RFID防碰撞算法的FPGA仿真实现
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图４为接收到的数据在【７】、［５】、【１】位存在碰撞现象
图４【７］、【５］，【１］位存在碰撞时解码器时序仿真
８２ 欢迎网上投稿聊Ⅳｗ．神ｔ眦ｔ．ｃｎ ｗｗｗ．ａｅｔ眦ｔ．ｃｏｍ．ｃｎ
《电子技术应用》２００７年第１期
万方数据
时解码器的时序仿真结果。图中圆圈圈出部分为 解码后的碰撞位，由图可以看出标识碰撞位的 ｎａｇ＿ｏｕｔ的输出数据为１０１０００１０，可知，接收到的数 据的［７】、［５】、【１］位发生了碰撞。 ２．２．３存储节点的Ｌ｜ＦＯ栈
ＩＳＯ １４４４３—３ｆ３Ｊ规定了ＴＹＰＥ Ａ和，ＩＹＰＥ Ｂ两种防冲 撞机制。二者防碰撞机制的原理不同，前者是基于位碰 撞检测协议，而ＴＹＰＥ Ｂ则通过系列命令序列完成防碰 撞。ＩＳＯ １５６９３采用轮询机制、分时查询的方式完成防碰 撞机制，这在标准的第三部分有详细规定。基于此的现 存防碰撞算法有ＡＬＯＨＡ…算法、分隙ＡＬＯＨＡ算法和二 进制树形搜索算法等，前两者的信道最佳利用率分别为 １８．４％和３６．８％，但随着标签数量的增大，性能将急剧恶 化。二进制树形搜索算法在一次性读取标签的数目和速 度上有了极大的提高。 １．２二进制树形搜索防碰撞算法原理
数据采集系统由Ａ／Ｄ数据采集单元、 ＵＳＢ从接口单元、Ｕ盘读写单元组成。硬件原 理图如图１所示。被测信号经Ａ／Ｄ转换后写
入ＦＩＦＯ中；当ＦＩＦｏ数据半满后，产生中断，通知ＤＳＰ进 行数据压缩处理；ＤＳＰ把压缩好的数据依次写入ＵＳＢ接 口芯片的４个从ＦＩＦ０中，４个从ｎＦＯ对应ＵＳＢ的４个 端点，ＤＳＰ一边写入数据，已写满的从ＦＩＦＯ就一边通过 相应端点由ＳＩＥ把数据发送到上位机，上位机一边把收
关键词：ＵＳＢ ＤＳＰ ＦＰＧＡ高速传输
测量仪器一般由数据采集、数据分析和显示三部分 组成，而数据分析和显示可以由ＰＣ机的软件来完成， 因此只要额外提供一定的数据采集硬件就可以和ＰＣ机 组成测量仪器。这种基于ＰＣ机的测量仪器被称为虚拟 仪器…。而在一些数据量比较大、采集时间比较长的场 合，就需要采用高速的数据传输通道。基于 虚拟仪器的思想和高速传输通道的要求，设 计了一种基于ＤＳＰ和ＵＳＢ２．０的高速数据传 输接口。 １数据采集系统硬件
目前使用的防碰撞算法大多通过软件方式实现，容 易造成应用软件非常复杂而且多张卡片应用时速度很
《电子技术应用》２００７年第１期
本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
８１
万方数据
图２二进制树形搜索算法流程示意图
慢。因此，对其采用软硬件结合的方式，用ＦＰＧＡ【６１实现防 碰撞算法，可达到速度快、成本低的要求。 ２．１总体设计方案
Ｍ粕ｃｈｅｓｔｅｒ解码及碰撞位判断是整个跳跃式二进制 树形防碰撞算法的关键。解码和碰撞位的判断均由 Ｍ肌ｃｈｅｓｔｅｒ解码器模块完成。
首先，Ｍａｌｌｃｈｅｓｔｅｒ解码器模块中定义了一个两位的移 位寄存器，用来检测标签发送的Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ码的同步头， 以便判断出编码的到来。一旦移位寄存器检测到标签发 送过来的信号的同步头，ＭａｒＩｃｈｅｓｔｅｒ解码器便开始解码工 作。采样信号的产生可以利用循环计数的计数器来实现。 该计数器在高频时钟的边沿到来时自动加１，其循环周期 与ＭａＩｌｃｈｅｓｔｅｒ编码时钟周期相等。为防止延迟干扰，在计 数器循环周期的１／４、３／４处令采样信号为高电平。当解码 完成后解码器将向控制状态机发送一个ｄ８ｔａ＿ｒｅａｄｙ脉冲信 号，表明已经解码完毕，可以向状态机传送数据。
关键词：防碰撞算法ＲＦＩＤ ＦＰＧＡ仿真
ＲＦＩＤ【１１（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｍｃａｔｉｏｎ）是利用无
…舢…石厂］【］石门■石■一 线信道实现双向通信的一种识别技术，可识别远距离的
贴有标签的目标，并读写相关数据。ＲＦＩＤ系统可识别高
速运动的物体并可同时识别多个目标，操作快捷方便。
…埘…，几一刖Ｌｒ岬扎 本文基于ＲＦＩＤ系统，解决了同一时间识别多个目标的
冲突问题。
１概述 ＲＦＩＤ系统主要由射频通信和计算机信息系统两部
分组成，其中，射频通信部分主要包括读写器和标签（射
…胍厂］ｎ厂］厂］厂］
频卡）。其间存在两种通信形式：从读写器到电子标签的
数据传输，即读写器发送的数据流被其覆盖范围内的多 个标签所接收，这种通信形式也被称为无线电广播；在 读写器的作用范围内有多个标签同时应答，这种形式被 称为多路存取。在后一种通信形式中，标签数据的混叠 问题被称为碰撞问题。为了防止由于多个电子标签的数 据在读写器的接收机中相互碰撞而不能准确被读出，必 须采用防碰撞算法Ⅲ来加以克服。 １．１防碰撞算法
本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
８３
万方数据
基于ＵＳＢ和ＤＳＰ昀数据采集系统帕设计
戴小俊１’２，丁铁夫１，郑喜凤－ （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春１３００３３； ２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）
摘要：介绍了一种利用ＵＳＢ２．０的高速传输特性，基于ＵＳＢ和ＤＳＰ的数据采集系统。详细论述 了系统的总体结构、部分硬件设计，并简要叙述了相应固件程序的实现。
ｃａｌｌ命令中读写器与标签对数据的处 理也要占用一定的时间。可以等价为 传送小于８ｂｉｔ的数据。这样每次命令 的执行共有１４４ｂｉｔ的数据传送。所以，
ｎ一型掣：７５３。 每秒钟可执行ｃａｌｌ命令次数扎为： ｌ‘●ｑ 由算法可知，当区域内存在的标
签数为Ｌ时，则全部被识别出所执行 的ｃａｌｌ命令的次数约为牡，因此本文
ＵＦＯ（Ｌａｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ）栈用来存储算法执行 过程中所经过的节点的信息。为了协调ＬＩＦＯ内部 的工作状态，在ＵＦＯ栈的模块中定义了一个小型 的状态机。其工作状态及转换条件流程图如图５ 所示。
．竺竺，．Ｉｉｆｏｗｒ：ｌ＆＆
ｌｉｆｏBaidu Nhomakorabeaｄ＝１＆＆
图５ ＵＦ０栈内部状态机 对ＵＦ０栈穿插写入和读取数据，以验证ＵＦＯ模块 功能。第一次写入两个数据１０１０００１１、１１１０００１０，进行一 次读取操作；然后连续写入两个数据１０１０１０１０、 ０１０１１０１１，再连续进行四次读取操作。其仿真结果如图６ 所示。 由图６可看出，第一次写入两数据后，ＵＦＯ栈的栈
ⅣⅢ一尝：４２９６。 大数目为Ⅳ娜，可以计算出： ‘．Ｘ叶 ３．２算法识别速度
ＩＳＯ １４４４３定义了ＴＹＰＥ Ａ、ＴＹＰＥ Ｂ两种类型协议， 其通信速率均为１０６ｌ【ｂｐｓ。以此标准来计算算法的识别 速度。
算法执行过程中以ｃａｌｌ命令和ｓｌｅｅｐ命令为单元，每 次命令的执行都要发送６４ｂｉｔ的参数，８ｂｉｔ的ｍ参数，接 收标签返回的６４ｂｉｔ数据，共传送１３６ｂｉｔ的数据。另外
ＥＰＣ标签模块可以抽象为一个Ｍ蛐ｃｈｅｓｔｅｒ编码器模 块，ＲＦＩＤ读写器内部包含三个基本的功能模块：Ｍ蚰ｃｈ． ｅｓｔｅｒ解码器模块、ＵＦＯ模块和控制整个算法的状态机 模块。其基本模块连接关系如图３所示。
戳 ：！至鲞：赢 控制信号２
Ｌ——二 Ｍｎｃｈｅｓｔｅｒ
ｌ编码器麽磊磊■
解码器ｌ缸ｍ Ｉ兰
算法控制 状态机
１０１０００１１，ｔａ９２＝１００１１０１１，ｔａ９３＝０００１０００１，ｔ讲＝１１１０１１００。
其算法流程示意图如图２所示。 从图２可以看出，ｃａｌｌ命令的ｅｐｃ参数由碰撞位判
断得出，而ｃａｌｌ命令中的ｍ参数又由相应的ｅｐｃ参数求 得，这样就使得算法在执行过程中跳过了空闲的节点， 提高了算法的执行效率。又因为算法可以形象地用二进 制树来描述，故称为“二进制树形防碰撞算法”。 ２碰撞算法的ＦＰＧＡ仿真实现
Ｍ粕ｃｈｅｓｔｅｒ编码器即为ＲＦｌＤ标签，它的主要数据输 入包括该标签的数据、ｃａｌｌ或ｓｌｅｅｐ命令标志以及相应的 ｅｐｃ参数和ｍ参数。当接收到ＲＦＩＤ读写器也就是算法 控制状态机的控制信号后做出相应的判断，如果满足 ｃａｌｌ命令的条件则开始对标签数据进行Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编 码，编码完成后将编码后的数据发送给Ｍ蚰ｃｈｅｓｔｅｒ解码 器，Ｍ姐ｃｈｅｓｔｅｒ解码器接收到数据后开始进行解码工作。 如果满足ｓｌｅｅｐ命令的条件，标签则进入睡眠状态，对以 后的ｃａｌｌ命令不作应答。 ２．２．２ ＭａｎｃｈｅＳｔｅｒ解码器
将ＭａｒＩｃｈｅｓｔｅｒ编码模块、Ｍ锄ｃｈｅｓｔｅｒ解码模块、ＵＦＯ 模块和算法控制状态机模块连接起来进行算法的综合 仿真。
测试中设定读写器作用范围内共有四个ＲＦＩＤ标
图６ ｕＦ０栈读写功能仿真结果
《电子技术应用》２００７年第１期
图７综合时序仿真测试结果
签，标签的ＥＰＣ码为８位二进制码。四个标签的数据信
二进制树形搜索防碰撞算法嘲适用于ＴＹＰＥ Ａ。Ａ型标 签采用Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编码方式，这使得准确地判断出碰撞位
成为可能。图１所示为利用Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编码识别碰撞位。 当读写器接收到发送的标签信号时，首先判断是否
发生碰撞以及发生碰撞的具体位置，然后根据碰撞的具 体位置确定下一次发送的请求命令中的参数，再次发 送，直到确定其中的一张标签为止。为了便于说明，假定 标签的数据为８ｂｉｔ，并定义命令ｃａｌｌ（ｅｐｃ，ｍ），其含义为： 读写器向其覆盖范围内的标签发送召唤指令，如果标签 数据Ⅲ与ｃａｌｌ命令中ｅｐｃ参数的前ｍ位相等，则满足这 个条件的标签做出应答。设在某时刻有四个标签同时进 入读写器的作用范围内，它们的ＥＰＣ码分别为ｔａ９１＝
ＲＦＩＤ防碰撞算法的ＦＰＧＡ仿真实现
宁焕生１，郭旭峰１，丛玉２，刘文明１，薛明华１ （１．北京航空航天大学电子信息工程学院，北京１０００８３； ２．中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京１０００８３）
摘要：研究无线射频身份识别（ＲＦＩＤ）系统中的防碰撞算法的硬件仿真设计。在介绍防碰撞算法 原理的基础上，基于曼彻斯特编码（Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ）方式，实现了多标签识读过程中的解码和防碰撞算法。 利用ＦＰＧＡ对算法进行了仿真，结果表明本方法具有速度上的优越性和技术上的可行性。
内数据为１０１０００１１、１１１０００１０，栈顶数据为１１１０００１０，进 行一次读操作，栈顶数据变为１０１０００１１；第二次连续写 入两数据１０１０１０１０、０１０１１０１１后，栈顶数据变为０１０１１０１１， 连续进行三次读取操作后，根据ｅｍｐｔｙ标志信号可以看 出此时ＵＦＯ已经为空，所以在第四次读取时并没有读 出数据。 ２．３综合仿真
息分别为：ｔａ９１＝１０１０００１１，ｔａ９２＝１００１１０１１，ｔａ９３＝０００１０００１， ｔａ９４＝１１１０１１００。其仿真结果如图７所示。 ３仿真结果分析 ３．１一次性最大读取标签数
通过ＬＩＦＯ栈的仿真和分析可得到如下结论：如果 ＬＩＦＯ的大小为Ⅳ个单元，则算法一次最多可以处理的 标签数目即为Ⅳ＋１。这表明系统防碰撞算法一次性最大 读取标签数由ＩＪＩＦＯ栈的设计大小决定。不同的ＦＰＧＡ 器件可用的存储器空间大小不同，使得基于其上设计的 算法的该项性能指标也不同。目前的ＦＰＧＡ器件大都内 置了较大的存储器，例如Ａｌｔｅｒａ公司的低成本Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩ 系列产品，最大提供１．１Ｍｂｉｔ的存储容量。可以估算，存 储器的１／４用于存储节点信息的参数，ｌ，４用于存储节 点信息的碰撞位标志，１，４用来存储解出的标签数据，１，４ 作为系统保留。由于标签数据信息长度为６４ｂｉｔ，用Ｃｙｃｌｏｎｅ Ⅱ系列ＦＰＧＡ器件实现算法，设一次性可读取标签的最
（３）读写器收到标签发来的数据进行Ｍ粕ｃｈｅｓｔｅｒ解 码。如果无碰撞发生则存储数据后强制该标签进入睡眠 状态；如果产生碰撞，则根据解出的数据和碰撞位标志 进行下一次ｃａｌｌ命令。如此循环执行直到读写器范围内 的所有标签都被识别出来。
本文采用Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ语言作为设计输入，仿真工具 采用Ｑｕａｎｕｓ ＩＩ ５．１ ｂｕｉｌｄ ２１６ ０３，０６，２００６ ＳＪ ＦｕＵ Ｖｅｒｓｉｏｎ； ＦＰＧＡ器件为ＥＰ２Ｃ５Ｔ１４４Ｃ６。 ２。２ ＲＦＩＤ读写器各模块设计及仿真 ２．２．１ ＭａｎｃｈｅＳｔｅｒ编码器
ｅｐｃ数据
霉ｌ霉ｆ ３亡耄耋
ＲｎＤ读写器
ＵＦ０
图３ ＲＦＩＤ防碰撞算法基本功能模块连接示意图
具体工作流程如下： （１）ＲＦＩＤ读写器内部的状态机每隔一段时间发送 一次ｃａｌｌ命令； （２）读写器覆盖范围内的标签收到ｃａｌｌ命令后判断
是否满足ｃａｌｌ命令的条件，若满足则发送。ｅｐｃ码给读写 器，否则不作反应；
图４【７］、【５］，【１］位存在碰撞时解码器时序仿真
８２ 欢迎网上投稿聊Ⅳｗ．神ｔ眦ｔ．ｃｎ ｗｗｗ．ａｅｔ眦ｔ．ｃｏｍ．ｃｎ
《电子技术应用》２００７年第１期
万方数据
时解码器的时序仿真结果。图中圆圈圈出部分为 解码后的碰撞位，由图可以看出标识碰撞位的 ｎａｇ＿ｏｕｔ的输出数据为１０１０００１０，可知，接收到的数 据的［７】、［５】、【１］位发生了碰撞。 ２．２．３存储节点的Ｌ｜ＦＯ栈
ＩＳＯ １４４４３—３ｆ３Ｊ规定了ＴＹＰＥ Ａ和，ＩＹＰＥ Ｂ两种防冲 撞机制。二者防碰撞机制的原理不同，前者是基于位碰 撞检测协议，而ＴＹＰＥ Ｂ则通过系列命令序列完成防碰 撞。ＩＳＯ １５６９３采用轮询机制、分时查询的方式完成防碰 撞机制，这在标准的第三部分有详细规定。基于此的现 存防碰撞算法有ＡＬＯＨＡ…算法、分隙ＡＬＯＨＡ算法和二 进制树形搜索算法等，前两者的信道最佳利用率分别为 １８．４％和３６．８％，但随着标签数量的增大，性能将急剧恶 化。二进制树形搜索算法在一次性读取标签的数目和速 度上有了极大的提高。 １．２二进制树形搜索防碰撞算法原理
数据采集系统由Ａ／Ｄ数据采集单元、 ＵＳＢ从接口单元、Ｕ盘读写单元组成。硬件原 理图如图１所示。被测信号经Ａ／Ｄ转换后写
入ＦＩＦＯ中；当ＦＩＦｏ数据半满后，产生中断，通知ＤＳＰ进 行数据压缩处理；ＤＳＰ把压缩好的数据依次写入ＵＳＢ接 口芯片的４个从ＦＩＦ０中，４个从ｎＦＯ对应ＵＳＢ的４个 端点，ＤＳＰ一边写入数据，已写满的从ＦＩＦＯ就一边通过 相应端点由ＳＩＥ把数据发送到上位机，上位机一边把收
关键词：ＵＳＢ ＤＳＰ ＦＰＧＡ高速传输
测量仪器一般由数据采集、数据分析和显示三部分 组成，而数据分析和显示可以由ＰＣ机的软件来完成， 因此只要额外提供一定的数据采集硬件就可以和ＰＣ机 组成测量仪器。这种基于ＰＣ机的测量仪器被称为虚拟 仪器…。而在一些数据量比较大、采集时间比较长的场 合，就需要采用高速的数据传输通道。基于 虚拟仪器的思想和高速传输通道的要求，设 计了一种基于ＤＳＰ和ＵＳＢ２．０的高速数据传 输接口。 １数据采集系统硬件
目前使用的防碰撞算法大多通过软件方式实现，容 易造成应用软件非常复杂而且多张卡片应用时速度很
《电子技术应用》２００７年第１期
本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
８１
万方数据
图２二进制树形搜索算法流程示意图
慢。因此，对其采用软硬件结合的方式，用ＦＰＧＡ【６１实现防 碰撞算法，可达到速度快、成本低的要求。 ２．１总体设计方案
Ｍ粕ｃｈｅｓｔｅｒ解码及碰撞位判断是整个跳跃式二进制 树形防碰撞算法的关键。解码和碰撞位的判断均由 Ｍ肌ｃｈｅｓｔｅｒ解码器模块完成。
首先，Ｍａｌｌｃｈｅｓｔｅｒ解码器模块中定义了一个两位的移 位寄存器，用来检测标签发送的Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ码的同步头， 以便判断出编码的到来。一旦移位寄存器检测到标签发 送过来的信号的同步头，ＭａｒＩｃｈｅｓｔｅｒ解码器便开始解码工 作。采样信号的产生可以利用循环计数的计数器来实现。 该计数器在高频时钟的边沿到来时自动加１，其循环周期 与ＭａＩｌｃｈｅｓｔｅｒ编码时钟周期相等。为防止延迟干扰，在计 数器循环周期的１／４、３／４处令采样信号为高电平。当解码 完成后解码器将向控制状态机发送一个ｄ８ｔａ＿ｒｅａｄｙ脉冲信 号，表明已经解码完毕，可以向状态机传送数据。
关键词：防碰撞算法ＲＦＩＤ ＦＰＧＡ仿真
ＲＦＩＤ【１１（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｍｃａｔｉｏｎ）是利用无
…舢…石厂］【］石门■石■一 线信道实现双向通信的一种识别技术，可识别远距离的
贴有标签的目标，并读写相关数据。ＲＦＩＤ系统可识别高
速运动的物体并可同时识别多个目标，操作快捷方便。
…埘…，几一刖Ｌｒ岬扎 本文基于ＲＦＩＤ系统，解决了同一时间识别多个目标的
冲突问题。
１概述 ＲＦＩＤ系统主要由射频通信和计算机信息系统两部
分组成，其中，射频通信部分主要包括读写器和标签（射
…胍厂］ｎ厂］厂］厂］
频卡）。其间存在两种通信形式：从读写器到电子标签的
数据传输，即读写器发送的数据流被其覆盖范围内的多 个标签所接收，这种通信形式也被称为无线电广播；在 读写器的作用范围内有多个标签同时应答，这种形式被 称为多路存取。在后一种通信形式中，标签数据的混叠 问题被称为碰撞问题。为了防止由于多个电子标签的数 据在读写器的接收机中相互碰撞而不能准确被读出，必 须采用防碰撞算法Ⅲ来加以克服。 １．１防碰撞算法
本刊邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
８３
万方数据
基于ＵＳＢ和ＤＳＰ昀数据采集系统帕设计
戴小俊１’２，丁铁夫１，郑喜凤－ （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春１３００３３； ２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）
摘要：介绍了一种利用ＵＳＢ２．０的高速传输特性，基于ＵＳＢ和ＤＳＰ的数据采集系统。详细论述 了系统的总体结构、部分硬件设计，并简要叙述了相应固件程序的实现。
ｃａｌｌ命令中读写器与标签对数据的处 理也要占用一定的时间。可以等价为 传送小于８ｂｉｔ的数据。这样每次命令 的执行共有１４４ｂｉｔ的数据传送。所以，
ｎ一型掣：７５３。 每秒钟可执行ｃａｌｌ命令次数扎为： ｌ‘●ｑ 由算法可知，当区域内存在的标
签数为Ｌ时，则全部被识别出所执行 的ｃａｌｌ命令的次数约为牡，因此本文
ＵＦＯ（Ｌａｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ）栈用来存储算法执行 过程中所经过的节点的信息。为了协调ＬＩＦＯ内部 的工作状态，在ＵＦＯ栈的模块中定义了一个小型 的状态机。其工作状态及转换条件流程图如图５ 所示。
．竺竺，．Ｉｉｆｏｗｒ：ｌ＆＆
ｌｉｆｏBaidu Nhomakorabeaｄ＝１＆＆
图５ ＵＦ０栈内部状态机 对ＵＦ０栈穿插写入和读取数据，以验证ＵＦＯ模块 功能。第一次写入两个数据１０１０００１１、１１１０００１０，进行一 次读取操作；然后连续写入两个数据１０１０１０１０、 ０１０１１０１１，再连续进行四次读取操作。其仿真结果如图６ 所示。 由图６可看出，第一次写入两数据后，ＵＦＯ栈的栈
ⅣⅢ一尝：４２９６。 大数目为Ⅳ娜，可以计算出： ‘．Ｘ叶 ３．２算法识别速度
ＩＳＯ １４４４３定义了ＴＹＰＥ Ａ、ＴＹＰＥ Ｂ两种类型协议， 其通信速率均为１０６ｌ【ｂｐｓ。以此标准来计算算法的识别 速度。
算法执行过程中以ｃａｌｌ命令和ｓｌｅｅｐ命令为单元，每 次命令的执行都要发送６４ｂｉｔ的参数，８ｂｉｔ的ｍ参数，接 收标签返回的６４ｂｉｔ数据，共传送１３６ｂｉｔ的数据。另外
ＥＰＣ标签模块可以抽象为一个Ｍ蛐ｃｈｅｓｔｅｒ编码器模 块，ＲＦＩＤ读写器内部包含三个基本的功能模块：Ｍ蚰ｃｈ． ｅｓｔｅｒ解码器模块、ＵＦＯ模块和控制整个算法的状态机 模块。其基本模块连接关系如图３所示。
戳 ：！至鲞：赢 控制信号２
Ｌ——二 Ｍｎｃｈｅｓｔｅｒ
ｌ编码器麽磊磊■
解码器ｌ缸ｍ Ｉ兰
算法控制 状态机
１０１０００１１，ｔａ９２＝１００１１０１１，ｔａ９３＝０００１０００１，ｔ讲＝１１１０１１００。
其算法流程示意图如图２所示。 从图２可以看出，ｃａｌｌ命令的ｅｐｃ参数由碰撞位判
断得出，而ｃａｌｌ命令中的ｍ参数又由相应的ｅｐｃ参数求 得，这样就使得算法在执行过程中跳过了空闲的节点， 提高了算法的执行效率。又因为算法可以形象地用二进 制树来描述，故称为“二进制树形防碰撞算法”。 ２碰撞算法的ＦＰＧＡ仿真实现
Ｍ粕ｃｈｅｓｔｅｒ编码器即为ＲＦｌＤ标签，它的主要数据输 入包括该标签的数据、ｃａｌｌ或ｓｌｅｅｐ命令标志以及相应的 ｅｐｃ参数和ｍ参数。当接收到ＲＦＩＤ读写器也就是算法 控制状态机的控制信号后做出相应的判断，如果满足 ｃａｌｌ命令的条件则开始对标签数据进行Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编 码，编码完成后将编码后的数据发送给Ｍ蚰ｃｈｅｓｔｅｒ解码 器，Ｍ姐ｃｈｅｓｔｅｒ解码器接收到数据后开始进行解码工作。 如果满足ｓｌｅｅｐ命令的条件，标签则进入睡眠状态，对以 后的ｃａｌｌ命令不作应答。 ２．２．２ ＭａｎｃｈｅＳｔｅｒ解码器
将ＭａｒＩｃｈｅｓｔｅｒ编码模块、Ｍ锄ｃｈｅｓｔｅｒ解码模块、ＵＦＯ 模块和算法控制状态机模块连接起来进行算法的综合 仿真。
测试中设定读写器作用范围内共有四个ＲＦＩＤ标
图６ ｕＦ０栈读写功能仿真结果
《电子技术应用》２００７年第１期
图７综合时序仿真测试结果
签，标签的ＥＰＣ码为８位二进制码。四个标签的数据信
二进制树形搜索防碰撞算法嘲适用于ＴＹＰＥ Ａ。Ａ型标 签采用Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编码方式，这使得准确地判断出碰撞位
成为可能。图１所示为利用Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编码识别碰撞位。 当读写器接收到发送的标签信号时，首先判断是否
发生碰撞以及发生碰撞的具体位置，然后根据碰撞的具 体位置确定下一次发送的请求命令中的参数，再次发 送，直到确定其中的一张标签为止。为了便于说明，假定 标签的数据为８ｂｉｔ，并定义命令ｃａｌｌ（ｅｐｃ，ｍ），其含义为： 读写器向其覆盖范围内的标签发送召唤指令，如果标签 数据Ⅲ与ｃａｌｌ命令中ｅｐｃ参数的前ｍ位相等，则满足这 个条件的标签做出应答。设在某时刻有四个标签同时进 入读写器的作用范围内，它们的ＥＰＣ码分别为ｔａ９１＝
ＲＦＩＤ防碰撞算法的ＦＰＧＡ仿真实现
宁焕生１，郭旭峰１，丛玉２，刘文明１，薛明华１ （１．北京航空航天大学电子信息工程学院，北京１０００８３； ２．中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京１０００８３）
摘要：研究无线射频身份识别（ＲＦＩＤ）系统中的防碰撞算法的硬件仿真设计。在介绍防碰撞算法 原理的基础上，基于曼彻斯特编码（Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ）方式，实现了多标签识读过程中的解码和防碰撞算法。 利用ＦＰＧＡ对算法进行了仿真，结果表明本方法具有速度上的优越性和技术上的可行性。
内数据为１０１０００１１、１１１０００１０，栈顶数据为１１１０００１０，进 行一次读操作，栈顶数据变为１０１０００１１；第二次连续写 入两数据１０１０１０１０、０１０１１０１１后，栈顶数据变为０１０１１０１１， 连续进行三次读取操作后，根据ｅｍｐｔｙ标志信号可以看 出此时ＵＦＯ已经为空，所以在第四次读取时并没有读 出数据。 ２．３综合仿真
息分别为：ｔａ９１＝１０１０００１１，ｔａ９２＝１００１１０１１，ｔａ９３＝０００１０００１， ｔａ９４＝１１１０１１００。其仿真结果如图７所示。 ３仿真结果分析 ３．１一次性最大读取标签数
通过ＬＩＦＯ栈的仿真和分析可得到如下结论：如果 ＬＩＦＯ的大小为Ⅳ个单元，则算法一次最多可以处理的 标签数目即为Ⅳ＋１。这表明系统防碰撞算法一次性最大 读取标签数由ＩＪＩＦＯ栈的设计大小决定。不同的ＦＰＧＡ 器件可用的存储器空间大小不同，使得基于其上设计的 算法的该项性能指标也不同。目前的ＦＰＧＡ器件大都内 置了较大的存储器，例如Ａｌｔｅｒａ公司的低成本Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩ 系列产品，最大提供１．１Ｍｂｉｔ的存储容量。可以估算，存 储器的１／４用于存储节点信息的参数，ｌ，４用于存储节 点信息的碰撞位标志，１，４用来存储解出的标签数据，１，４ 作为系统保留。由于标签数据信息长度为６４ｂｉｔ，用Ｃｙｃｌｏｎｅ Ⅱ系列ＦＰＧＡ器件实现算法，设一次性可读取标签的最
（３）读写器收到标签发来的数据进行Ｍ粕ｃｈｅｓｔｅｒ解 码。如果无碰撞发生则存储数据后强制该标签进入睡眠 状态；如果产生碰撞，则根据解出的数据和碰撞位标志 进行下一次ｃａｌｌ命令。如此循环执行直到读写器范围内 的所有标签都被识别出来。
本文采用Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ语言作为设计输入，仿真工具 采用Ｑｕａｎｕｓ ＩＩ ５．１ ｂｕｉｌｄ ２１６ ０３，０６，２００６ ＳＪ ＦｕＵ Ｖｅｒｓｉｏｎ； ＦＰＧＡ器件为ＥＰ２Ｃ５Ｔ１４４Ｃ６。 ２。２ ＲＦＩＤ读写器各模块设计及仿真 ２．２．１ ＭａｎｃｈｅＳｔｅｒ编码器
ｅｐｃ数据
霉ｌ霉ｆ ３亡耄耋
ＲｎＤ读写器
ＵＦ０
图３ ＲＦＩＤ防碰撞算法基本功能模块连接示意图
具体工作流程如下： （１）ＲＦＩＤ读写器内部的状态机每隔一段时间发送 一次ｃａｌｌ命令； （２）读写器覆盖范围内的标签收到ｃａｌｌ命令后判断
是否满足ｃａｌｌ命令的条件，若满足则发送。ｅｐｃ码给读写 器，否则不作反应；