高頻RFID標(biāo)簽曼徹斯特編碼電路的設(shè)計(jì)

　　射頻識別系統(tǒng)RFID（Radio Frequency Identification）由電子標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)三部分構(gòu)成。電子標(biāo)簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識別物體的表面。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動識別物體的目的。應(yīng)用系統(tǒng)則通過計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對物體識別信息進(jìn)行采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等工作。

　　符合ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng),其電子標(biāo)簽和閱讀器之間的載波頻率為13.56MHz。閱讀器通過脈沖位置編碼的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子標(biāo)簽，而電子標(biāo)簽又通過曼徹斯特編碼的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到閱讀器。本文將對基于該標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽中的曼徹斯特編碼模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

　　1 曼徹斯特模塊的功能介紹

　　曼徹斯特碼是一種用跳變沿傳輸信息的編碼。與用電平傳輸信息的二進(jìn)制碼相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）波形在每一位元中間都有跳變，因此具有豐富的定時信息，便于接收端接收定時信息；（2）曼徹斯特碼在每一位中都有電平轉(zhuǎn)變，傳輸時無直流分量，可降低系統(tǒng)的功耗。因此，曼徹斯特編碼方式非常適用于RFID系統(tǒng)這種采用副載波的負(fù)載調(diào)制方式。

　　RFID系統(tǒng)遵循“閱讀器先說”的原則，閱讀器發(fā)送請求信號給電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽的數(shù)字部分對請求信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，并發(fā)出回復(fù)信息給閱讀器。

　　電子標(biāo)簽的數(shù)字部分框架如圖1所示。PPM解碼模塊接收模擬部分發(fā)送過來的信號，將脈沖位置編碼方式的數(shù)據(jù)解碼成電子標(biāo)簽數(shù)字部分可識別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將此二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送到CRC校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)機(jī)模塊。CRC校驗(yàn)?zāi)K確認(rèn)信號傳輸無誤后，狀態(tài)機(jī)對請求信號進(jìn)行處理并發(fā)出回復(fù)信號給CRC編碼模塊產(chǎn)生 CRC校驗(yàn)碼，最后由曼徹斯特編碼模塊將回復(fù)信號以及CRC校驗(yàn)碼一并以特定的脈沖形式發(fā)送給模擬部分進(jìn)行處理。

　　為了防止信息受干擾或相互碰撞，防止對某些信號特性的蓄意改變，曼徹斯特編碼要對標(biāo)簽回復(fù)的信息提供某種程度的保護(hù)。可見，曼徹斯特編碼模塊對整個數(shù)字部分起著非常重要的作用。如果編碼不正確或者抗干擾能力不強(qiáng)，閱讀器無法接收到正確的回復(fù)信號，從而導(dǎo)致電子標(biāo)簽與閱讀器的通信失敗。

　　因此，為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)編碼的功能，需要在充分理解標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格定義該模塊與狀態(tài)機(jī)之間的接口時序。

　　2 ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)編碼部分分析

　　根據(jù)ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)，曼徹斯特編碼模塊必須支持兩種模式的載波：單載波和雙載波。系統(tǒng)的載波頻率Fc為13.56MHz。選擇單載波時，載波fs1頻率為Fc/32(423.75kHz)；選擇雙載波時，載波fs1的頻率為Fc/32(423.75kHz)，載波fs2的頻率為Fc/28 (484.28kHz)，并且兩者的相位必須是連續(xù)的。同時，曼徹斯特編碼模塊還必須支持兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：高速模式和低速模式。具體的數(shù)據(jù)傳輸模式和載波選擇模式由閱讀器發(fā)送過來的請求信號決定。

　　為了節(jié)省功耗，采用頻率為Fc/4的時鐘作為工作時鐘。低速模式持續(xù)的時間和脈沖個數(shù)是高速模式的4倍，而且不同模式的載波對應(yīng)的編碼方式不同。下面以高速模式為例，對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的編碼方式進(jìn)行介紹。

　　2．1單載波的位編碼

　　單載波的位編碼如圖2所示。邏輯0由8個頻率為Fc/32的脈沖開始，然后是一段長度為18.88μs的未調(diào)制時間；而邏輯1則由一段長度為18.88μs的未調(diào)制時間開始，然后是8個頻率為Fc/32的脈沖。編碼一位數(shù)據(jù)所用的時間為37.76μs。

　　2．2 雙載波的位編碼

　　雙載波的位編碼如圖3所示。邏輯0由8個頻率為Fc/32的脈沖（共18.88μs）開始，緊接著是9個頻率為Fc/28的脈沖；而邏輯1由9個頻率為Fc/28的脈沖（共18.58μs）開始，緊接著為8個頻率是Fc/32的脈沖。

　　2．3 單載波的起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志

　　閱讀器和電子標(biāo)簽的對話以幀的形式進(jìn)行，幀的起始標(biāo)志是SOF（Start of Frame）,結(jié)束標(biāo)志是EOF(End of Frame)。單載波的SOF和EOF如圖4所示。單載波的SOF包括三個部分：一段長度為56.64μs的未調(diào)制時間；24個頻率為Fc/32的脈沖、邏輯1的位編碼；而EOF亦包括三個部分：邏輯0的位編碼、24個頻率為Fc/32的脈沖、一段長度為56.64μs的未調(diào)制時間。

　　2.4 雙載波的起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志

　　雙載波的SOF和EOF如圖5所示。雙載波的SOF包括27個頻率為Fc/28的脈沖、24個頻率為Fc/32的脈沖、邏輯1的位編碼；而EOF亦包括三個部分：邏輯0的位編碼、24個頻率為Fc/32的脈沖、27個頻率為Fc/28的脈沖。

　　3 接口定義及時序分析

　　曼徹斯特編碼模塊只有與狀態(tài)機(jī) 模塊在時序上密切配合，雙方才能正確地發(fā)送和接收信號。所規(guī)定的曼徹斯特編碼模塊與狀態(tài)機(jī)模塊的握手信號如圖6所示。

　　曼徹斯特編碼模塊的輸入信號：Fc4是時鐘信號；Reset是復(fù)位信號； Send_slow_fast是模式選擇信號，用于快速或者低速模式的選擇；Send_one_dual是載波選擇信號，用于單載波或者雙載波的選擇； Send_data_en是數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號，當(dāng)此信號有效時，該模塊進(jìn)入編碼狀態(tài)，同時，狀態(tài)機(jī)送出第一位數(shù)據(jù)；Send_data是數(shù)據(jù)信號； Send_data_end是數(shù)據(jù)發(fā)送完畢信號，狀態(tài)機(jī)在發(fā)送最后一位數(shù)據(jù)的同時，對Send_data_end信號置位，通知曼徹斯特編碼模塊，狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。

　　曼徹斯特編碼模塊輸出到狀態(tài)機(jī)的信號：Send_shift_en是移位使能信號，每當(dāng)完成一位數(shù)據(jù)的編碼時，此信號有效，通知狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)移位；Send_over是結(jié)束信號，當(dāng)發(fā)送完EOF時，該信號有效，表示數(shù)據(jù)的編碼已經(jīng)完成。

　　曼徹斯特編碼模塊輸出到模擬部分的信號：Send_final_out是輸出到模擬部分的編碼信號。

　　4 設(shè)計(jì)思想

　　本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)編碼功能，因此狀態(tài)的劃分和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件起著非常重要的作用。適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)劃分不僅簡潔明了、宜于維護(hù)，而且所占用的資源少。這里用到了九種典型的狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖7所示。

　　(1)系統(tǒng)復(fù)位后，模塊處于Initial狀態(tài)。在此狀態(tài)中，根據(jù)Send_one_dual和 Send_data_en兩個信號的值判斷下一個狀態(tài)，Send_data_en信號決定是否進(jìn)入編碼狀態(tài)，Send_one_dual信號決定進(jìn)入單載波模式還是雙載波模式，Send_data_en信號無效時，保持原狀態(tài)不變，否則進(jìn)入SOF狀態(tài)。

　　(2) 根據(jù)Send_one_dual信號的值，決定進(jìn)入單（雙）載波SOF狀態(tài)，通過計(jì)數(shù)器控制狀態(tài)持續(xù)時間，并且根據(jù)Send_slow_fast信號的值調(diào)整計(jì)數(shù)器的值。在此狀態(tài)的第一個時鐘周期捕獲并鎖存狀態(tài)機(jī)送出的Send_data信號的值，以決定下個編碼狀態(tài)。在此狀態(tài)結(jié)束的前一個周期，使Send_shift_en信號的值有效，通知狀態(tài)機(jī)進(jìn)行移位操作。并根據(jù)鎖存的Send_data信號的值判斷下一個狀態(tài)，從而進(jìn)入logic 0或者logic 1的編碼狀態(tài)。

　　(3) 進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)后，同樣在第一個時鐘周期捕獲并鎖存此時的Send_data信號的值，以確定下一個狀態(tài)。通過計(jì)數(shù)器精確控制狀態(tài)持續(xù)的時間，并在結(jié)束前的第二個周期捕獲Send_data_end信號的值。如果這個值無效，則表示狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完，因此在結(jié)束前一個周期發(fā)送 Send_shift_en信號，讓狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)移位操作。如果這個值有效，則說明狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，因此在該位編碼狀態(tài)的最后一個周期不用再發(fā)送Send_shift_en信號，只需轉(zhuǎn)入最后一位數(shù)據(jù)的編碼狀態(tài)即可。

　　(4)等待最后一位數(shù)據(jù)編碼完成，模塊進(jìn)入EOF狀態(tài)。當(dāng)EOF發(fā)送完畢時，Send_over信號有效，通知狀態(tài)機(jī)編碼結(jié)束。

　　該模塊的時鐘頻率為Fc/4，而輸出給模擬部分的脈沖信號的頻率為Fc/32和Fc/28,同時還有未調(diào)制的部分。為了滿足不同輸出形狀的需要，應(yīng)設(shè)置波形輸出模塊。在該模塊中進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸l，并且在每個狀態(tài)的不同部分，設(shè)置不同的標(biāo)志位，用于控制最后的波形輸出模塊。在這里，狀態(tài)決定輸出的時間長度，而波形輸出模塊則決定輸出的形狀。

　　這種設(shè)計(jì)思想在于：當(dāng)前狀態(tài)輸出上一個狀態(tài)的數(shù)據(jù)，同時捕獲當(dāng)前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，用于下一個狀態(tài)的輸出。這樣就保證了有充足的時間鎖存數(shù)據(jù)，從而避免了鎖錯數(shù)據(jù)，提高了抗干擾能力。

　　5 模塊仿真波形及FPGA實(shí)現(xiàn)

　　這里采用Verilog硬件描述語言將上述設(shè)計(jì)思想的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，在ISE7.1環(huán)境下編譯、仿真、下載。ISE是Xilinx FPGA/CPLD的綜合性集成設(shè)計(jì)平臺,該平臺集成了設(shè)計(jì)輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線與實(shí)現(xiàn)、時序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計(jì)流程所需的工具。將代碼程序用Xilinx Spartan-3系列X3S200芯片進(jìn)行下載驗(yàn)證，所得出的在單載波低速模式下的信號波形圖如圖8所示。

　　由圖可知，該波形完全符合標(biāo)準(zhǔn)，能夠成功地進(jìn)行曼徹斯特編碼。

　　本文介紹的曼徹斯特編碼模塊已成功應(yīng)用于基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID電子標(biāo)簽開發(fā)項(xiàng)目中。從驗(yàn)證與仿真的結(jié)果可知，該模塊編碼準(zhǔn)確性高、抗干擾能力強(qiáng)，同其他設(shè)計(jì)方案相比，該方案還具有占用硬件資源少、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

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2 ISO/IEC15693-1: 2000-07-15 Identification cards-Contact-less integrated circuit(s) cards Vicinity cards-Part1: Physical characteristics
3 ISO/IEC15693-2: 2001-10-15 Identification cards-Contact-less integrated circuit(s) cards Vicinity cards-Part2: Air interface and initialization
4 ISO/IEC15693-3: 2001-04-01 Identification cards-Contact-less integrated circuit(s) cards Vicinity card