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RFID 防碰撞算法的FPGA 仿真實現(xiàn)
( Radio Frequency Identification) 是利用無線信道實現(xiàn)雙向通信的一種識別技術(shù), 可識別遠(yuǎn)距離的貼有標(biāo)簽的目標(biāo),，并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)可識別高速運(yùn)動的物體并可同時識別多個目標(biāo)，操作快捷方便。本文基于RFID系統(tǒng)，解決了同一時間識別多個目標(biāo)的沖突問題。
1 概述
RFID系統(tǒng)主要由射頻通信和計算機(jī)信息系統(tǒng)兩部分組成，其中，射頻通信部分主要包括讀寫器和標(biāo)簽(射頻卡)。其間存在兩種通信形式：從讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸，即讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)流被其覆蓋范圍內(nèi)的多個標(biāo)簽所接收，這種通信形式也被稱為無線電廣播；在讀寫器的作用范圍內(nèi)有多個標(biāo)簽同時應(yīng)答，這種形式被稱為多路存取。在后一種通信形式中，標(biāo)簽數(shù)據(jù)的混疊問題被稱為碰撞問題。為了防止由于多個電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)在讀寫器的接收機(jī)中相互碰撞而不能準(zhǔn)確被讀出, 必須采用防碰撞算法[2]來加以克服。
1 .1 防碰撞算法
ISO 14443- 3[3]規(guī)定了TYPE A和TYPE B兩種防沖撞機(jī)制。二者防碰撞機(jī)制的原理不同, 前者是基于位碰撞檢測協(xié)議, 而TYPE B則通過系列命令序列完成防碰撞。ISO15693采用輪詢機(jī)制、分時查詢的方式完成防碰撞機(jī)制，這在標(biāo)準(zhǔn)的第三部分有詳細(xì)規(guī)定?；诖说默F(xiàn)存防碰撞算法有ALOHA[4]算法、分隙 ALOHA算法和二進(jìn)制樹形搜索算法等，前兩者的信道最佳利用率分別為18.4%和36.8%，但隨著標(biāo)簽數(shù)量的增大，性能將急劇惡化。二進(jìn)制樹形搜索算法在一次性讀取標(biāo)簽的數(shù)目和速度上有了極大的提高。
1 .2 二進(jìn)制樹形搜索防碰撞算法原理
二進(jìn)制樹形搜索防碰撞算法[5]適用于TYPE A。A型標(biāo)簽采用Manchester編碼方式，這使得準(zhǔn)確地判斷出碰撞位成為可能。圖1所示為利用Manchester編碼識別碰撞位。
當(dāng)讀寫器接收到發(fā)送的標(biāo)簽信號時，首先判斷是否發(fā)生碰撞以及發(fā)生碰撞的具體位置，然后根據(jù)碰撞的具體位置確定下一次發(fā)送的請求命令中的參數(shù)，再次發(fā)送，直到確定其中的一張標(biāo)簽為止。為了便于說明，假定標(biāo)簽的數(shù)據(jù)為 8bit，并定義命令call ( epc ，m)，其含義為：讀寫器向其覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽發(fā)送召喚指令, 如果標(biāo)簽數(shù)據(jù)[7]與call命令中epc參數(shù)的前m位相等，則滿足這個條件的標(biāo)簽做出應(yīng)答。設(shè)在某時刻有四個標(biāo)簽同時進(jìn)入讀寫器的作用范圍內(nèi)，它們的EPC碼分別為tag1 =10100011, tag2=10011011, tag3=00010001, tag4=11101100。其算法流程示意圖如圖2所示。
從圖2可以看出，call命令的epc參數(shù)由碰撞位判斷得出, 而call命令中的m參數(shù)又由相應(yīng)的epc參數(shù)求得，這樣就使得算法在執(zhí)行過程中跳過了空閑的節(jié)點,提高了算法的執(zhí)行效率。又因為算法可以形象地用二進(jìn)制樹來描述, 故稱為 “二進(jìn)制樹形防碰撞算法”。
2 碰撞算法的 FPGA 仿真實現(xiàn)
目前使用的防碰撞算法大多通過軟件方式實現(xiàn)，容易造成應(yīng)用軟件非常復(fù)雜而且多張卡片應(yīng)用時速度慢。因此, 對其采用軟硬件結(jié)合的方式，用 FPGA[6]實現(xiàn)防碰撞算法，可達(dá)到速度快、成本低的要求。
2 .1 總體設(shè)計方案
EPC標(biāo)簽?zāi)K可以抽象為一個 Manchester 編碼器模塊，RFID 讀寫器內(nèi)部包含三個基本的功能模塊:：Manch-ester 解碼器模塊、LIFO 模塊和控制整個算法的狀態(tài)機(jī)模塊。其基本模塊連接關(guān)系如圖 3 所示。
具體工作流程如下：
(1) RFID 讀寫器內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)每隔一段時間發(fā)送一次 call 命令；
(2) 讀寫器覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽收到 call 命令后判斷是否滿足 call 命令的條件, 若滿足則發(fā)送 epc 碼給讀寫器, 否則不作反應(yīng)；
(3) 讀寫器收到標(biāo)簽發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行Manchester 解碼。如果無碰撞發(fā)生則存儲數(shù)據(jù)后強(qiáng)制該標(biāo)簽進(jìn)入睡眠狀態(tài); 如果產(chǎn)生碰撞, 則根據(jù)解出的數(shù)據(jù)和碰撞位標(biāo)志進(jìn)行下一次call命令。如此循環(huán)執(zhí)行直到讀寫器范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽都被識別出來。
本文采用Verilog HDL 語言作為設(shè)計輸入，仿真工具采用 Quartus II 5.1 build 216 03/06/2006 SJ Full Version;FPGA 器件為 EP2C5T144C6。
2 .2 RFID 讀寫器各模塊設(shè)計及仿真
2 .2 .1 Manches ter 編碼器
Manchester 編碼器即為 RFID 標(biāo)簽, 它的主要數(shù)據(jù)輸入包括該標(biāo)簽的數(shù)據(jù)、call或 sleep命令標(biāo)志以及相應(yīng)的epc參數(shù)和m參數(shù)。當(dāng)接收到RFID讀寫器也就是算法控制狀態(tài)機(jī)的控制信號后做出相應(yīng)的判斷，如果滿足call命令的條件則開始對標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行 Manchester 編碼, 編碼完成后將編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送給Manchester 解碼器, Manchester 解碼器接收到數(shù)據(jù)后開始進(jìn)行解碼工作。如果滿足sleep命令的條件，標(biāo)簽則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，對以后的call命令不作應(yīng)答。
2 .2 .2 Manches ter 解碼器
Manchester 解碼及碰撞位判斷是整個跳躍式二進(jìn)制樹形防碰撞算法的關(guān)鍵。解碼和碰 撞位的判斷均由Manchester 解碼器模塊完成。首先, Manchester 解碼器模塊中定義了一個兩位的移位寄存器, 用來檢測標(biāo)簽發(fā)送的Manchester 碼的同步頭,以便斷出編碼的到來。一旦移位寄存器檢測到標(biāo)簽發(fā)送過來的信號的同步頭, Manchester 解碼器便開始解碼工作。采樣信號的產(chǎn)生可以利用循環(huán)計數(shù)的計數(shù)器來實現(xiàn)。該計數(shù)器在高頻時鐘的邊沿到來時自動加 1, 其循環(huán)周期與 Manchester 編碼時鐘周期相等。為防止延遲干擾, 在計數(shù)器循環(huán)周期的 1/4、3/4 處令采樣信號為高電平。 當(dāng)解碼完成后解碼器將向控制狀態(tài)機(jī)發(fā)送一個data_ready 脈沖信號, 表明已經(jīng)解碼完畢, 可以向狀態(tài)機(jī)傳送數(shù)據(jù)。
圖 4 為接收到的數(shù)據(jù)在[7]、 [5]、 [1]位存在碰撞現(xiàn)象時解碼器的時序仿真結(jié)果。圖中圓圈圈出部分為解碼后的碰撞位，由圖可以看出標(biāo)識碰撞位的flag_out的輸出數(shù)據(jù)為 10100010，可知，接收到的數(shù)據(jù)的[7]、[5]、[1]位發(fā)生了碰撞。
2 .2 .3 存儲節(jié)點的 LIFO 棧
LIFO（Last In First Out）棧用來存儲算法執(zhí)行過程中所經(jīng)過的節(jié)點的信息。為了協(xié)調(diào) LIFO內(nèi)部的工作狀態(tài), 在LIFO棧的模塊中定義了一個小型的狀態(tài)機(jī)。其工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件流程圖如圖 5所示。
對LIFO棧穿插寫入和讀取數(shù)據(jù), 以驗證LIFO模塊功能。第一次寫入兩個數(shù)據(jù) 10100011、11100010, 進(jìn)行一次讀取操 作；然后連續(xù)寫入兩個數(shù)據(jù)10101010、01011011，再連續(xù)進(jìn)行四次讀取操作。其仿真結(jié)果如圖 6所示。
由圖6可看出，第一次寫入兩數(shù)據(jù)后，LIFO棧的棧內(nèi)數(shù)據(jù)為10100011、11100010, 棧頂數(shù)據(jù)為11100010,，進(jìn)行一次讀操作，棧頂數(shù)據(jù)變?yōu)?FONT face="Times New Roman">10100011；第二次連續(xù)寫入兩數(shù)據(jù) 10101010、01011011后，棧頂數(shù)據(jù)變?yōu)?FONT face="Times New Roman">01011011,連續(xù)進(jìn)行三次讀取操作后，根據(jù)empty標(biāo)志信號可以看出此時LIFO已經(jīng)為空,，所以在第四次讀取時并沒有讀出數(shù)據(jù)。
2 .3 綜合仿真
將Manchester編碼模塊、Manchester解碼模塊、LIF模塊和算法控制狀態(tài)機(jī)模塊連接起來進(jìn)行算法的綜合仿真。測試中設(shè)定讀寫器作用范圍內(nèi)共有四個RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽的 EPC碼為8位二進(jìn)制碼。四個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息分別為：tag1=10100011，tag2=10011011，tag3=00010001，tag4=11101100。其仿真結(jié)果如圖7所示。
3 仿真結(jié)果分析
3 .1 一次性最大讀取標(biāo)簽數(shù)
通過LIFO棧的仿真和分析可得到如下結(jié)論: 如果LIFO的大小為N個單元, 則算法一次最多可以處理的標(biāo)簽數(shù)目即為 N+1。這表明系統(tǒng)防碰撞算法一次性最大讀取標(biāo)簽數(shù)由 LIFO 棧的設(shè)計大小決定。不同的FPGA器件可用的存儲器空間大小不同，使得基于其上設(shè)計的算法的該項性能指標(biāo)也不同目前的FPGA器件大都內(nèi)置了較大的存儲器，例如Altera公司的低成本Cyclone II系列產(chǎn)品，最大提供1．1Mbit 的存儲容量。可以估算，存儲器的 1/4 用于存儲節(jié)點信息的參數(shù), 1/4 用于存儲節(jié)點信息的碰撞位標(biāo)志, 1/4 用來存儲解出的標(biāo)簽數(shù)據(jù), 1/4作為系統(tǒng)保留。由于標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息長度為 64bit，用CycloneII系列FPGA器件實現(xiàn)算法，設(shè)一次性可讀取標(biāo)簽的最大數(shù)目為Nmax，可以計算出：Nmax≈ 1.1× 1064×64=4296。
3 .2 算法識別速度
ISO 14443定義了 TYPE A、TYPE B兩種類型協(xié)議，其通信速率均為106kbps。以此標(biāo)準(zhǔn)來計算算法的識別速度。算法執(zhí)行過程中以 all命令和sleep 命令為單元,，每次命令的執(zhí)行都要發(fā)送64bit的參數(shù)，8bit的m參數(shù), 接收標(biāo)簽返回的 64bit 數(shù)據(jù)，共傳送136bit的數(shù)據(jù)。另外call 命令中讀寫器與標(biāo)簽對數(shù)據(jù)的處理也要占用一定的時間?？梢缘葍r為傳送小于 8bit 的數(shù)據(jù)。這樣每次命令的執(zhí)行共有 144bit 的數(shù)據(jù)傳送。所以,每秒鐘可執(zhí)行call命令次數(shù)n為：n≈ 106× 1024144=753。由算法可知, 當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在的標(biāo)簽數(shù)為 L 時, 則全部被識別出所執(zhí)行的 call 命令的次數(shù)約為 2L。
