基于SystemVerilog的超高頻RFID標(biāo)簽數(shù)字基帶設(shè)計與研究*

汪永峰，卜 剛

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)概念的不斷普及，作為核心技術(shù)之一的射頻識別技術(shù)已經(jīng)在交通、電網(wǎng)、物流、存儲等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中UHF RFID技術(shù)由于識別距離遠(yuǎn)、識別速度快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)成為了國際上研究的熱點(diǎn)。隨著對UHF RFID研究的不斷深入，在設(shè)計時對傳輸速率以及通信數(shù)據(jù)量等許多方面提出了更高的要求[1]。

本文在深入研究ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用SystemVerilog語言對UHF RFID標(biāo)簽數(shù)字基帶通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了硬件建模。由于SystemVerilog擁有類似于C語言的數(shù)據(jù)類型、斷言、接口等特性，在建模方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，可以更加快速準(zhǔn)確地對功能進(jìn)行描述，因此該設(shè)計采用SystemVerilog語言進(jìn)行建模[2]。本文對UHF RFID通信系統(tǒng)中的標(biāo)簽數(shù)字基帶發(fā)送與接收部分進(jìn)行了SystemVerilog硬件建模與仿真，標(biāo)簽數(shù)字基帶發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)了CRC校驗(yàn)碼生成、FM0/Miller編碼以及同步碼添加等功能，而標(biāo)簽數(shù)字基帶接收模塊則實(shí)現(xiàn)了同步碼檢測、PIE解碼和CRC校驗(yàn)碼檢測等功能，并最終在Modelsim SE-64 10.4中進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計功能的正確性。

1 SystemVerilog簡介

SystemVerilog是由Accellera標(biāo)準(zhǔn)組織在Verilog的基礎(chǔ)上提出的，是一種硬件描述語言和驗(yàn)證語言(HDVL)[3]。SystemVerilog是Verilog設(shè)計語言的高層次拓展，這些拓展為Verilog提供了強(qiáng)有力的增強(qiáng)，在一個更高的抽象層上提高了設(shè)計的建模能力[4]。具體來說，SystemVerilog有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢。第一，SystemVerilog增加了新的數(shù)據(jù)類型，如：結(jié)構(gòu)體、枚舉類型、打包和非打包數(shù)組等，在編寫有限狀態(tài)機(jī)等方面可以更加簡潔準(zhǔn)確。第二，相同的聲明集合可以被靜態(tài)驗(yàn)證和仿真工具同時使用。第三，SystemVerilog增加了接口概念，模塊之間的通信可以通過接口來實(shí)現(xiàn)，大大簡化了模塊的代碼量，同時也可以在更高的抽象層次上建立連接。第四，SystemVerilog增加了斷言的概念，這使得對功能的描述可以更加精準(zhǔn)，也為設(shè)計中錯誤的定位提供了方便，對代碼的可讀性、可維護(hù)性和設(shè)計效率有顯著的提高[5]。

2 標(biāo)簽數(shù)字基帶主要模塊設(shè)計

標(biāo)簽數(shù)字基帶的整體設(shè)計原理基于ISO/IEC 18000-6C協(xié)議進(jìn)行，該協(xié)議對通信過程中的各個方面都做了嚴(yán)格的規(guī)定來確保通信的準(zhǔn)確性與可靠性，例如：通信時序、幀格式以及編解碼的方式等。因此需要各個模塊的緊密配合來滿足協(xié)議對數(shù)據(jù)編碼以及時序的要求。該設(shè)計采用摩爾型狀態(tài)機(jī)進(jìn)行編碼和時序控制，最終產(chǎn)生滿足協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式[6]。標(biāo)簽數(shù)字基帶頂層總線模型設(shè)計如圖1所示，各子模塊之間采用SystemVerilog接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.1 標(biāo)簽發(fā)送模塊設(shè)計

標(biāo)簽發(fā)送模塊主要包括BLF模塊、CNT模塊、P2S模塊、CRC_GEN模塊、FIFO模塊、ENCODE模塊、PREAMBLE模塊7個部分，各模塊功能為：

(1)BLF模塊：產(chǎn)生標(biāo)簽反向散射頻率；

(2)CNT模塊：計算輸入數(shù)據(jù)長度；

(3)P2S模塊：將并行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)；

(4)CRC_GEN模塊：產(chǎn)生循環(huán)冗余校驗(yàn)碼添加在數(shù)據(jù)尾部，用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)；

(5)FIFO模塊：數(shù)據(jù)緩存；

(6)ENCODE模塊：對從FIFO中讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FM0/MILLER編碼；

(7)PREAMBLE模塊：在編碼后的數(shù)據(jù)前端添加同步碼。

2.1.1 標(biāo)簽反向散射頻率

ISO/IEC 18000-6C協(xié)議規(guī)定，在接收到閱讀器發(fā)送的信息后，標(biāo)簽需要反向散射信息回復(fù)閱讀器，其反向散射頻率(BLF)由DR和TRcal兩個參數(shù)來設(shè)定，計算關(guān)系如式(1)所示：

其中DR表示除法比例，為Query命令中設(shè)定的參數(shù)，可以取 8或者 64/3[7]。

2.1.2 CRC校驗(yàn)

ISO/IEC 18000-6C協(xié)議中規(guī)定了標(biāo)簽發(fā)送鏈路中采用數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方式為CRC16校驗(yàn)，并規(guī)定了CRC16校驗(yàn)的多項(xiàng)式為：X16+X12+X5+1。

綜合考慮電路資源的節(jié)省以及標(biāo)簽發(fā)送電路輸出的數(shù)據(jù)類型，該CRC16計算電路采用加法器與異或來實(shí)現(xiàn)，圖2為CRC16校驗(yàn)碼的計算原理圖。

2.1.3 FIFO設(shè)計

由于數(shù)據(jù)編碼會對數(shù)據(jù)長度產(chǎn)生變化，因此在數(shù)據(jù)編碼之前，需要一個FIFO對需要編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。該設(shè)計中FIFO深度為128位，在FIFO的設(shè)計中加入了SystemVerilog所特有的斷言方法，對FIFO的只讀、只寫以及同時讀寫的行為進(jìn)行了描述，若在仿真過程中FIFO的行為不符合描述，那么斷言也會失敗，從而確保了FIFO設(shè)計的正確性，也為FIFO設(shè)計出現(xiàn)錯誤時的錯誤定位提供了方便。下面的代碼是FIFO模塊的SystemVerilog斷言。

圖1 標(biāo)簽數(shù)字基帶頂層總線模型

圖2 CRC16校驗(yàn)碼的計算原理圖

2.1.4 發(fā)送數(shù)據(jù)編碼模塊設(shè)計

標(biāo)簽發(fā)送模塊的編碼方式為FM0編碼或Miller編碼方式，具體的編碼方式和碼元速率是由閱讀器發(fā)送的Query命令決定的。FM0編碼的基本編碼符號和生成FM0編碼狀態(tài)圖如圖3所示，F(xiàn)M0在每個編碼符號的邊界會翻轉(zhuǎn)相位，此外，數(shù)據(jù)0通過其在編碼符號中間進(jìn)行額外的翻轉(zhuǎn)來表示這個數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)1除數(shù)據(jù)起始外無其他相位變化[8]。在FM0編碼結(jié)束后需要在碼元數(shù)據(jù)的尾端添加結(jié)束位，結(jié)束位以一個1的“冗余“”數(shù)據(jù)”(dummy1)來表示。

圖3 FM0基本編碼符號和編碼狀態(tài)圖

Miller編碼又稱為副載波調(diào)制編碼，其編碼也是通過相位的翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，基本編碼符號和編碼狀態(tài)圖如圖4所示。根據(jù)Miiller編碼規(guī)則及ISO/IEC 18000-6C協(xié)議規(guī)定，Miller編碼的方式與Query命令中m的取值有關(guān)。 如果 m 值為 2′b01，2′b10，2′b11，則對應(yīng)的編碼方式分別為 Miller2，Miller4，Miller8，每個數(shù)據(jù)都將分別編成 4位、8位、16位碼元[9]，Miller副載波序列如圖 5所示。與FM0編碼類似，在Miller編碼尾部同樣需要添加一個dummy1作為結(jié)束位。

圖4 Miller基本編碼符號和編碼狀態(tài)圖

2.1.5 同步碼添加模塊設(shè)計

為了使閱讀器能夠正確探測接收到數(shù)據(jù)的起始位置從而正確接收到數(shù)據(jù)，標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)時需要在數(shù)據(jù)前端添加同步碼。如圖6所示，同步碼會根據(jù)m[1:0]和TRext兩個參數(shù)的值的不同而不同。

2.2 標(biāo)簽接收模塊設(shè)計

標(biāo)簽接收模塊頂層主要包括HEAD_CHECK模塊、DECODE模塊、CRC_CHECK模塊、S2P模塊四個部分，各模塊功能為：

(1)HEAD_CHECK模塊：同步碼檢測；

(2)DECODE模塊：PIE解碼；

(3)CRC_CHECK模塊：CRC校驗(yàn)；

(4)S2P模塊：串行數(shù)據(jù)傳換成并行數(shù)據(jù)。

2.2.1 同步碼檢測模塊

接收到閱讀器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行同步碼檢測，閱讀器發(fā)送鏈路添加的同步碼分為前同步碼和幀同步碼兩種類型，如果檢測到的同步碼包括界定符、數(shù)據(jù) 0、RTcal校準(zhǔn)符號三個部分，則該同步碼為幀同步碼且說明不是Query命令，數(shù)據(jù)緊跟在RTcal標(biāo)準(zhǔn)符號后。如果檢測到的同步碼包括界定符、數(shù)據(jù)0、RTcal校準(zhǔn)符號、TRcal校準(zhǔn)符號四個部分，則該同步碼為前同步碼且該命令為Query命令，數(shù)據(jù)緊跟在TRcal標(biāo)準(zhǔn)符號后。

圖5 Miller副載波序列

圖6 同步碼

2.2.2 接收數(shù)據(jù)解碼模塊設(shè)計

ISO/IEC 18000-6C協(xié)議規(guī)定的閱讀器到標(biāo)簽的通信使用 PIE（Pulse Interval Encoding）編碼，因此標(biāo)簽接收側(cè)應(yīng)當(dāng)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PIE解碼。PIE編碼規(guī)則如圖7所示，在一次盤存周期中，PW和tari為固定值，PW為射頻脈沖寬度，Tari為一個數(shù)據(jù)“0”的參考時間間隔，數(shù)據(jù)“1”高電平持續(xù)時間在 tari到 1.5tari之間取值，該設(shè)計取數(shù)據(jù)“1”的編碼高電平持續(xù)時間為1.5tari。通過對 PIE編碼方式的研究，數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”的編碼結(jié) 果均由高電平開始低電平結(jié)束，由此可得到PIE解碼模塊的實(shí)現(xiàn)算法為，設(shè)置變量high和變量low，分別對高低電平進(jìn)行計數(shù)，檢測到低電平到高電平的跳變則表示上一個數(shù)據(jù)已結(jié)束，根據(jù)變量high和變量low的值的關(guān)系，可以確定接收到的數(shù)據(jù)是0還是1，接著對變量清零重新計數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)PIE的解碼操作。

圖7 PIE編碼規(guī)則

2.2.3 CRC校驗(yàn)?zāi)K設(shè)計

協(xié)議規(guī)定，閱讀器發(fā)送Query命令時，在數(shù)據(jù)尾部添加CRC5校驗(yàn)碼，而發(fā)送其他命令時則為CRC16校驗(yàn)碼，因此標(biāo)簽需要根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)的不同進(jìn)行CRC5和CRC16校驗(yàn)碼的檢測，確保接收數(shù)據(jù)的正確性。CRC校驗(yàn)開始時對 CRC16計算結(jié)果寄存器預(yù)置為 16′hFFFF，CRC5計算結(jié)果寄存器預(yù)置為5′b01001，若標(biāo)簽得到的最終校驗(yàn)結(jié)果為全0，則校驗(yàn)通過。

圖8 標(biāo)簽發(fā)送基帶仿真波形圖

圖9 標(biāo)簽接收基帶仿真波形圖

3 仿真

以上各模塊均使用SystemVerilog語言實(shí)現(xiàn)，在Modelsim SE-64 10.4里編譯并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖8所示為標(biāo)簽發(fā)送基帶仿真波形圖，選取編碼方式為Miller2編碼且標(biāo)簽反向散射16位隨機(jī)數(shù)(RN16)，從圖上可以看出 RN16為16′h8d73，首先經(jīng)過了并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)的處理，其次為其計算CRC16校驗(yàn)碼并添加在串行RN16尾部，從圖中可以看出該文中CRC16校驗(yàn)碼為16′b00111-11000111111，接著數(shù)據(jù)經(jīng)過Miller2編碼處理，最后在數(shù)據(jù)前端添加同步碼并發(fā)送。

圖9為標(biāo)簽接收基帶仿真波形圖，文中閱讀器發(fā)送的是Query命令，標(biāo)簽基帶接收到命令后首先經(jīng)過了同步碼檢測并去除同步碼，PIE解碼以及CRC5校驗(yàn)，最后將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，可以看出接收到的數(shù)據(jù)為17′h11a5e，數(shù)據(jù)以1000開始，為Query命令，數(shù)據(jù)接收正確。

4 結(jié)論

本文主要介紹了在ISO/IEC 18000-6C協(xié)議下，利用SystemVerilog語言實(shí)現(xiàn)UHF RFID通信算法中標(biāo)簽數(shù)字基帶的實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過軟件仿真，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽數(shù)字基帶的發(fā)送以及接收操作，完成了該設(shè)計的仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果滿足協(xié)議要求。由于SystemVerilog語言中增加的數(shù)據(jù)類型、過程塊、接口、斷言等一些定義，使得利用SystemVerilog語言進(jìn)行建模時更加簡潔、出錯率更低、代碼更易維護(hù)，同時SystemVerilog進(jìn)行建模和驗(yàn)證將成為今后發(fā)展的趨勢。