述回路通过耦合单元与开关管通信连接。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的低频RFID标签芯片，其特征在于，所述电压比较器采用LM293芯片。
7.如权利要求1-任一项所述的基于FPGA的低频RFID标签芯片的数据传输方法，其特征在于包括：
读写器持续发送载波，整个系统上电复位后将系统内部原有的标签固定识别号编码通过负载调制电路发送到读写器载波上，
当读写器向标签发送命令时，标签应答器通过耦合通信获取输入信号，通过专用的射频前端电路对所述输入信号进行包络检波、滤波放大和电平比较得到微处理器可识别的数字信号并送入解码模块，
解码模块检测到帧头数据，立即把解码后帧头与帧尾之间的数据保存下来；
启动CRC校验模块，如果CRC校验失败则代表读写器发送的命令不成功或者错误信息，标签向读写器返回一个Error响应，并等待下一次命令；如果读写器命令的CRC校验成功并且命令可识别，则标签根据解码出的命令形式采取读信息或者写信息操作，完成一次读写器与标签的通信过程。
8.根据权利要求7所述的数据传输方法，其特征在于所述读操作为：标签返回读写器命令请求的数据信息；所述写操作为：将命令里包含的数据信息写入存储器中。
9.根据权利要求8所述的数据传输方法，其特征在于读操作包含寻卡命令，所述寻卡命令自带防碰撞的命令格式，收到该寻卡命令时场内所有标签执行防碰撞算法，读写器选择符合命令要求的标签并读取其内部信息。
10.根据权利要求8所述的数据传输方法，其特征在于所述寻卡命令通过专用指令设计成可选执行项，在执行所述专用指令时省略防碰撞过程或省略CRC校验过程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180316 |