RFID电子标签卡的防碰撞模块设计

引 言
    RFID(RadioFrequency IdentifiCation，射频识别)电子标签是一种把天线和IC封装到塑料基片上的新型无源电子卡片；具有数据存储量大、无线无源、小巧轻便、使用寿命长、防水、防磁和安全防伪等特点；是近几年发展起来的新型产品，是未来几年代替条形码走进“物联网”时代的关键技术之一。阅读器(即PCE，机)和电子标签(即PICC卡)之间通过电磁场感应进行能量、时序和数据的无线传输，如图l所示。在PCD机天线的可识别范围内，可能会同时出现多张PICC卡。如何准确识别每张卡，是A型
PICC卡的防碰撞(即anticollision，也叫防冲突)技术要解决的关键问题。

1 A型卡防碰撞的工作原理
    A型PICC卡采用了ISO／IECl4443系列协议，配合PCD机共同实现防碰撞的快速交互通信。为了从多张PICC卡中快速识别出一张来单独进行通信，A型卡采用了位碰撞监测协议实现防碰撞过程，即阅读器对卡返回的唯一识别号(即UID)数据帧中的每一位进行冲突监测。当多张A型PICC卡在同一时刻向PCD机传送UID数据帧时，一定会在同时返回的某一位上有不同的位值。根据Manchester编码规则，这一位正负边沿抵消了，故PCD机无法识别的该数据位即为碰撞位。碰撞位监测到后马上启动防碰撞过程。PCD机主动地发出一系列命令数据帧(即下传)，主要是ANTICOLLISION命令和SEELECT命令。PICC卡被动地响应每一条指令(即上传)完成交互的会话过程。

    对于ANTICOLLISION命令，如果PICC卡本身固有的UID CLn和命令中所带的UID CLn数据位相等，则发送UIDCLn的其余位；否则，不发送响应．根据协议规定，ANTICOLLISION命令(即第l部分：下传数据)和PICC卡的响应(即第2部分：上传数据)组合成一个防碰撞帧．而且防碰撞帧的数据位总数为56位。16≤下传数据位数≤55；l≤上传数据位数≤40。防碰撞帧举例如图2所示。由于56位的防碰撞帧可以在任意位置上分开，因此分两种情况：在一个完整的数据字节之后分开，则在第1部分的最后一个数据位之后有一个校验位；在一个数据字节内分开，则在第1部分的最后一个数据位之后不加校验位。情况1和情况2的不同分开方法如图2所示。
    对于SELECT命令，如果PICC卡内固有的UIDCLn和命令中的UID CLn相等，则发送SAK帧，否则不发送响应。

2 防碰撞模块的设计
2．1 引脚定义
    防碰撞模块的外部信号引脚定义及其在卡中与其他模块的连接如图3所示。

    防碰撞模块外部信号定义的VHDL代码如下。
    entity ANTICOLLICSION_BLOCK is port
    (clk：in std_logic；—— 时钟信号
    reset：in steL_logic；——复位信号
    rxd：in std_logic；一一外部数据串行输入
    active：in std_logic；——外部数据输入的状态
    Csn_fb：in std_logic_vector(7 downto 0)   —— 来自ROM的并行数据
    Csn_full：in std_logic；——ROM接口中的输出Latch“满”
    Rd_csn：out std_logic；一一允许读ROM
    Txd：out std_logic；一一数据串行输出
    Txd_active：out std_logic--一数据输出的状态
    )；
    end ANTiCOLLlCsIoN_BLOCK；
2.2 模块划分
    防碰撞模块主要分为4个部分：数据接收模块(A)、读ROM模块(B)和数据比较(C)发送模块(D)，如图4所示。A的作用是：接收PCD机发送的命令信号，从rxd引脚串行输入后对每个字节进行校验。并进行串并转换，按字节逐个存入7个Latch中。B的作用是：从ROM接口模块中读出卡内固有的UID CLn，按字节存入4个Latch后，计算UIDCLn的4个字节的异或值(即卡的BCC字节)，并存入锁存器。C和D的作用是：比较PCD机命令中的UIDCL．和卡的UIDCLn，并根据比较结果决定是否输出响应．如果比较结果相同，则根据命令的类型(ANTICOLLISION命令或SELECT命令)从txd引脚串行输出不同的响应数据。由于篇幅所限，后面主要介绍数据的发送模块是如何设计实现的。

2．3 发送模块的设计
    数据发送模块的设计实现如图5所示。

2.3.1 实现对ANTICOLLISl0N命令的响应
(1)输出数据txd产生模块的设计
    当来自PCD机的指令数据接收完毕(即Data_input_end=“1”)和读卡内ROM的UID数据结束(即Csn_input_end=“l”)后，判别器启动位计数器和字计数器来控制数据比较模块，逐个比较Latch中的数据．比较结果相等(即Bit_not_match=“0”)时，令位计数器停止计数一个时钟周期，此时字计数器和位计数器的值仍然分别等于NVB的高4位和低4位。以图2情况1为例，字计数器值(即Byte_num)为2H，位计数器值(即Bit_num)为5H，输出信号产生模块从txd引脚发送起始位“0”；根据字计数器地址，从卡的UID CLn和BCC中选取字节，输出数据产生模块在Bit_num为0H~7H时，发送该字节的0~7位。在Bit_num为8H时，计算并发送该字节的奇校验位；当字计数器值为7H，位计数器值为OH时，表示所有的剩余UID CLn数据位和BCC已全部发送，此时发送结束位。
(2)输出状态Txd__active产生模块的设计
    在比较结果相等(即Bit_not_matCh_“l”)时，令输出状态信号Txd_active变为“l”，表明发送开始，在Bytenum为7H，Bit_num为lH时，变为“0”，表明发送结束。
2.3.2 实现对SELECT命令的响应
(1)输出数据txd产生模块设计
    在比较结果相等时，输出起始位“0”，并且令位计数器停止计数一个时钟周期，此时Bytc_num为7H，Bit_num为OH。在接下来的8个时钟周期里，即Bytc_num为7H，Bit_num为O~7H时，串行输出SAK帧，在Bit_num为8H时，输出奇校验位．接着Byte_num变为8H，Bitnum变为OH，此时输出结束位“O”。
(2)输出状态．Txd_active产生模块设计
    令输出状态信号Txd_active在比较结果相等时变为“l”，在Byte_num为8H。Bit_num为1H时变为“O”。

3 仿真结果分析
3．1 防碰撞模块对ANTICOLLISION命令的响应
    在数据线rxd上设置一串数据，与图情况2中下传数据相同，其中定义帧头S为“10”和帧尾E为“0l”。启动Maxplus仿真器，得到输出信号的波形，如图6所示。对照图2情况2可见，在txd线上得到的输出数据和图2情况2中上传数据(即UID CLn的其余位)相同。说明设计的防碰撞模块对ANTICOLLISION命令的响应是正确的。

3.2 防碰撞模块对SELECT命令的响应
    在输入数据线rxd上设置如图7所示的一串数据。由图8可见，输出数据线txd上的数据为“S00000000|1|E，这是正确的SAK响应。说明设计的