基于FPGA的RFID阅读器结构以及实现详解

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 13.56 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

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（ 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