射頻識(shí)別(RFID-Radio Frequency Identification)系統(tǒng)有著較大的數(shù)據(jù)容量和較快的讀寫(xiě)速度，并且受環(huán)境影響小，與接觸式IC卡系統(tǒng)相比，由于沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)，不存在觸點(diǎn)腐蝕和污染的問(wèn)題，因而一誕生就備受重視，在銀行信用卡、貨物銷(xiāo)售、倉(cāng)儲(chǔ)管理等方面獲得了廣泛應(yīng)用。
　　一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)由閱讀器(VCD-Vicinity Coupling Device)、電子標(biāo)簽(VICC-Vicinity Integrated Circuit card)及計(jì)算機(jī)三個(gè)部分組成。電子標(biāo)簽的功能是儲(chǔ)存有關(guān)物體的數(shù)據(jù)信息，閱讀器的功能則是通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象電子標(biāo)簽并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。本文所介紹的符合ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)，閱讀器和電子標(biāo)簽之間的載波頻率為13.56MHz，采用半雙工的方式通訊，配合適當(dāng)?shù)奶炀€(xiàn)其有效作用距離為0～1m，理想情況下可以達(dá)到1.5m，具備抗沖突能力。
　　目前，VICC的數(shù)字部分的控制器有兩種：嵌入式CPU和狀態(tài)機(jī)。嵌入式CPU設(shè)計(jì)較為靈活，能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的加密算法，但是功耗較大、成本高；而狀態(tài)機(jī)則功耗低、成本低，因而在注重功耗和成本的RFID市場(chǎng)獲得了廣泛應(yīng)用，也為本文所采用。
1 VICC數(shù)字部分的構(gòu)成
　　VICC數(shù)字部分的組成模塊如圖1所示。包括脈沖位置解碼模塊、接收CRC校驗(yàn)?zāi)K、CRC產(chǎn)生模塊、狀態(tài)機(jī)模塊、編碼和調(diào)制模塊、EEPROM和時(shí)鐘分頻" title="分頻">分頻模塊。脈沖位置解碼模塊接收從VICC模擬接口輸入的來(lái)自VCD的數(shù)據(jù)，并將解碼數(shù)據(jù)輸出至接收CRC校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)機(jī)模塊。接收CRC校驗(yàn)?zāi)K對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。狀態(tài)機(jī)模塊對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如讀寫(xiě)EEPROM、防沖突" title="防沖突">防沖突控制等，處理完成后則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至CRC產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的CRC校驗(yàn)碼，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼一起送編碼和調(diào)制模塊，經(jīng)處理后由VICC模擬接口發(fā)送至VCD。時(shí)鐘分頻模塊則將輸入的13.56MHz的頻率分別進(jìn)行四分頻和三十二分頻。分頻后的頻率分別交由數(shù)字部分其它模塊使用。EEPROM存儲(chǔ)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。

2 VICC狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)
　　VICC數(shù)字部分的關(guān)鍵是狀態(tài)機(jī)，它是實(shí)現(xiàn)VICC功能的核心。VCD命令的處理、EEPROM的讀寫(xiě)控制、數(shù)字部分各個(gè)模塊之間的協(xié)同工作，都離不開(kāi)狀態(tài)機(jī)。
2.1 VICC狀態(tài)描述
　　根據(jù)ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)，VICC有四種不同的狀態(tài)：Power-off、Ready、Quiet和Selected。其中，Selected是可選擇的。每一個(gè)VICC在同一時(shí)間只能處于一種狀態(tài)，不同狀態(tài)的VICC對(duì)同一命令的響應(yīng)是不同的。圖2是VICC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

　　VICC沒(méi)有進(jìn)入VCD的場(chǎng)工作范圍" title="工作范圍">工作范圍時(shí)，VICC處于Power-off狀態(tài)；進(jìn)入VCD的場(chǎng)工作范圍時(shí)，VICC通過(guò)天線(xiàn)感應(yīng)能量而啟動(dòng)，進(jìn)入Ready狀態(tài)；在VCD場(chǎng)工作范圍內(nèi)，VICC根據(jù)VCD發(fā)出的命令進(jìn)行相應(yīng)的命令響應(yīng)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移；VICC移出VCD場(chǎng)工作范圍時(shí)，不論VICC當(dāng)前處于什么狀態(tài)，由于沒(méi)有能量供應(yīng)，它都將進(jìn)入Power-off狀態(tài)。
2.2 VCD和VICC之間的通訊協(xié)議
　　VCD和VICC之間的通訊遵循VCD先說(shuō)的原則，也就是VICC并不主動(dòng)向VCD發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當(dāng)它接收到VCD命令并響應(yīng)時(shí)，它才向VCD發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
　　VCD向VICC發(fā)送命令的格式如圖3所示。SOF表示幀頭；Command為命令碼； Flags為該命令所攜帶的標(biāo)記位，如Select_flag、Address_flag等；Parameter為該命令的參數(shù)；Data為該命令所攜帶的數(shù)據(jù)；CRC是校驗(yàn)碼；EOF表示幀尾。
　　VICC響應(yīng)VCD命令并向VCD發(fā)送數(shù)據(jù)的格式如圖4所示。SOF表示幀頭，F(xiàn)lags表示該響應(yīng)處理正確與否的標(biāo)記位。Parameter為該響應(yīng)參數(shù)，Data為該響應(yīng)所攜帶的數(shù)據(jù)，CRC是校驗(yàn)碼。EOF表示幀尾。

2.3 VICC狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)流程
　　VICC共有四種狀態(tài)，因而其實(shí)現(xiàn)程序應(yīng)對(duì)各種狀態(tài)分別處理。Power-off狀態(tài)表示VICC沒(méi)有上電的情況，程序中不需要對(duì)此狀態(tài)進(jìn)行處理。根據(jù)VCD和VICC之間的通訊協(xié)議，VICC在Ready狀態(tài)下對(duì)VCD命令響應(yīng)的工作流程如圖5所示。在其它兩種狀態(tài)即Quiet和Selected下，對(duì)VCD命令的響應(yīng)也是類(lèi)似的。圖5中，符號(hào)①表示倘若當(dāng)前狀態(tài)不是Ready狀態(tài)，則進(jìn)入Quiet或Selected狀態(tài)下對(duì)命令進(jìn)行處理。

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2.4 防沖突處理
　　當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的VICC同時(shí)處于VCD場(chǎng)區(qū)時(shí)，則多個(gè)VICC響應(yīng)VCD命令可能產(chǎn)生沖突。當(dāng)VICC狀態(tài)機(jī)給VCD發(fā)送相應(yīng)命令的回復(fù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼和調(diào)制模塊處理后便串行發(fā)送至VCD。在編碼和調(diào)制模塊，VICC對(duì)要發(fā)送的每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，上跳沿表示數(shù)據(jù)“1”，下跳沿表示數(shù)據(jù)“0”。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，即在同一時(shí)間段，一個(gè)VICC發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，另外還有某一個(gè)VICC發(fā)送數(shù)據(jù)“0”，這兩個(gè)信號(hào)在VCD上疊加，使VCD在這一時(shí)間段接收不到跳變沿。從而判斷為發(fā)生了沖突。這時(shí)VCD將發(fā)送防沖突命令I(lǐng)nventory。
　　當(dāng)VICC收到Inventory命令時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入防沖突處理。狀態(tài)機(jī)先將當(dāng)前的時(shí)間片和Inventory指令中的掩膜值串接，所得到的位再和VICC唯一ID值對(duì)應(yīng)的位相比較，如圖6所示。
　　倘若時(shí)間片和掩膜值串接后的位和VICC唯一ID值對(duì)應(yīng)的位一致，則VICC響應(yīng)該VCD命令，返回VICC的唯一ID值和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的ID值，反之，則不響應(yīng)。在防沖突處理期間，若VICC接收到EOF，則將時(shí)間片加1，并進(jìn)行相同的比較處理。若接收到其它命令，狀態(tài)機(jī)退出防沖突狀態(tài)。
2.5 錯(cuò)誤處理
　　當(dāng)VICC接收到CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤的命令時(shí)，VICC狀態(tài)機(jī)放棄該命令，對(duì)該命令不予響應(yīng)。當(dāng)VCD向VICC發(fā)送的命令格式不正確，或是讀寫(xiě)的字塊超出了VICC的最大值范圍時(shí)，VICC狀態(tài)機(jī)返回相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼，通知VCD發(fā)生了錯(cuò)誤。VCD可根據(jù)錯(cuò)誤代碼判斷錯(cuò)誤類(lèi)型。
3 系統(tǒng)的仿真波形與FPGA實(shí)現(xiàn)
　　ISE6.1是Xilinx FPGA/CPLD的綜合性集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了設(shè)計(jì)輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線(xiàn)與實(shí)現(xiàn)、時(shí)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。本文在ISE6.1環(huán)境下編譯、仿真和下載。