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1、RFID系统反碰撞算法设计与FPGA仿真郭 旭 峰摘要近几年来，RFID(Radio Frequency Identification)技术在全球掀起热潮，吸引了众多厂商参与相关的技术以及芯片的研究与开发。目前RFID技术正处于迅速上升的时期。在很多实际应用中读写器的识读范围内会同时出现多个标签。这时标签发送的信息就会混叠在一起发生冲突，产生碰撞问题。这就要求RFID系统有一个解决碰撞问题的高效反碰撞算法，在某些苛刻的应用中，要求RFID系统碰撞算法具有很高的处理速度，这就需要由硬件来实现算法，以达到高速实时处理的要求。FPGA器件为此提供了很好的解决方案。在本文中，着重研究了RFID系统的反
2、碰撞算法，阐述了一种快速高效的RFID系统反碰撞算法跳跃式二进制树形算法的工作原理，并完成了算法的Verilog HDL语言设计和FPGA仿真。算法执行时，识别出标签的时隙称为有效时隙，有效时隙与总时隙的比值即为算法的执行效率。理论及实验数据证明，随着标签数目的增多，这种跳跃式二进制树形算法的效率稳定在50。基于ISO 14443对通信速率的规定，通过仿真，单台读写器的最快识别速度可达212个标签/秒。关键词：RFID, 反碰撞， 二进制树形， FPGAAnti-collision algorithm designand FPGA simulation for RFID SystemAutho
3、r: GUO Xu-fengAbstractWith the advocation of some international institutes and companies the RFID (Radio Frequency Identification) technology has recently played an important role in lots of fields. A number of companies have taken part in the research of RFID technology and standards, and the techn
4、ology of RFID is developing very fast. In some applications many tags exist in the field of reader-writer at a same time. At this moment the signals sent from the tags interact, and this case is named collision.So a high permormance anti-collision algorithm is needed to solve the collision problem.
5、In some occasions hardware is required to execute the algorithm to improve the executing efficiency. Using FPGA to execute the anti-collision algorithm is one of the best ways to solve this problem.In this paper, firstly research the anti-collision algorithm has been focused on. A high performance a
6、nti-collision algorithm, jumping binary tree-like anti-collision algorithm, was designed using Verilog HDL and was simulated with FPGA as well. When the algorithm is running, the time-slots in which tag has been identified is defined as effective time-slot, the ratio between effective time-slot and
7、total time-slot is defined as the efficiency of the algorithm. Theoretic analysis and simulation results have proved that the efficiency of this anti-collision algorithm remains at 50 when the number of tags increases. The simulation result shows that according to the speed prescribed by ISO 14443 s
8、tandard, the fasted identification speed can reach to 212 tags per second.Key words: RFID, anti-collision, binary tree-like, FPGA目 录1 绪论.1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 国内外研究状况.11.2.1 国外相关研究状况.11.2.2 国内研究状况.3 1.3 论文研究内容及结构安排.42 RFID系统防碰撞算法设计.5 2.1RFID系统与反碰撞算法.52.1.1 RFID的系统结构与工作原理.52.1.2 跳跃式二进制树形反碰撞算法原理.72.1.3
9、FPGA实现算法的优越性.112.2RFID系统反碰撞算法实现.132.2.1 RFID系统反碰撞算法总体设计方案.132.2.2 RFID标签模型的建立.162.2.3 RFID读写器Manchester解码及碰撞位判断模型.172.2.4 存储节点信息的LIFO栈.202.2.5 反碰撞算法状态机.232.2.6 程序模块的连接.253RFID系统反碰撞算法的FPGA仿真及分析.293.1仿真工具及所用FPGA器件简介.293.2标签的仿真结果及其分析.303.2.1 标签的功能仿真.303.2.2 标签的时序仿真.333.3 读写器Manchester解码及碰撞位判断的仿真结果及分析.3
10、53.3.1解码器的功能仿真.363.3.2解码器的时序仿真.383.4 用于存储树形节点信息的LIFO栈仿真结果及分析.403.4.1 LIFO栈模块的功能仿真.413.4.2 LIFO栈模块的时序仿真.433.4.3 LIFO栈的溢出测试.443.5 RFID系统反碰撞算法的综合仿真结果.453.6 RFID系统反碰撞算法设计的性能分析.474结论.491 绪论11 课题背景及意义射频识别技术RFID（RadioFrequencyIDentification）是一种无线的识别技术，其借助于贴置在物品上的电子标签、用读写器对标签进行扫描和识别。近几年来由于受到国际上一些大型零售商的推动，RF
11、ID(Radio Frequency Identification)技术在全球掀起热潮，吸引了众多厂商参与相关的技术以及芯片的研究与开发。其研究与应用受到各个领域的关注与支持。其中包括零售业，制造业，政府与公共事业等等。目前RFID技术正处于迅速上升的时期。与传统的接触式识别方式相比，RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可自动完成信息输入和处理，并且具有体积小，信息容量大，读写速度快等优点，操作也很方便快捷。所以能够广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等领域。发展前景极其广阔。鉴于RFID的种种优越性，近年来RFID开始被广泛应用在各个领域。在很
12、多实际应用中读写器的识读范围内会同时出现多个标签。这时标签向读写器发送的信息就会混叠在一起发生冲突，这就是碰撞问题。为了达到快速实时处理的要求，RFID系统需要有一个解决碰撞问题的高效反碰撞算法，在某些要求更加苛刻的应用中RFID系统碰撞算法需要由硬件来实现，以达到高速实时处理的要求。通过高效的EDA设计，将算法设计在高速的FPGA器件上便是很好的解决方式。而EDA设计中关键的一步就是对设计进行计算机模拟仿真。通过EDA仿真软件的模拟仿真可以准确地验证设计方法的正确性，进而提高投产成品率并降低设计成本。12 国内外研究状况121 国外相关研究状况 RFID迅速发展的推动因素主要有两个。第一是R
13、FID芯片的生产开始形成规模，产品成本大幅下降。在不久的将来一个包括RFID芯片的电子标签极端最低成本可以达到12美分，甚至更低。第二，大宗零售业开始接受和应用RFID技术，RFID正不断赢得众多大型用户的注意。目前国际市场的需求主要来自于零售商。RFID的迅速发展，使得其标准的制定也日臻完善。目前国际上比较完善的RFID标准有三个：ISO、欧美的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center。而这三个组织对RFID技术应用规范都有各自的目标与发展规划。ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO 15693读写距离较远，而ISO 14443读写距离稍近，但应用较广泛。美国运通卡（American Express）、万事达卡（Master Card）和维萨卡（Visa）公司在无线交
