CPLD在射頻卡讀寫器中的應用

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：江美龍 于興啟 畢慧玲 沈樹群   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月22日

1 系統(tǒng)工作原理和CPLD特性

    射頻卡讀寫系統(tǒng)又稱射頻識別系統(tǒng)（Radio Frequency Identification），它是利用無線方式進行非接觸式雙向數(shù)據(jù)通信，進而達到識別目標并交換信息的目的。射頻識別技術(shù)發(fā)展迅速，在門禁、交通這、防盜、金融、身份證管理、工業(yè)自動化等方面有著廣泛的應用前景。按照相關(guān)標準，非接觸IC卡可以分為3種：（1）密耦合卡（ISO10536），作用距離0～1cm。（2）近耦合卡（ISO 14443），作用距離0～10cm。（3）疏耦合卡（ISO 15693），作用距離0～150cm。

    基于ISO 15693協(xié)議標準設(shè)計的射頻卡讀寫器是目前中低頻段工作距離最遠（達1.5米）的射頻識別裝置。射頻卡由半導體廠商提供，目前國內(nèi)外均有符合該標準的商用化射頻卡。

    讀寫器和射頻卡之間的數(shù)據(jù)交換主要有兩種：（1）下行數(shù)據(jù)是讀寫器向射頻卡發(fā)送的具有固定幀格式的指令和數(shù)據(jù)：（1）上行數(shù)據(jù)是射頻卡響應讀寫器指令后返回的數(shù)據(jù)。讀寫器分前端收發(fā)模塊和后臺數(shù)據(jù)處理模塊。本文主要涉及數(shù)據(jù)處理部分，其主要功能有：指令裝配、下行數(shù)據(jù)編碼（讀寫器→卡）、上行數(shù)據(jù)解碼（卡→讀寫器）以及差錯控制模塊。射頻卡讀寫器結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

    在實際應用中，密耦合卡和近耦合卡距離射頻卡讀寫器作用距離特別小，一般每次只要求響應一張卡（如公交售票系統(tǒng)）。而疏耦合卡往往應用在對多卡同時進行響應的場合（如多個持卡行李同時經(jīng)過門檢），讀寫器與多卡同時進行數(shù)據(jù)交換可以通過軟件設(shè)計加入“防碰撞機制”實現(xiàn)。但是由于讀寫器在響應某張卡時的數(shù)據(jù)交換時間被限制在200μs～300μs內(nèi)，選用普通單片機無法達到這一要求，因此在設(shè)計中選用了高速CPLD器件來實現(xiàn)編碼、解碼以及差錯控制功能。一方面在響應時間上滿足了實際應用的需要；另一方面簡化了軟件設(shè)計。

    CPLD是從PAL和GAL發(fā)展起來陣列型高密度PLD器件，內(nèi)部由可編程邏輯宏單元、可編程I/O單元、可編程內(nèi)部連線構(gòu)成。它們大多采用E2PROM和FLASH閃存工藝，掉電后編程信息不丟失[2]。器件性能可以滿足不同場合的需要，如XILINX.htm" target="_blank" title="XILINX貨源和PDF資料">XILINX公司XC95XL系列CPLD具有低功耗特性，輸出電壓2.5V/3.3V，端到端延時5ns，系統(tǒng)最高工作頻率可達178M[3]。目前CPLD器件被廣泛應用于代替中小規(guī)模數(shù)字電路，提高系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性能和處理速度。通過管腳鎖定和預留切換端口，可以在不改動原PCB電路板的基礎(chǔ)上對模塊的功能進行修改和完善，給調(diào)試帶來方便。

2 功能模塊實現(xiàn)

2.1 編碼器與譯碼器

    單片機啟動編碼后，編碼模塊向單片機發(fā)中斷（INT0）獲取待編碼的指令數(shù)據(jù)，同時將指令數(shù)據(jù)送入并行CRC模塊。當指令數(shù)據(jù)完成編碼后，控制電路將2字節(jié)CRC值緊接在數(shù)據(jù)之后進行編碼。譯碼時，譯碼器檢測到起始位后，開始譯碼。譯碼后的數(shù)據(jù)通過中斷（INT1）通知單片機取走。并同時送入CRC并行運算模塊進行校驗，單片機在特定的時刻（接收完最后一字節(jié)數(shù)據(jù)時）讀取CRC校驗標志端口CRCALL0，判斷整個數(shù)據(jù)串的正確性。

編譯碼的數(shù)據(jù)格式如下：

    （1）數(shù)據(jù)編碼 從讀寫器到卡的數(shù)據(jù)采用脈沖位置調(diào)制即“1/256”編碼。用256個時隙表示8bit數(shù)據(jù)，通過控制bit脈沖出現(xiàn)的時間位置來表示0～255范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。如圖2，在第255個位置出現(xiàn)的位置脈沖（9.44μs高電平的9.44μs低電平）表示數(shù)據(jù)E1（HEX），采用計數(shù)器加控制電路即可實現(xiàn)?？刂撇糠謪f(xié)助實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫編碼及形成幀起始位和結(jié)束位，用VHDL設(shè)計易于實現(xiàn)。編碼后的數(shù)據(jù)進行ASK調(diào)制（13.56MHz載波），經(jīng)天線發(fā)射出去。 

    （2）數(shù)據(jù)譯碼 從射頻卡返回的數(shù)據(jù)經(jīng)過一次解調(diào)（去掉13.56MHz載波）后，數(shù)據(jù)編碼格式如圖3所示?？梢灾苯舆M行數(shù)據(jù)譯碼，也可以去除子載波（423.75kHz）后得到Manchester碼再譯碼。這里采用后者，通過在每一bit的前、后半段時間內(nèi)兩次取樣、判決、加以串并變換即可得到譯碼后的并行數(shù)據(jù)并送至并行CRC模塊進行CRC校驗，同時送往單片機處理，行CRC模塊在校驗結(jié)束時通知單片機取校驗結(jié)果。 

2.2 差錯處理模塊

    與射頻卡內(nèi)部電路配合，讀寫器端采用了常用的CRC檢錯得傳機制。為了縮短處理時間，滿足讀寫器在實際應用中對多張卡同時處理時的響應時間要求，設(shè)計采用硬件實現(xiàn)。

    計算下行數(shù)據(jù)的CRC值以及對上行數(shù)據(jù)進行CRC校驗，實際上都是完成數(shù)據(jù)的CRC計算，二者可以共用一個模塊，通過控制部分協(xié)調(diào)分工。通常CRC采用性反饋移位寄存器串行實現(xiàn)（見圖4），這里提出了一種并行計算CRC的方法，具有更高的處理速度，使讀寫器對響應時間縮短。 

    CRC-CCITT算法生成多相式為：x 16+x 12+x 5+1[4]。計算CRC實際上是將數(shù)據(jù)通過線性反饋移位寄存器，所有數(shù)據(jù)移入后CRC寄存器的值即為16位CRC值。并行CRC運算模塊每次輸入8位數(shù)據(jù)，相當于一次并行運算就得到了串行移位運算時需要8位移位所得的結(jié)束。由表1～表4可以知道并行CRC實現(xiàn)的原理：每個時鐘到來時完成8bit數(shù)據(jù)CRC值計算；下一個8bit數(shù)據(jù)到來時，把上一個8bit數(shù)據(jù)的CRC值C15～C0作為初值，繼續(xù)完成并行CRC計算。即每次處理一個字節(jié)。 

表1    移位前CRC寄存器值（初值）

R15

R14

R13

R12

R11

R10

R9

R8

R7

R6

R5

R4

R3

R2

R1

R0

C15

C14

C13

C12

C11

C10

C9

C8

C7

C6

C5

C4

C3

C2

C1

C0

表2    1次移位后CRC寄存器值

R15

R14

R13

R12

R11

R10

R9

R8

R7

R6

R5

R4

R3

R2

R1

R0

X0

C15

C14

C13

C12

C11 X0

C10

C9

C8

C7

C6

C5

C4 X0

C3

C2

C1

表3    2次移位后CRC寄存器

R15

R14

R13

R12

R11

R10

R9

R8

R7

R6

R5

R4

R3

R2

R1

R0

X1

X0

C15

C14

C13

C12 X1

C11 X0

C10

C9

C8

C7

C6

C5 X1

C4 X0

C3

C2

表4     8次移位后CRC寄存器值

R15

R14

R13

R12

R11

R10

R9

R8

R7

R6

R5

R4

R3

R2

R1

R0

X7 X3

X6 X2

X5 X1

X4 X0

X3

X7 X2

X6 X1

X5 X0

C15 X4

C14 X3

C13 X2

C12 X1

C11 X7 X0

C10 X6

C9 X5

C8 X4

    表中參數(shù)說明：Ri為CRC移位寄存器值（R0為低位），Ci為CRC移位寄存器初值（C0為低位），Di為輸入數(shù)據(jù)（D0為低位），Xi=Di XDR Ci，同一欄中數(shù)據(jù)的運算關(guān)系是異或（XOR）。

    每次并行數(shù)據(jù)到來時，各CRC寄存器值按表4運算關(guān)系更新。最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)輸入后CRC寄存器的值（R0～R15）即為該數(shù)據(jù)組的CRC值。模塊設(shè)計采用了VHDL語言，同步更新R0～R15寄存器的值，從表中看出，一次CRC計算最多完成4組XOR運算。如：R3<=C11 XOFR D7 XOR C7 XOR D0 XOR X0;R15<=D7XOR C7 XOR D3 XOR C3。

3 控制模塊

    單片機擴展了RAM后，P2口只有P2.5～P2.7可以用來提供控制信號，不能滿足需要，因而在CPLD內(nèi)部將3路信號擴展為8路控制信號，以實現(xiàn)對各部分進行協(xié)調(diào)控制。主要有編碼器和譯碼器的啟動信號、復位信號、指令標志信號、CRC輸出信號等控制信號。

4 性能分析

    這里選用1片XILINX XC95144實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)處理模塊的功能，使用軟件平臺是XILINX.htm" target="_blank" title="XILINX貨源和PDF資料">XILINX Foundation 3.1i。XC95144內(nèi)部有144個宏單元、3200可用門。圖5和圖6分別給出了編碼器和譯碼器的部分時序仿真結(jié)果及其說明?？梢钥吹?，二者均實現(xiàn)了協(xié)議要求，編碼器在準確的位置實現(xiàn)脈沖位置調(diào)制，譯碼器能準確地對曼徹斯特碼數(shù)據(jù)進行譯碼，并計算出輸入數(shù)據(jù)的CRC值。 

    用AT89C51單片機提供編碼數(shù)據(jù)以及模擬待譯碼曼碼數(shù)據(jù)流對模塊功能進行實測，用示波器觀察各測試點信號，結(jié)果基本上與時序仿真的波形圖相同，達到了預期設(shè)計的目標。

    本文較系統(tǒng)地介紹了一類遠距離射頻卡讀寫器數(shù)字處理模塊的設(shè)計，特別在于：（1）采用單片CPLD實現(xiàn)了射頻卡讀寫器數(shù)字模塊功能，采用了原理圖和VHDL相結(jié)合自頂向下的設(shè)計方法[2][5]，樣機PCB版面積小，開發(fā)周期短，性能穩(wěn)定。其設(shè)計方案和思路對其他類別射頻卡讀寫器設(shè)計具有一定的參考價值。（2）提出了一種快速實現(xiàn)CRC-CCITT的并行運算方法，該方法適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場合。

    為了提高系統(tǒng)的安全性，可以對對寫入卡中的數(shù)據(jù)進行加密處理，即引入數(shù)據(jù)加密模塊，并將整個設(shè)計配置到一片容量更大的CPLD或FPGA中。 

作者：北京郵電大學電子工程學院智能信息處理實驗室（100876）江美龍 于興啟 畢慧玲 沈樹群