基于FPGA的RFID無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子信息技術(shù)越來越快地普及到各行各業(yè)的應(yīng)用中去。傳統(tǒng)的物流信息采集工作方式是通過工作人員將票物進(jìn)行核對，然后將票上的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中。這一過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且可能由于各種人為過失造成各種各樣錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的存在，影響所采集信息的可靠性。而自動(dòng)識別技術(shù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)識別，增加了輸入的靈活性與準(zhǔn)確性，使人們擺脫繁雜的統(tǒng)計(jì)識別工作，并且大大提高了物流信息采集的工作效率。目前，由沃爾瑪、麥德隆等大超市一手推動(dòng)的RFID應(yīng)用，為零售業(yè)帶來包括降低勞動(dòng)力成本、商品的可視度提高，降低因商品斷貨造成的損失，減少商品偷竊現(xiàn)象等好處。其可應(yīng)用的過程包括：商品的銷售數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，補(bǔ)貨，防盜等。本文利用RFID技術(shù)，用FPGA芯片與NRF905搭建了無線通信系統(tǒng)，成功的實(shí)現(xiàn)了無線收發(fā)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 RFID簡介
    RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別技術(shù))是利用無線電波對記錄媒體進(jìn)行讀／寫。射頻識別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米，且根據(jù)讀／寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息，同時(shí)，還具有極高的保密性。射頻識別技術(shù)適用的領(lǐng)域：物料跟蹤、運(yùn)載工具和貨架
識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合，要求頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用。如香港的車輛自動(dòng)識別系統(tǒng)駕易通，采用的主要技術(shù)就是射頻技術(shù)。射頻技術(shù)在其他物品的識別自動(dòng)化管理方面也得到了較廣泛的應(yīng)用。
    如圖1所示即為本無線系統(tǒng)的整個(gè)構(gòu)架，由控制模塊，SPI模塊以及天線模塊構(gòu)成。其中對SPI模塊的配置由控制模塊通過Wishbone總線來完成，并且對天線模塊的配置，模式轉(zhuǎn)換，收發(fā)數(shù)據(jù)等操作均由控制模塊通過SPI總線來完成。下面將就各個(gè)部分進(jìn)行說明。

1．2 天線模塊(NRF905收發(fā)模塊)
1．2．1 NRF905介紹
    NRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1．9～3．6 V，32引腳QFN封裝，工作于433／868／915MHz三個(gè)ISM頻道?？梢宰詣?dòng)完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼／解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便，功耗低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12．5 mA。
    NRF905有ShockBurst接收與ShockBurst發(fā)送兩種工作模式；掉電和SPI編程與Standby和SPI編程兩種節(jié)電模式。其ShoekBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，可以通過SPI接口進(jìn)行編程配置。NRF905的工作模式由對TRX_CE，TX_EN，PWR_UP的設(shè)置來設(shè)置，見表1。

1．2．2 NRF905配置與工作過程
    nRF905的所有配置都通過SPI接口進(jìn)行。SPI接口由5個(gè)寄存器組成，一條SPI指令用來決定進(jìn)行什么操作。SPI接口只有在掉電模式和Standby"模式是激活的。
    其中SPI接口的5個(gè)寄存器分別為：
    (1)狀態(tài)寄存器：寄存器包含數(shù)據(jù)就緒DR和地址匹配AM狀態(tài)。
    (2)RF配置寄存器：寄存器包含收發(fā)器的頻率、輸出功率等配置信息。
    (3)發(fā)送地址：寄存器包含目標(biāo)器件地址，字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置。
    (4)發(fā)送有效數(shù)據(jù)：寄存器包含發(fā)送的有效Shock Burst數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置。
    (5)接收有效數(shù)據(jù)：寄存器包含接收到的有效ShockBurst數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置。在寄存器中的有效數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR指示。
    ShoekBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要高速控制器來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或時(shí)鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給應(yīng)用控制器一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX(接收)模式中，地址匹配AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號通知控制器一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst TX(發(fā)送)模式中，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)
準(zhǔn)備就緒DR信號通知控制器數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。
1．3 SPI模塊
1．3．1 SPI總線介紹
    SPI(Serial Parallel Bus)總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口，容許CPU與各種外圍接口器件，以串行方式進(jìn)行通信。它使用4條線：串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出線(MISO)、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入線(MOSI)、低電平有效的使能信號線(SS)。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種I／0器件。
    SPI總線模式的數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位進(jìn)行傳輸?shù)?一次傳輸可以傳多個(gè)字節(jié))，每字節(jié)為8位，每個(gè)命令或者數(shù)據(jù)塊都是字節(jié)對齊的(8個(gè)時(shí)鐘的整數(shù)倍)。數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，地位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到每秒幾兆比特。SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個(gè)主器件和一個(gè)或多個(gè)從器件。在本文設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)中，由FPGA實(shí)現(xiàn)的SPI總線接口模塊為主機(jī)，NRF905的SPI模塊為從機(jī)。
    SPI時(shí)序模式的選擇：
    SPI接口有4種不同的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，取CPOL和CPHL這兩位的組合。CPOL是用來決定SCK時(shí)鐘信號空閑時(shí)的電平；CPOL=O，空閑電平為低電平，CPOL=1時(shí)，空閑電平為高電平。CPHA是用來決定采樣時(shí)刻的，CPHA=0，在每個(gè)周期的第一個(gè)時(shí)鐘沿采樣；CPHA=1，在每個(gè)周期的第二個(gè)時(shí)鐘沿采樣。
    圖2為NRF905的SPI接口的時(shí)序圖，由此本文設(shè)計(jì)的SPI工作模式是在CPOL=O，CPHA=O這種時(shí)序下。

1．3．2 SPI硬件設(shè)計(jì)
    圖3是本文無線通信系統(tǒng)中SPI模塊的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)中的SPI主要由時(shí)鐘生成模塊，SPI寄存器組，SPI功能配置的模塊組成，并且通過Wishbone總線與控制器相連，具體設(shè)計(jì)如下：
    時(shí)鐘生成模塊：由于SPI模塊是基于FPGA來實(shí)現(xiàn)的，而FPGA外部提供的時(shí)鐘較快(50 MHz或100 MHz)，不適合與NRF905的SPI接口進(jìn)行通信
(1 Hz～10 MHz)，所以需要分頻來使時(shí)鐘慢下來。但是至于幾分頻是由SPI功能配置模塊來完成的。其次由于SPI協(xié)議指出數(shù)據(jù)可在上升沿或下降沿觸發(fā)，所以還需要對時(shí)鐘的上升沿或下降沿進(jìn)行鑒別(也稱抓沿程序)，這個(gè)功能也由這個(gè)模塊完成。

    SPI寄存器模塊：這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)由16個(gè)8位寄存器組成的128位的寄存器組，也就是說通過SPI接口一次性可收發(fā)8～128位的串行數(shù)據(jù)。具體操作由SPI功能配置模塊來完成。
    SPI功能配置模塊：這個(gè)模塊相當(dāng)于一個(gè)SPI控制器，通過對其寄存器的配置來決定時(shí)鐘的分頻數(shù)，收發(fā)數(shù)據(jù)位數(shù)，時(shí)鐘上升沿或下降沿傳輸數(shù)據(jù)等，而對這些寄存器的配置是由控制模塊完成的。下面就配置寄存器做一些簡要說明。
    首先介紹控制寄存器：
    控制寄存器第O位go：是否開始發(fā)送。
    控制寄存器第1位rx_negedge：接收數(shù)據(jù)是下降沿還是上升沿。
    控制寄存器第2位tx_negedge：發(fā)送數(shù)據(jù)是下降沿還是上升沿。
    控制寄存器第3～9位char_len：發(fā)送數(shù)據(jù)的位數(shù)(因?yàn)镾PI是全雙工的，所以這實(shí)際上也是接收數(shù)據(jù)的位數(shù))。
    控制寄存器第10位lsb：是從高位發(fā)送還是地位發(fā)送。
    控制寄存器第11位ie：讀寫完成之后是否發(fā)送中斷信號。
    控制寄存器第12位ass：是否自動(dòng)產(chǎn)生片選信號。
    分頻寄存器：spi_divider_sel。
    狀態(tài)寄存器：spi_ctrl_sel。
    數(shù)據(jù)寄存器O：spi_tx_sel[0]。
    數(shù)據(jù)寄存器1：spi_tx_sel[1]。
    數(shù)據(jù)寄存器2：spi_tx_sel[2]。
    數(shù)據(jù)寄存器3：spi_tx_sel[3]。
    片選信號寄存器：spi_ss_sel。
1．4 控制模塊
    對于控制模塊來說，其實(shí)現(xiàn)方法是利用基于Verilog語言的有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于一條一條的指令來控制SPI模塊接收發(fā)送數(shù)據(jù)?？刂颇K分成三個(gè)獨(dú)立的部分即接收控制模塊、發(fā)送控制模塊及NRF905配置模塊。其中接收與發(fā)送控制模塊分別包含對SPI進(jìn)行配置的狀態(tài)。下面對接收控制模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。圖4即為Debussy綜合出的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖。

    為了完成無線通訊而設(shè)計(jì)的狀態(tài)較多，比較復(fù)雜，故只對比較重要的狀態(tài)做些簡要說明。idle空閑狀態(tài)，完成對端口進(jìn)行初始化寄存器清零；config_div狀態(tài)，對時(shí)鐘進(jìn)行分頻(定義sclk)；configwb_in狀態(tài)，定義傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)以及是上升沿收發(fā)還是下降沿收發(fā)，wb_inl，wb_in2，wb_in3，wb_in4，這四個(gè)狀態(tài)就是通過Wishbone總線接口對SPI配置要寫的數(shù)(每一個(gè)狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)寄存器)；configspi_out狀態(tài)，開始傳送數(shù)據(jù)；done狀態(tài)，片選置高數(shù)據(jù)傳送完成；readeonfigreg_prel狀態(tài)，設(shè)定發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù)；readconfigreg(讀寄存器控制字位數(shù))狀態(tài)，通過Wishbone總線接口對SPI配置讀命令字；readconfigreg_out狀態(tài)，設(shè)定發(fā)送／接收數(shù)據(jù)位；alldone狀態(tài)，片選置高完成配置數(shù)據(jù)讀取的過程。
    該設(shè)計(jì)考慮到驗(yàn)證配置過程的正確性，故特意設(shè)定了讀寄存器配置數(shù)據(jù)的狀態(tài)，ehangemode就是接收狀態(tài)，當(dāng)接收完成后(DR=1)進(jìn)入eh-angmodee狀態(tài)，把收到的數(shù)據(jù)讀出來。然后再回到readeonfigreg_prel狀態(tài)，等待新的傳輸數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)驗(yàn)證
    該設(shè)計(jì)最后進(jìn)行了板級驗(yàn)證，F(xiàn)PGA開發(fā)板與NRF905的PCB板構(gòu)成這個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)。FPGA芯片的采用Xilinx公司的XC2V1000，所用的綜合工具是Synplify，前仿真與后仿真用來查看波形的工具是Modelsim，所用到的布局布線工具與下載工具是ISE10．1集成的iMPACT，而板級測試用來查看波形的工具是Chipseope。
    在下載之前對本設(shè)計(jì)進(jìn)行了充足的功能仿真，用Verilog編寫了SPI從機(jī)模仿NRF905的SPI接口與SPI主機(jī)進(jìn)行通信，確保能夠完成預(yù)先設(shè)定的功能。
    下載是將配置文件下載到具體的FPGA芯片中。本文系統(tǒng)中采用的是JTAG下載方式，下載工具使用Xilinx ISE的集成工具iMPACT。在下載之前進(jìn)行了管腳綁定其目的就在于能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的輸入／輸出端口約束在FPGA芯片的合適的引腳上，以方便對其進(jìn)行分析和調(diào)試并與外界I／O進(jìn)行相連。下面即為本設(shè)計(jì)中相應(yīng)的管腳約束文件中的相關(guān)內(nèi)容。
   
    下載完成后，依照管腳綁定將FPGA開發(fā)板與NRF905的PCB相連，圖5即為無線收發(fā)的PCB連接圖。

    這只是其中一端，在這里假定為接收端，那么另外還有一樣的互連PCB板作為發(fā)送端。右邊的PCB板為FPGA用來實(shí)現(xiàn)SPI模塊與控制模塊。左上倒凸字形的小PCB板即為NRF905，左邊的PCB板起到了連接FPGA與NRF905的左右，并給NRF905提供電源。
    系統(tǒng)建立起來后，下一步是最終的板級驗(yàn)證。圖6為用Chipscope得到的波形圖。mosi與miso分別是發(fā)送端與接收端SPI總線上的信號。從圖中可以看出數(shù)據(jù)基本吻合，由此表明設(shè)計(jì)的以FPGA控制NRF905的無線通信系統(tǒng)能夠正常工作。

 
3 結(jié)語
    本文實(shí)現(xiàn)了以FPGA控制NRF905的無線通信系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的建立與仿真測試以及板級驗(yàn)證，證明了無線通信系統(tǒng)能夠正常工作，而且無線系統(tǒng)通信距離可達(dá)100 m，基本完成了無線系統(tǒng)通信的要求，充分說明該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性。