通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-rfid二進(jìn)制樹防碰撞算法的研究與實(shí)現(xiàn)-文庫吧

【正文】 ........................................ 32 5 3． 3． 4實(shí)例演示 ................................................ 37 3． 4 本章小結(jié) ...................................................... 39 4 FPGA 實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型二進(jìn)制樹防碰撞算法 ............................ 40 4． 1 FPGA 技術(shù) ..................................................... 40 4． 1． 1 FPGA 簡介 ............................................... 40 4． 1． 2 FPGA 設(shè)計(jì)流程 ........................................... 40 4． 1． 3 FPGA 設(shè)計(jì)工具 ........................................... 42 4． 1． 4 FPGA 設(shè)計(jì)語言 ........................................... 45 4． 1． 5 TestBench 驗(yàn)證平臺 ...................................... 45 4． 2 RFID 系統(tǒng)中的防碰撞模塊 ....................................... 46 4． 3 FPGA 實(shí)現(xiàn)算法流程 ............................................. 46 4． 4 曼徹斯特解碼模塊 .............................................. 47 4． 5 命令處理模塊 .................................................. 50 4． 5． 1請求命令處理 ............................................ 50 4． 5． 2防碰撞命令處理 .......................................... 51 4． 5． 3選擇命令處理 ............................................ 53 4． 5． 4去選擇命令處理 .......................................... 53 4． 6 命令選擇模塊 .................................................. 53 4． 7 數(shù)據(jù)存儲模塊 .................................................. 55 4． 8 密勒編碼模塊 .................................................. 56 4． 9 模塊連接 ...................................................... 57 4． 10 本章小結(jié) ..................................................... 58 結(jié)論 ........................................................ 58 致謝 ........................................................ 62 6 1 引言 1． 1 RFID 技術(shù) 簡介 自動設(shè)備識別技術(shù)是目前國際上發(fā)展很快的一項(xiàng)新技術(shù)，英文名稱為Automatic Equipment Identif ication，簡稱 AEI，它通過一些先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)人們對各種設(shè)備在不同狀態(tài)下的自動識別和管理【 ll】 。 目前，應(yīng)用最廣泛的自動識別技術(shù)大致可以分為光學(xué)技術(shù)和無線電技術(shù)兩種，其中光學(xué)技術(shù)普遍應(yīng)用于條形碼和攝像兩大類，而無線電技術(shù)在自動識別領(lǐng)域 的 應(yīng) 用 更 具 體 的 名 稱 為 射 頻 識 別 ， 英 文 名 為 Radio Frequency Identification，簡寫為 RFIDI21。 RFID 技術(shù)通過射頻 方式進(jìn)行非接觸的雙向通信，達(dá)到自動識別的目的，它源起于上世紀(jì)四五十年代，最初是基于雷達(dá)與微波理論的發(fā)展，自從上世紀(jì)九十年代以來， RFID 技術(shù)快速發(fā)展，得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入新世紀(jì)后，各個(gè)國家，組織還有企業(yè)都加大了對 RFID 技術(shù)的投入，生產(chǎn)了大批相應(yīng)的產(chǎn)品，在多個(gè)領(lǐng)域有了成功的應(yīng)用案例。 RFID 被譽(yù)為二十一世紀(jì)的十大戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，可以預(yù)想，未來 RFID 技術(shù)的發(fā)展空間是無限廣闊的。 1． 2 RFID 系統(tǒng) 1． 2． 1 RFID 系統(tǒng)組成 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境， RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有多種不同分法，一般來說，一個(gè)典型RFID 系統(tǒng)包括三個(gè)部分：前端信息載體，數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)，后端應(yīng)用環(huán)境【 3】。在具體應(yīng)用中，前端信息載體有多個(gè)名稱，如標(biāo)簽 (Tag)，智能標(biāo)簽 (Smart Labels)，射頻卡 (RF Card)等，本文建議采用應(yīng)答器 (Transponder)這種更具普遍意義的說法。在 RFID 系統(tǒng)中，應(yīng)答器放置在待識別的物體上，它內(nèi)部存儲的信息表征著該物品的獨(dú)一性。通常來說，應(yīng)答器由耦合元件和微電子芯片組成，主要電氣性能為工作頻率，讀寫能力，數(shù)據(jù)傳輸率，信息數(shù)據(jù)存儲量，防碰撞能力，信息安全性能等，應(yīng)答器的分類也是以這些性能為依據(jù)的，例 如根據(jù)存儲器可將應(yīng)答器分為 EEPROM， FROM(鐵電存儲器 )， SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲器 )，根據(jù)信息注入方式可分為集成電路固化，現(xiàn)場 線改寫，現(xiàn)場無線改寫，根據(jù)電源供給方式分為無源，半無源，有源。一般來說，應(yīng)用最廣泛的是無源 +集成電路固化 +靜態(tài)隨機(jī)存儲的應(yīng)答器。由于在 RFID 系統(tǒng)中，應(yīng)答器是大規(guī)模生產(chǎn)的 。 應(yīng)答器的典型產(chǎn)品有 TI公司的 6000 系列， Philips 公司的 I CODE 等。數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)即 RFID 系統(tǒng)中的讀出寫入設(shè)備，它是系統(tǒng)的核心部件，是后端應(yīng)用環(huán)境和前端信息載體的數(shù)據(jù)通道，在實(shí)際應(yīng)用中，往往被稱為查 詢器，掃描器，閱讀器，編程器等，本文建議采用讀寫器 (Read／ Write Device)這種更具普遍意義的說法，這樣既包括了從應(yīng)答器中讀出信息，同時(shí)也包括了向應(yīng)答器中寫入信息。根據(jù)天線與讀寫器模塊的分離與否，讀寫器可以分為分離式和集成式，但無論哪種讀寫器，其基本結(jié)構(gòu)都是類似的，從硬件部分來說，典型的讀寫器由三塊組成：射頻通道模塊，控制處理模塊，天線。后端應(yīng)用環(huán)境主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及處理， 7 它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，也是一個(gè)全局控制系統(tǒng)，一般由 PC 機(jī)或者工作站組成，同時(shí)也包括了應(yīng)用軟件在內(nèi)，整個(gè)后端應(yīng)用 環(huán)境負(fù)責(zé)接收來自讀寫器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲以及相應(yīng)的處理，協(xié)同調(diào)節(jié)多個(gè)讀寫器的工作，該部分在應(yīng)用中常稱為中間件 (Savant)，它擴(kuò)展了 RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用能力，是未來 RFID 系統(tǒng)智能化，大型化發(fā)展的有力技術(shù)支撐，是 RFID 技術(shù)發(fā)展的重要方式。微軟公司近年來也介入了 RFID 技術(shù)領(lǐng)域，所瞄準(zhǔn)的就是 RFID 系統(tǒng)后端應(yīng)用的相關(guān)軟件和服務(wù)。 綜上所述，一個(gè)典型的 RFID 系統(tǒng)的組成如圖所示： 圖 RFID 系統(tǒng)組成 1． 2． 2 RFID 系統(tǒng)分類 RFID 系統(tǒng)依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以分為很多類別，各個(gè)不同 的 RFID 系統(tǒng)，在工作方式和應(yīng)用范圍上，有著各自不同的特點(diǎn)，在應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要來選擇。幾種典型的分類方式如下所示： 根據(jù)作用距離的遠(yuǎn)近， RFID 系統(tǒng)可以分為如下三個(gè)方面： (1)密耦合：典型的作用范圍為 0～ lcm。 (2)遙耦合：典型的作用范圍為 lcm～ 1m。 (3)遠(yuǎn)距離系統(tǒng)：典型的作用范圍為 l～ 10m。 根據(jù)工作頻率的大小， RFID 系統(tǒng)可以分為如下四個(gè)方面： (1)低頻： 30～ 300KHz，典型應(yīng)用為 134KHz。 (2)高頻： 3～ 30MHz，典型應(yīng)用為 13． 56MHz． (3)超高頻： 300MHz~5． 8GHz，典型應(yīng)用為 2． 4G。 (4)混頻：多個(gè)頻率的混合使用，典型應(yīng)用為 134KHz+430MHz。 根據(jù)應(yīng)答器供電方式， RFID 系統(tǒng)可以分為三個(gè)方面： (1)無源系統(tǒng)：由讀寫器負(fù)責(zé)給應(yīng)答器供電。 (2)半無源系統(tǒng)：應(yīng)答器內(nèi)的電池僅做輔助作用。 (3)有源系統(tǒng)：應(yīng)答器內(nèi)置電池負(fù)責(zé)供給工作電壓。 8 1． 2． 3 RFID 系統(tǒng)工作原理 RFID 是一門多學(xué)科綜合技術(shù)，涉及到電磁場理論，數(shù)字電路，模擬電路，無線電廣播，通信原理等多方面知識 RFlD 系統(tǒng)中，讀寫器將要發(fā)送的信號調(diào)制到載波上，經(jīng)由射頻通道，通過天線發(fā) 送出去，應(yīng)答器上的電壓根據(jù)載波的變化而變化，將該電壓信號進(jìn)行整流和濾波后，得到解調(diào)后的數(shù)據(jù)，這是下行鏈路的過程，應(yīng)答器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的變化控制應(yīng)答器天線上負(fù)載電阻的通斷，從而促使讀寫器天線上電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上行鏈路傳輸。在數(shù)據(jù)的雙向傳輸過程中，是通過電磁場的相互感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，該過程也可以用變壓器的模型來予以參考。同時(shí)，根據(jù) RFID 系統(tǒng)的不同，在供電方式上有無源或者有源，調(diào)制方式上有幅度調(diào)制或者相位調(diào)制，數(shù)據(jù)讀取上有電感耦合或者反向散射等區(qū)別【 5】 。 1． 3 RFID 技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展 1． 3． 1 RFID 技術(shù)應(yīng)用 做為一種新興的自動識別技術(shù)， RFID 近年來發(fā)展很快，在國內(nèi)國外都取得 了廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)領(lǐng)域【 6】 。 (1)物流管理 ． 物流管理是 RFID 技術(shù)最具應(yīng)用前景的領(lǐng)域，近年來提出了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的概念，意在將全球所有的物品信息都用唯一的電子代碼來表示，從而將這些物品都聯(lián)系在一起，可以隨時(shí)隨地的識別，追蹤，管理這些物品，最終在產(chǎn)品，用戶，企業(yè)和政府之間建立但是該應(yīng)用涉及到的方面太廣，技術(shù)難度很大，目前還在研究當(dāng)中。 (2)身份識別 利用 RFID 技術(shù)，將應(yīng)答器嵌入到身份證，護(hù)照等各種證件當(dāng)中 ，甚至植入動物皮毛，用來跟蹤和識別目標(biāo)。這方面應(yīng)用的典型例子是我國目前實(shí)行的二代身份證，它基于 ISO／ IEC14443 標(biāo)準(zhǔn)定義的 TYPE B 類型卡。 RFID 在身份識別方面的主要問題是頻段的局限性，一般使用的是 l35KHz 和 13． 56MHz 的工作頻率，這是因?yàn)檫^高的頻段容易帶來對人體有害的電磁輻射。 (3)防偽應(yīng)用 應(yīng)答器在防偽應(yīng)用中有識別快速，偽造難，成本低等優(yōu)點(diǎn)，再加上安全認(rèn)證和加密功能，就可以大大提高偽造的難度和成本，同時(shí)，在識別的時(shí)刻，可以通過讀寫器的快速閱讀功能，在瞬間得出所有物品的信息，并加以記錄 和處理。目前在日本和歐洲已經(jīng)有了類似的應(yīng)用。 (4)交通管理 交通管理是 RFID 最先應(yīng)用的領(lǐng)域，目前已經(jīng)擁有了成熟的技術(shù)，它利用了應(yīng)答器便捷快速識別，可靠性高，安全性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用范圍是電子車票，高速公路收費(fèi)等方面，在我國深圳，基于 RFID 技術(shù)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。 RFID 技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止以上提及的四個(gè)方面，它在諸如生產(chǎn)線自動化管理，門禁系統(tǒng)，新生嬰兒防錯(cuò)管理，地理信息標(biāo)識等多個(gè)方面都有著廣泛應(yīng)用，可以毫不夸張的說， RFID 技術(shù)有著良好的發(fā)展前景，它孕育的 9 經(jīng)濟(jì)效益將是超乎想像的。 1． 3． 2 RFID 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化 RFID 最初是各個(gè)廠家在各自的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)下開發(fā)出來的，缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，因此制約了該項(xiàng)技術(shù)在大規(guī)模系統(tǒng)中的應(yīng)用，隨著 RFID 技術(shù)的發(fā)展，參與到其中的國家，組織，企業(yè)也越來越多，目前形成了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO，泛在 ID中心 UID，全球電子產(chǎn)品代碼管理中心 EPC 三大標(biāo)準(zhǔn)體系，這些標(biāo)準(zhǔn)涉及到 RFID系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，通信協(xié)議，防碰撞算法，應(yīng)用系統(tǒng)接口協(xié)議等等多個(gè)方面的內(nèi)容，它們針對不同的頻率，基于不同的工作原理，甚至在同樣的應(yīng)用背景下也有著巨大的協(xié)議上的區(qū)別。而要建立一個(gè)全球互聯(lián)的 RFID 產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn) RFID技術(shù)的飛躍發(fā)展，就必須解決標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的難題，近年來，隨著 RFID 技術(shù)的應(yīng) 用越發(fā)廣泛，有識之士都意識到并著手解決這個(gè)問題，目前主要有兩種思路，一是生產(chǎn)出適應(yīng)于不同標(biāo)準(zhǔn)，多制式兼容的 RFID 產(chǎn)品，二是制定一個(gè)統(tǒng)一的 RFID碩十學(xué)位論 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是 RFID 本身的技術(shù)難度，以及標(biāo)準(zhǔn)帶來的經(jīng)濟(jì)利益的沖突，使得該目標(biāo)實(shí)施起來非常困難。由此可見，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化問題的重要性與困難性是并存的，這將是一個(gè)任重而道遠(yuǎn)的過程。 1． 3． 3 RFID 防碰撞算法 隨著 RFID 技術(shù)的發(fā)展，多目標(biāo)識別成為了一個(gè)很重要 的應(yīng)用方向，特別在目標(biāo)跟蹤，物品識別，訪問控制等操作中，利用 RFID 技術(shù)，對附著在不同目標(biāo)上的應(yīng)答器快速可靠的進(jìn)行識別，從而大大提高了定位的精確度，管理的自動化促進(jìn)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。因此，如何保證迅速快捷，又安全可靠的同時(shí)識別多個(gè)目標(biāo)，就成為了 RFID 技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。在 RFID 系統(tǒng)中，當(dāng)工作范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)了多個(gè)讀寫器和多個(gè)應(yīng)答器時(shí)，讀寫器與讀寫器之間，應(yīng)答器與應(yīng)答器之間的相互干擾，稱