### 基于FPGA技术的RFID标签设计与实现
#### 一、引言
随着信息技术的发展，射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）作为一种非接触式自动识别技术，在物流管理、生产制造、安全防护等领域展现出巨大潜力。相较于传统的条形码技术，RFID标签不仅具备更高的读取速度与精度，还能够实现远距离读取，极大地提高了工作效率。本文旨在探讨基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）技术的RFID标签设计与实现，重点介绍超高频（Ultra-High Frequency, UHF）电子标签的开发过程。
#### 二、RFID系统概述
##### 2.1 电子标签的基本原理
RFID系统主要包括两大部分：读写器（Reader）和射频标签（RFID Tag）。射频标签通常被固定在待识别物品上，存储有关物品的信息。读写器通过无线信号与射频标签通信，完成数据的读取或写入，实现对物品的自动识别与管理。具体通信过程如下：
1. **激活阶段**：标签接收读写器发送的载波能量，上电复位。
2. **命令接收**：标签接收读写器发送的命令并进行相应的操作。
3. **选择与盘存**：读写器发出命令对标签进行识别，选定单个标签进行通信，其余标签暂时处于休眠状态。
4. **数据交换**：被识别的标签执行读写器发送的访问命令，并通过反向散射调制方式向读写器发送数据信息，进入睡眠状态，此后不再对读写器应答。
5. **后续处理**：读写器对剩余标签重复上述过程，直至识别出所有标签。
其中，标签向读写器传输数据的关键技术之一是反向散射调制，即通过改变天线的匹配阻抗来控制天线的反射强度，以此表示输出信号的有无。
##### 2.2 ISO18000-6C标准解读
ISO18000-6C标准是UHF RFID系统的重要规范之一，规定了UHF频段内RFID系统的性能参数和技术要求。其主要内容包括：
- **工作频率**：标签应在860～960MHz的频率范围内接收从读写器发出的功率并与其通信。
- **调制方式**：读写器应采用DSB-ASK、SSB-ASK或PR-ASK调制方式通信。标签需能够解调这些调制方式，并且反向散射应采用ASK或PSK调制。
- **数据编码**：读写器到标签的数据链路采用PIE编码，标签则采用FMO基带或Miller调制。
- **数据速率**：读写器到标签的数据速率可以根据Tari值选择，范围从40～640Kb/s。标签的反射速率由公式共同决定。
#### 三、基于FPGA技术的UHF RFID标签设计
本文设计的UHF RFID标签主要包括模拟射频部分和数字基带部分。
##### 3.1 模拟射频部分
模拟射频部分采用分立元件实现，负责接收来自读写器的射频信号。信号经过天线和阻抗匹配网络，通过915MHz的声表面滤波器进行滤波，随后进行包络检波。检波后的信号通过一阶有源低通滤波器进一步处理，并通过电压比较器转换为高低电平信号。
##### 3.2 数字基带部分
数字基带部分基于Altera公司的EP1C6Q240 FPGA实现，主要负责处理ISO18000-6C协议，包括PIE解码、CRC校验、命令解析、状态转移、数据存储以及FMO编码等。为了实现这一目标，设计采用了自顶向下的设计方法，将系统功能划分为多个模块，如译码模块、CRC校验模块、状态机模块、CRC产生模块、存储器、编码模块和时钟分频模块。
- **译码模块**：接收并解析来自模拟部分的命令信号。
- **CRC校验模块**：对命令进行完整性校验。
- **状态机模块**：控制标签执行相应操作。
- **CRC产生模块**：产生CRC校验码。
- **存储器**：用于数据存储。
- **编码模块**：将数据编码后发送给模拟部分。
#### 四、测试结果与结论
设计过程中使用了Altera的Quartus II 6.0软件平台完成了Verilog HDL程序的编译、仿真与下载。经过总体设计、PCB板设计与实现、代码设计、仿真与下载以及系统调试后，板级标签能够与支持ISO18000-6C标准的读写器正常通信，验证了设计方案的有效性和可行性。
基于FPGA技术的RFID标签设计提供了一种灵活且高效的解决方案，适用于多种应用场景。未来的研究方向可以进一步优化电路设计，提高标签的读取距离和可靠性，同时探索更多创新性的应用场景。
