RFID電子標(biāo)簽卡的防碰撞模塊設(shè)計(jì)

引 言
    RFID(RadioFrequency IdentifiCation，射頻識別)電子標(biāo)簽是一種把天線和IC封裝到塑料基片上的新型無源電子卡片；具有數(shù)據(jù)存儲量大、無線無源、小巧輕便、使用壽命長、防水、防磁和安全防偽等特點(diǎn)；是近幾年發(fā)展起來的新型產(chǎn)品，是未來幾年代替條形碼走進(jìn)“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。閱讀器(即PCE，機(jī))和電子標(biāo)簽(即PICC卡)之間通過電磁場感應(yīng)進(jìn)行能量、時(shí)序和數(shù)據(jù)的無線傳輸，如圖l所示。在PCD機(jī)天線的可識別范圍內(nèi)，可能會同時(shí)出現(xiàn)多張PICC卡。如何準(zhǔn)確識別每張卡，是A型
PICC卡的防碰撞(即anticollision，也叫防沖突)技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題。

1 A型卡防碰撞的工作原理
    A型PICC卡采用了ISO／IECl4443系列協(xié)議，配合PCD機(jī)共同實(shí)現(xiàn)防碰撞的快速交互通信。為了從多張PICC卡中快速識別出一張來單獨(dú)進(jìn)行通信，A型卡采用了位碰撞監(jiān)測協(xié)議實(shí)現(xiàn)防碰撞過程，即閱讀器對卡返回的唯一識別號(即UID)數(shù)據(jù)幀中的每一位進(jìn)行沖突監(jiān)測。當(dāng)多張A型PICC卡在同一時(shí)刻向PCD機(jī)傳送UID數(shù)據(jù)幀時(shí)，一定會在同時(shí)返回的某一位上有不同的位值。根據(jù)Manchester編碼規(guī)則，這一位正負(fù)邊沿抵消了，故PCD機(jī)無法識別的該數(shù)據(jù)位即為碰撞位。碰撞位監(jiān)測到后馬上啟動防碰撞過程。PCD機(jī)主動地發(fā)出一系列命令數(shù)據(jù)幀(即下傳)，主要是ANTICOLLISION命令和SEELECT命令。PICC卡被動地響應(yīng)每一條指令(即上傳)完成交互的會話過程。

    對于ANTICOLLISION命令，如果PICC卡本身固有的UID CLn和命令中所帶的UID CLn數(shù)據(jù)位相等，則發(fā)送UIDCLn的其余位；否則，不發(fā)送響應(yīng)．根據(jù)協(xié)議規(guī)定，ANTICOLLISION命令(即第l部分：下傳數(shù)據(jù))和PICC卡的響應(yīng)(即第2部分：上傳數(shù)據(jù))組合成一個(gè)防碰撞幀．而且防碰撞幀的數(shù)據(jù)位總數(shù)為56位。16≤下傳數(shù)據(jù)位數(shù)≤55；l≤上傳數(shù)據(jù)位數(shù)≤40。防碰撞幀舉例如圖2所示。由于56位的防碰撞幀可以在任意位置上分開，因此分兩種情況：在一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)之后分開，則在第1部分的最后一個(gè)數(shù)據(jù)位之后有一個(gè)校驗(yàn)位；在一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)分開，則在第1部分的最后一個(gè)數(shù)據(jù)位之后不加校驗(yàn)位。情況1和情況2的不同分開方法如圖2所示。
    對于SELECT命令，如果PICC卡內(nèi)固有的UIDCLn和命令中的UID CLn相等，則發(fā)送SAK幀，否則不發(fā)送響應(yīng)。

2 防碰撞模塊的設(shè)計(jì)
2．1 引腳定義
    防碰撞模塊的外部信號引腳定義及其在卡中與其他模塊的連接如圖3所示。

    防碰撞模塊外部信號定義的VHDL代碼如下。
    entity ANTICOLLICSION_BLOCK is port
    (clk：in std_logic；—— 時(shí)鐘信號
    reset：in steL_logic；——復(fù)位信號
    rxd：in std_logic；一一外部數(shù)據(jù)串行輸入
    active：in std_logic；——外部數(shù)據(jù)輸入的狀態(tài)
    Csn_fb：in std_logic_vector(7 downto 0)   —— 來自ROM的并行數(shù)據(jù)
    Csn_full：in std_logic；——ROM接口中的輸出Latch“滿”
    Rd_csn：out std_logic；一一允許讀ROM
    Txd：out std_logic；一一數(shù)據(jù)串行輸出
    Txd_active：out std_logic--一數(shù)據(jù)輸出的狀態(tài)
    )；
    end ANTiCOLLlCsIoN_BLOCK；
2.2 模塊劃分
    防碰撞模塊主要分為4個(gè)部分：數(shù)據(jù)接收模塊(A)、讀ROM模塊(B)和數(shù)據(jù)比較(C)發(fā)送模塊(D)，如圖4所示。A的作用是：接收PCD機(jī)發(fā)送的命令信號，從rxd引腳串行輸入后對每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)。并進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，按字節(jié)逐個(gè)存入7個(gè)Latch中。B的作用是：從ROM接口模塊中讀出卡內(nèi)固有的UID CLn，按字節(jié)存入4個(gè)Latch后，計(jì)算UIDCLn的4個(gè)字節(jié)的異或值(即卡的BCC字節(jié))，并存入鎖存器。C和D的作用是：比較PCD機(jī)命令中的UIDCL．和卡的UIDCLn，并根據(jù)比較結(jié)果決定是否輸出響應(yīng)．如果比較結(jié)果相同，則根據(jù)命令的類型(ANTICOLLISION命令或SELECT命令)從txd引腳串行輸出不同的響應(yīng)數(shù)據(jù)。由于篇幅所限，后面主要介紹數(shù)據(jù)的發(fā)送模塊是如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

2．3 發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

2.3.1 實(shí)現(xiàn)對ANTICOLLISl0N命令的響應(yīng)
(1)輸出數(shù)據(jù)txd產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)
    當(dāng)來自PCD機(jī)的指令數(shù)據(jù)接收完畢(即Data_input_end=“1”)和讀卡內(nèi)ROM的UID數(shù)據(jù)結(jié)束(即Csn_input_end=“l(fā)”)后，判別器啟動位計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器來控制數(shù)據(jù)比較模塊，逐個(gè)比較Latch中的數(shù)據(jù)．比較結(jié)果相等(即Bit_not_match=“0”)時(shí)，令位計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)一個(gè)時(shí)鐘周期，此時(shí)字計(jì)數(shù)器和位計(jì)數(shù)器的值仍然分別等于NVB的高4位和低4位。以圖2情況1為例，字計(jì)數(shù)器值(即Byte_num)為2H，位計(jì)數(shù)器值(即Bit_num)為5H，輸出信號產(chǎn)生模塊從txd引腳發(fā)送起始位“0”；根據(jù)字計(jì)數(shù)器地址，從卡的UID CLn和BCC中選取字節(jié)，輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊在Bit_num為0H~7H時(shí)，發(fā)送該字節(jié)的0~7位。在Bit_num為8H時(shí)，計(jì)算并發(fā)送該字節(jié)的奇校驗(yàn)位；當(dāng)字計(jì)數(shù)器值為7H，位計(jì)數(shù)器值為OH時(shí)，表示所有的剩余UID CLn數(shù)據(jù)位和BCC已全部發(fā)送，此時(shí)發(fā)送結(jié)束位。
(2)輸出狀態(tài)Txd__active產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)
    在比較結(jié)果相等(即Bit_not_matCh_“l(fā)”)時(shí)，令輸出狀態(tài)信號Txd_active變?yōu)椤發(fā)”，表明發(fā)送開始，在Bytenum為7H，Bit_num為lH時(shí)，變?yōu)椤?”，表明發(fā)送結(jié)束。
2.3.2 實(shí)現(xiàn)對SELECT命令的響應(yīng)
(1)輸出數(shù)據(jù)txd產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)
    在比較結(jié)果相等時(shí)，輸出起始位“0”，并且令位計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)一個(gè)時(shí)鐘周期，此時(shí)Bytc_num為7H，Bit_num為OH。在接下來的8個(gè)時(shí)鐘周期里，即Bytc_num為7H，Bit_num為O~7H時(shí)，串行輸出SAK幀，在Bit_num為8H時(shí)，輸出奇校驗(yàn)位．接著Byte_num變?yōu)?H，Bitnum變?yōu)镺H，此時(shí)輸出結(jié)束位“O”。
(2)輸出狀態(tài)．Txd_active產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)
    令輸出狀態(tài)信號Txd_active在比較結(jié)果相等時(shí)變?yōu)椤發(fā)”，在Byte_num為8H。Bit_num為1H時(shí)變?yōu)椤癘”。

3 仿真結(jié)果分析
3．1 防碰撞模塊對ANTICOLLISION命令的響應(yīng)
    在數(shù)據(jù)線rxd上設(shè)置一串?dāng)?shù)據(jù)，與圖情況2中下傳數(shù)據(jù)相同，其中定義幀頭S為“10”和幀尾E為“0l”。啟動Maxplus仿真器，得到輸出信號的波形，如圖6所示。對照圖2情況2可見，在txd線上得到的輸出數(shù)據(jù)和圖2情況2中上傳數(shù)據(jù)(即UID CLn的其余位)相同。說明設(shè)計(jì)的防碰撞模塊對ANTICOLLISION命令的響應(yīng)是正確的。

3.2 防碰撞模塊對SELECT命令的響應(yīng)
    在輸入數(shù)據(jù)線rxd上設(shè)置如圖7所示的一串?dāng)?shù)據(jù)。由圖8可見，輸出數(shù)據(jù)線txd上的數(shù)據(jù)為“S00000000|1|E，這是正確的SAK響應(yīng)。說明設(shè)計(jì)的