（电子科学与技术专业论文）基于fpga的uhf+rfid系统编解码及校验的实现.pdf

| 1 i i il li ll l lt l i ii l lliii y 18 9 6 6 4 9 r e a l i z a t i o no fc o d e d e c o d ea n dd a t av e r i f i c a t i o ni n u h fr f i ds y s t e mb a s e do nf p g a at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l i uh a i t a o ( e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r d o n gh u i j u n e2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 茎王婴鱼鲍型旦基墨! 旦丕统缠鲤鱼毽撞墅鲍塞 址。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个 人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：幺脾 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：刹移清 日期： 导师签名：季率 彻，年7 月弓日 中文摘要 摘要 射频识另1 ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术，是一种利用射频信号通 过空间耦合对目标加以识别并获取相关信息的非接触双向数据通信技术。超高频 ( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ，u h f ) 射频识别由于读写距离比较大存在信号衰减、信号 多径干扰、多标签碰撞等问题，无法保证u h fr f i d 系统传输数据的可靠性和安 全性，影响了其大规模商业应用。因此对u h fr f i d 系统传输数据的研究和改进 具有重要意义，也具有很强的实际应用价值。 论文首先介绍了f p g a 设计流程以及开发环境i s e ，仿真环境m o d e l s i m ，接 着研究了i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准协议中a 、b 两类短程通讯的前向链路与返回链路 的数据编解码方式，对双相间隔码( f m o ) 、曼彻斯特码( m a n c h e s t e r ) 、脉冲间隔码( p i e ) 的编解码方式和技术参数进行了深入的分析，并且利用f p g a 设计平台对这三种 码的编、解码电路进行了设计和仿真。然后对u h fr f i d 系统差错控制技术的原 理进行了讨论，重点研究了i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准中的数据保护与校验技术，即循 环冗余校验( c r c ) 。分析了基于线性反馈移位寄存器( l f s r ) 来实现c r c 电路，对 于存在的问题，设计了一种改进型的线性反馈移位寄存器来实现循环冗余校验。 对于要求运算速度高c r c 的系统，本文设计了一种利用递归算法实现的并行c r c 电路。 本文所设计的各个模块，均经进行了m o d e l s i m 仿真测试。并且仿真结果符合 i s o i e c1 8 0 0 0 6 协议的要求。 关键词：射频识别；超高频；f p g a ；c r c 英文摘要 a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g y , w h i c hi d e n t i f i e st a r g e ta n d o b t a i n sr e l e v a n ti n f o r m a t i o nw i t hn o n c o n t a c t ，t w o w a yd a t ac o m m u n i c a t i o nb yr a d i o f r e q u e n c ys i g n a lt h r o u g hs p a c ec o u p l i n g b e c a u s eo fal o n gc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eo f t h eu l t r a h i g hf r e q u e n c y ( u h f ) r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，t h e r ea r e s e v e r a lp r o b l e m s ：c h a n n e la t t e n u a t i o n ，s i g n a lm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n da n t i - c o l l i s i o no f m u l t i t a g s c o m m u n i c a t i o ne t c t h e r e f o rt h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h eu h f r f i d d a t at r a n s m i s s i o nc a n n o tb ee n s u r e d ，a n ds e r i o u s l ya f f e c ti t s l a r g e s c a l ec o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s b a s e do na b o v er e a s o n s ，i t so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ha n d i m p r o v e m e n to fu h fr f i dd a t at r a n s m i s s i o n ，a l s oh a sm o r ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u e s f i r s t , t h ed e s i g np r o c e s so ff p g a ，m o d e l s i ms i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta r e i n t r o d u c e d s e c o n d ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ef o r w a r dl i n ka n dr e t u r nl i n kd a t a e n c o d i n g m e t h o di ns h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o nt y p e saa n dbi ni s o i e c18 0 0 0 - 6 ，a n d d e e p l ya n a l y z e se n c o d i n gm e t h o da n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fb i - p h a s es p a c e ( f m 0 ) c o d i n g ，m a n c h e s t e rc o d i n ga n dp u l s ei n t e r v a le n c o d i n g ( p i e ) c o d i n g t h ep a p e ra l s o d e s i g n e da n ds i m u l a t e dc o d ec i r c u i t sa n dd e c o d ec i r c u i t so ft h et h r e ee n c o d i n gm e t h o d b yf p g ae x p e r i m e n tp l a t f o r m t h i r d ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h et e c h n i c a lp r i n c i p l eo f e l t o rc o n t r o lo ft h eu h fr f i ds y s t e m ，e s p e c i a l l yf o rt h et e c h n o l o g yo fd a t av e r i f i c a t i o n a n dc a l i b r a t i o n , n a m e l yc y c l i cr e d u n d a n c yc h e c kt h a tu s e di ni s o i e c18 0 0 0 6 t h e c i r c u i t so fc r cb a s e do nl i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r ( l s f r ) a r ea n a l y z e df r o m t h e o r ya n dr e a l i z a t i o n ，a n ds o m em e a n so fs o l v i n gp r o b l e m sa r ep u tf o r w a r d ，t h e na n i m p r o v e dl s f rc i r c u i tt oi m p l e m e n tc r c i s d e s i g n e d f o rs o m er e q u i r ef a s tc r c c a l c u l a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rd e s i g n e dan o v e lp a r a l l e lc r cc i r c u i tb yu s i n gr e c u r s i v e f o r m u l a a l lm o d u l e si nt h i sp a p e ra r es i m u l a t e db ym o d e l s i ma n ds i m u l a t i o nr e s u l t sm e e t t h ei s o i e c18 0 0 0 6p r o t o c o l sr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：u h f ；r f i d ；f p g a ；c r c 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2r f i d 技术发展历史及发展现状2 1 3 论文的研究内容3 1 4 论文结构安排：4 第2 章系统开发环境5 2 1f p g a 简介5 2 1 1f p g a 的发展历程5 2 1 2f p g a 基本工作原理7 2 1 3f p g a 设计流程9 2 2 开发工具i s e 简介1 2 2 3 仿真环境m o d e l s i m 简介1 4 第3 章u h fr f i d 系统工作原理17 3 1 射频识别系统的构成1 7 3 1 1 读写器概述l7 3 1 2 射频标签概述1 8 3 2 射频识别系统工作的基本流程1 9 3 3 数据传输原理1 9 3 3 1 数据传输原理1 9 3 3 2 数据传输方式2 0 3 3 3 数据完整性与安全性2 1 3 4 多标签同时识别与系统防冲突2 2 第4 章u h fr f i d 系统编解码的f p g a 实现2 5 4 1i s o i e c18 0 0 0 6 标准2 5 4 2 脉冲间隔码( p i e ) 的f p g a 实现与仿真2 7 4 2 1 脉冲间隔码的原理与规则2 7 4 2 2f p g a 实现与仿真3 0 目录 4 3 曼彻斯特编码( m a n c h e s t e r ) 的f p g a 实现与仿真3 3 4 3 1 曼彻斯特码的原理与规则3 4 4 3 2f p g a 实现与仿真3 5 4 4 双相间隔码( f m o ) 的f p g a 实现与仿真3 6 4 4 1f m 0 码原理及规则3 6 4 4 2f p g a 实现与仿真3 8 第5 章u h fr f i d 系统数据校验4 3 5 1u h fr f i d 系统的数据保护与校验。4 3 5 2 差错控制编码：4 4 5 2 1 差错控制的基本方式4 4 5 2 2 差错控制原理4 6 5 3 常用的差错控制方法4 7 5 3 1 奇偶校验法4 7 5 3 2 循环冗余校验法4 8 5 4u h fr f i d 系统中c r c 电路设计4 9 5 4 1 线性反馈移位寄存器实现循环冗余校验4 9 5 4 2 改进后的线性反馈移位寄存器电路5 1 5 4 3 并行电路实现循环冗余校验5 4 结论。5 9 参考文献6 l 致谢6 5 研究生履历6 7 基于f p g a 的u h fr f i d 系统编解码及校验的实现 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着社会现代化进程的加快，人们对于信息的需求日益增长，自动识别技术 在许多领域得到了快速的普及和推广，迅速改善着人们的生活。自动识别技术是 一种利用特定的识别装置，通过识别装置和被识别物品之间的接近活动，自动地 获取被识别物体的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关联后续 处理的一种技术i l 】。自动识别技术是一种高度自动化地信息和数据采集技术。经过 近几十年的发展，自动识别技术初步形成了一个包括条形识别码、光学符号识别、 语音识别、生物技术识别( 指纹识别) 、接触式i c 卡和射频识别的技术学科。他们 之间的比较如表1 1 所示。 表1 1 各种识别系统有缺点比较 t a b 1 1c o m p a r i s o no fv a r i o u si d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s 参数条形码光学识别语音识别i c 卡射频识别 数据量 1 l o o1 1 0 01 6 6 4 k1 6 6 4 k 数据密度 小小 高很高很高 机器阅读好好费时间好好 个人阅读受限制容易容易不可能不可能 受污染严重严重可能 没有影响 受光遮盖 失效失效 没有影响 受方向很小很小 一个方向没有影响 磨损有条件的有条件的接触没有影响 保密性无 无 好 好 好 阅读速度低4 s 低3 s 很低 5 s 低4 s 快0 5 s 距离 0 - 5 0 e r a 1 c n l0 - 5 0 c m 直接接触 0 5 m 射频识另l j ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术，是2 0 世纪9 0 年代开始 兴起的一种非接触式的自动识别技术。射频识别技术是一种利用无线射频信号通 第1 章绪论 过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现非接触双向数据通信，对目标价以识别并获取 相关信息【2 1 。 有表1 1 可以看出射频识别技术具有很多优点，如不需人工干预，不需直接接 触、不需光学可视等即可完成数据信息的输入和处理。可以工作于各种环境，可 以识别高速运动的物体并且可以同时识别多个射频标签，操作方便快捷，实现了 无源和无接触操作，没有机械磨损，寿命加长。系统机具没有直接对最终用户开 放的物理接口，可更好地保证机具的安全性等。在数据安全方面，还可以用一些 加密算法实现信息的安全管理，射频标签与读写器之间也可相互认证，以实现安 全的通信和存储【3 】。同传统的接触式识别技术和光学识别技术相比，正是由于这些 独特的优势，射频识别技术正广泛地应用于商业自动化、工业自动化及交通运输 管理等领域。另外，随着大规模集成电路生产规模的扩大和技术的进步，射频识 别技术产品的应用成本将会不断下降，其应用范围也必将越来越广泛。 1 2r f i d 技术发展历史及发展现状 r f i d 技术是直接继承了雷达的概念，并由此发展起来的一种新的自动识别技 术。19 4 8 年，哈利斯托克曼( h a r r ys t o c k m a n ) 在无线电工程师协会学报上发表的 “利用反射功率的通信”奠定了r f i d 的理论基础，并且成为r f i d 理论领域的经 典之作【3 1 。在过去的时间里，如果按照1 0 年为一个阶段，r f i d 的发展经过了以下 阶段，划分如表1 2 所示： 表1 2r f i d 技术的发展阶段 t a b 1 2s t a g eo fd e v e l o p m e n to fr f i dt e c h n o l o g y 时间阶段 1 9 4 1 1 9 5 0 年雷达的应用和改进催生了r f i d 技术，并在1 9 4 8 年奠定了理论基础 1 9 5 1 1 9 6 0 年r f i d 技术的探索阶段，主要出于实验室试验阶段 1 9 6 1 1 9 7 0 生 r f i d 技术的理论得到发展，并开始了一些应用尝试 r f i d 技术与产品研发的大发展时期，r f i d 技术测试得到加速，并出现最 1 9 7 1 1 9 8 0 焦 早期的r f i d 技术应用 基- f f p g a 的u h fr f i d 系统编解码及校验的实现 续表1 2r f i d 技术的发展阶段 t a b 1 2s t a g eo fd e v e l o p m e n to fr f i dt e c h n o l o g y 时间阶段 1 9 8 l 1 9 9 0 年 r f i d 技术和产品开始进入商业应用，各种规模应用开始出现 1 9 9 1 2 0 0 0 年 r f i d 技术标准问题日趋得到人们重视，r f i d 产品得剑了广泛的应用 2 0 0 1 年至今r f i d 种类丰富，有源、无源、半无源标签均得到发展、成本不断降低 由于e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 和物联网( i n t e m e to ft h i n g ) 概念的宣传攻势 不断加强，加之麦德龙、沃尔玛、美国国防部等政府机构和企业的推动，从2 0 0 3 年开始，射频识别技术成为全球科技界最大的一个热点【4 】。日前中国已经开始尝试 在一些领域进行应用示范。比如煤矿工人在安全帽上安装射频标签，可以解决煤 矿工人安全问题；邮政行业正在进行物品传输方面的安全及整体数据模型的测试。 同时，e p cg l o b a lc h i n a 也在我国建立了测试中心，相关测试内容包括软件、硬件、 e p c 标准和r f i d 的产品及兼容性，还包括解决方案在实际应用前的检测等2 1 。物 联网应用标准化和中国标准化协会e p c 工作组还会在汽车、航空、石化、汽油、 零售、金融、药品管理方面进行应用示范【l 】。为了传输数据的完整性和安全性，数 据的编解码模块和校验模块变得非常重要。基于f p g a 实现编解码和校验电路， 其运算速度可能不及专用芯片，但是可以达到应用的要求。并且由于其可编程性， 可以自行更新特定结构的编解码模块，从而使得新算法的评估验证更加便捷。用 户可以自行定义具有特定结构的编解码模块，从而使编解码模块的逻辑电路在设 计上具有很高的灵活性。 1 3 论文的研究内容 基于f p g a 的编解码和校验涉及f p g a 设计方法、编解码的规范、数据检错 及校验原理及技术。本文根据国际标准i s o i e c1 8 0 0 0 - 6 的要求，用f p g a 成功实 现了编解码及校验。 论文研究内容的主要包括： ( 1 ) m a n c h e s t e r 编解码。 第1 章绪论 ( 2 ) p i e 编解码。 ( 3 ) f m 0 编解码 ( 4 ) 并行电路实现c r c 校验。 1 4 论文结构安排： 第1 章绪论阐述了课题的研究背景与意义，r f i d 技术发展的历史及研究现状， 并简单叙述了本文的主要研究内容。 第2 章描述了系统开发环境。包括f p g a 系统开发环境、设计工具i s e 和仿 真工具m o d e l s i m 的硬件环境和软件环境。 第3 章介绍了u h fr f i d 系统的基本工作原理，阐述了r f i d 系统的数据传输 和标签防碰撞技术。 第4 章研究了u h fr f i d 系统的数据编解码方式，并利用f p g a 实验平台对 各种码的编码和解码进行了设计与仿真。 第5 章介绍了差错控制编码的原理，研究了u h fr f i d 系统的差错控制技术 和差错控制电路，并设计了一种结构简单、运算速度快的并行c r c 电路。 总结：总结了论文的主要内容，指出了存在的不足并提出了以后还需要进一 步进行的工作。 基于f p g a 的u h fr f i d 系统编解码及校验的实现 第2 章系统开发环境 2 1f p g a 简介 f p g a 是现场可编程门阵3 i 0 ( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y ) 的简称，x i l i n x 公司 是f p g a 的发明者，是世界上最大的f p g a 厂商之一。它于1 9 8 5 年首次推出商业 产品，现在占据了全球一半以上的p l d 市场份额，超过所有其他p l d 企业的总额。 x i l i n x 公司发明的f p g a 器件是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一 步发展的产物，既克服了定制电路的缺点，又解决了原来可编程器件门电路数的 限制，可以负责任的的讲，f p g a 能够成功地完成任何数字器件的功能，上至性能 复杂的c p u ，下至功能简单的7 4 电路，都可以用f p g a 来实现。这就使得电子系 统的设计工程师利用与f p g a 器件相关的e d a 软件，在实验室或办公室就可以设 计自己的系统，实现用户规定的各种专门用途的a s i c 芯片【5 】。 本章主要介绍f p g a 的基础知识、设计流程以及强大的功能。 2 1 1f p g a 的发展历程 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路 本身也在不断的进行着更新换代，它由早期的电子管、晶体管以及小中规模集成 电路，发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的 专用集成电路( a s i c ) 。这种更新换代的步伐越来越快，导致这一现象的根本原因 在于半导体生产制造和电子设计技术的进步。 著名的摩尔先生曾经对半导体的发展做过预言：大约每1 8 个月，芯片的集成 度提高1 倍，功耗下降为原来的l 2 。他的预言被人们称为摩尔定律( m o o r e s l o w ) 。几十年来，集成电路的发展与这个预言惊人地吻合，数字器件经历了从 s s i ( s m a l ls c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t e s ，小规模集成电路) 、m s i ( m e d i u m s c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i t e s ，中规模集成电路) 、l s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t e s ，大规 模集成电路) 、v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t e s ，超大规模集成电路) 到 u l s i ( u l t r al a r g es c a l ei n t e g r a t e sc i r c u i t e s ，甚大规模集成电路) ，直到现在的 s o c ( s y s t e mo i lc h i p ，系统级芯片) 。目前我们已经能把一个完整的电子系统集成在 第2 章系统开发环境 一个芯片上。此外，还有一种器件的发明与使用使我们设计制作电子系统的方法 大为改观，这就是可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 。p l d 器件 是2 0 世纪7 0 年代后在a s i c 设计的基础上发展起来的新型逻辑器件，它可以利用 软件将设计者用硬件语言描述的电路特性转化为硬件电路。在实际应用中它简化 了电路设计，降低了开发成本等，因此p l d 器件的出现给数字系统的设计方式带 来了革命性的变化。 p l d 器件自出现以来，其工艺和结构经历了不断地发展与变革。 在2 0 世纪7 0 年代初，可编程器件只有简单的可编程只读存储器a ( p r o m ) 、 紫外线可擦除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储器( e e p r o m ) 。由于机构的 限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 2 0 世纪7 0 年代中期，可编程逻辑阵y i j ( p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ，p l a ) 与可 编程阵列逻辑( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ，p a l ) 相继出现了。p l a 器件在结构上由 一个可编程的与阵列和一个可编程的或阵列构成，阵列规模小，变成也比较繁琐； p a l 器件由一个可编程的与阵列和一个固定的或阵列构成，采用熔丝编程方式， 其设计较灵活，期间速度快，因而成为第一个得到普遍应用的p l d 器件。 2 0 世纪8 0 年代初，美国的l a t t i c e 公司发明了通用阵列逻辑( g e n e r i ca r r a y l o g i c ，g a l ) 。g a l 器件采用了输出逻辑宏单元( o u t p u tl o g i cm i c r o c e l l ，o l m c ) 结构和e e p r o m 工艺，具有可编程、可擦除、可长期保存数据的优点，且使用灵 活，所以得到了广泛的应用。 这些早期的p l d 器件虽然有较快的逻辑运算速度，但其过于简单的结构也使 它们只能用于规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，在2 0 世纪8 0 年代中期以后， 相继出现了现场可编程门阵y i j ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 器件和复杂 可编程门阵y u ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 。 f p g a 是1 9 8 5 年美国x i l i n x 公司推出的一种采用单元型结构的新型p l d 器件。 它采用c m o s 、s r a m 工艺制作，在结构上与简单的阵列型p l d 不同，它的内部 由许多独立的可编程逻辑单元构成，各逻辑单元之间可以灵活地相互连接，具有 基丁二f p g a 的u h fr f i d 系统编解码及校验的实现 密度高、速度快、编程灵活、可重新配置等优点。因此，f p g a 成为当前主流的 p l d 器件之一。 现在p l d 器件仍向着高密度、高速度、低功耗的方向发展。特别是f p g a 器 件，现在它的集成度已经不能和以前的f p g a 相提并论。另外，由于专用集成电 路( a s i c ) 芯片设计具有周期长、难点多、耗资大等缺点，因此用p l d 器件来代替 一般的a s i c 芯片进行设计已经成为一种发展趋势 6 】。 2 1 2f p g a 基本工作原理 x i l i n x 公司生产的f p g a 采用基于s r a m 编程的查找表( l o o k u p t a b l e ) 结构， f p g a 内部的信息都由s r a m 中存储的配置数据决定，用户可以根据具体的设计生 成这些配置数据。这就使得基于s r a m 编程技术的f p g a 器件具有以下特点：可以 反复编程，对于一般规模的器件，上电几十毫秒就可以完成配置数据的加载；开 发设计不需要专门的编程器；与c m o s 工艺的存储器兼容，价格较低。但由于 f p g a 器件掉电后s r a m 容易丢失配置数据，因而常常在f p g a 外部添加一个只读 存储器p r o m 或e p r o m 来保存这些配置数据。 查找表( l o o k u p t a b l e ) 简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 8 1 。目f i l f x i l i n x f p g a 中多采用4 输入的l u t 结构( v i r t e x 5 器件中采用6 输入l u t ) ，所以每一个u j t 可以看成一个1 6 1 的r a m ，内含地址线为4 位。用户一般通过原理图或h d l 语言 来设计数字逻辑电路，此时，p l d f p g a 开发软件会自动计算该数字逻辑电路产生 的所有可能结果，然后把结果写入r a m 中。这样，当输入一个信号进行逻辑运算 后，就相当于输入一个地址进行查找表，并找出地址所相关的内容，然后输出结 果即可【9 1 。 f p g a 的芯片由可配置逻辑块( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，c l b ) 、可编程输入 输出块( i n p u t o u t p u tb l o c k ，i o b ) 和可编程内部连线( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ， p i ) 三部分组成，其中可编程内部连线包括互联资源和开关编程矩阵两部分 9 】。芯 片结构如图2 1 所示。 第2 章系统开发环境 ：ooo 昌 田田口 t7 - l o b c l bc l b i o b llil i o b c l b c l b i o b i 寻l习 i ii 司 ) 。c 叫i 。l | i 一 蚓 o tt li c 力 + i o b 虿 c l b 孓t b 一 一 - - l o b c l b 一 l o b 丝 謦 互 厂广 i h 蚕j 图2 1f p g a 芯片结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo ff p g a 1 、可配置逻辑块( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，c l b ) 作为f p g a 的核心，c l b 是一种粗粒度的基本逻辑单元，用于实现用户指定 的逻辑功能。每个c l b 包含4 个s l i c e ，如图2 2 所示。 ( 1 ) 布线资源提供在同一个c l b 内s l i c e 之间的连接，以及和相邻c l b 之间 的连接。 ( 2 ) 切换矩阵模块提供s l i c e 与通用布线资源的连接。 ( 3 ) c l b 中包含2 个三态缓冲，可以被1 6 个输出访问。 基于f p g a 的u h fr f i d 系统编解码及校验的实现 重蔫一 图2 2c l b 的结构 f i g2 2s t r u c t u r eo fc l b 2 、可编程输入输出块( i n p u t o u t p u tb l o c k ，l o b ) f p g a 的l o b 提供外部封闭引脚与内部逻辑阵列之间的可编程的接口。它主 要由输入触发器、输入缓冲器、输出触发器锁存器和输出缓冲器组成。每个输入 输出模块控制一个引脚，它们可以被配置为输入、输出或双向输入输出功能。 3 、可编程内部连线( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ，p i ) c l b 布线通道：分布在c l b 阵列的行和列之间； l o b 布线通道：围绕在c l b 阵列的四周，连接i o 口和布线通道； 全局布线通道：时钟信号和高扇出系数的控制信号( 复位、置位、使能等) 。 2 1 3f p g a 设计流程 f p g a 的设计流程是利用e d a 开发软件和编程工具对f p g a 芯片进行开发的过 程。f p g a 设计流程如图2 3 所示，包括电路功能定义、设计输入、功能仿真、逻辑 综合、综合后仿真、实现与布局布线、时序仿真与验证、板级仿真与验证以及芯 片编程与调试等主要步骤【1 1 1 。 第2 章系统开发环境 图2 3f p g a 设计流程 f i g 2 3p r o c e s so ff p g ad e s i g n 各个阶段都可以用不同的方法和工具实现，下面简要的介绍下各个步骤的实 现。 ( 1 ) 电路功能定义 在电路系统设计时，首先进行的是一些准备工作，包括方案论证、系统设计 和f p g a 芯片选择等主要阶段。系统设计工程师会依照任务要求，对系统电路工作 速率和芯片自身的成本、资源等方面进行权量，选择最佳的设计方案和合理的器 件配置。电路功能定义通常都采用自顶而下的结构层次设计方法，把系统分成多 个子模块，然后把每个子模块划分为下一层次的子模块，如此反复，直到可以直 接使用e d a 元件库中的基本单元( 与、t 乍l - j 等) 为止【1 3 】。 ( 2 ) 设计输入 设计输入是根据电路功能定义阶段的要求将设计的系统或电路用硬件描述语 言( h d l ) 或原理图等输入方式表示出来，然后输入给e d a - i - 具的过程。 基t - f p g a 的u h fr f i d 系统编解码及校验的实现 ( 3 ) 功能仿真 功能仿真也成为前仿真，它仅对所设计的逻辑电路的功能进行初步的验证， 是在编译之前所进行逻辑功能检测，这时的仿真没有时间延迟。仿真时，要先建 立波形文件和测试向量。仿真结果将会以报告文件和输出信号波形的形式生成， 通过观察每个节点信号的变化来判断功能是否正确。如果发现错误，则返回上级 设计进行修改。 ( 4 ) 综合 综合就是将电路的高级抽象层次的语言描述( 如算法级) 转化成低级的电路 描述( 如门级) 。根据目标与要求，综合优化生成的逻辑连接，使得层次设计趋 于平面化，供f p g a 布局布线软件来实现。就目前而言，综合优化的转化目标是 将设计输入编译成底层的由与、或、t l ；f - j 以及r a m 触发器等基本逻辑单元组成的 电路结构网表文件，而不是具体的门级电路，真实、具体的门级电路需要利用 f p g a 制造商的布局布线功能，根据综合后生成的标准门级结构网表来产生。由 于目前门级结构、r t l 级的h d l 程序的综合技术成熟，因此几乎所有的综合器 都能够支持到这一级别的综合优化【1 6 】。 综合的输出包含网表文件、资源使用、时序分析等报告。 ( 5 ) 综合后仿真 综合后仿真目的是检测综合优化的结果是否和最初设计吻合，仿真时，在综 合仿真模型中把综合生成的标准延时文件添加进来，用以估计门延时产生的影响。 但是它却不能估计线延时，所以和布局布线后的具体的实际情况还有一定的误差， 并不特别精确。因此对于目前综合工具较成熟的情况，通常的设计大可省略综合 后仿真，但是如果在布局布线后发现电路结构和设计意图有差距，则需要返回到 这一步来查找问题的原斟1 8 】 ( 6 ) 实现与布局布线 实现是将综合优化产生的电路结构网表配置到相应的f p g a 芯片上，其中最 重要的过程就是布局布线。布局是将电路结构逻辑网表中的硬件描述语言和底层 逻辑单元协调地分配到f p g a 芯片内部的硬件结构上，并且通常只能选择速率最 第2 章系统开发环境 优或面积最优之中的一种。布局之后，根据布局的拓扑结构进行布线，它利用芯 片内部的各种连线资源，合理、正确地连接各个元器件。布线结束后，软件工具 会自动报告相关设计中各部分资源的占用情况 1 l 】。 ( 7 ) 时序仿真与验证 时序仿真也称为后仿真，是指在设计网表中添加布局布线时产生的延时信息 来检查有无时序违规现象( 即不满足时序约束条件或器件固有的时序规则现象，如 建立、保持时间等) 。 ( 8 ) 板级仿真与验证 板级仿真是对高速逻辑电路系统的信号完整性、电磁干扰性等一些特征进行 综合分析，它主要用来仿真验证高速逻辑电路系统设计，通常以第三方工具进行 仿真和验证。 ( 9 ) 芯片编程与调试 芯片编程与调试是设计的最后一步，它是生成使用的数据文件( 位数据流文件， b i t s t r e a mg e n e r a t i o n ) 后，将编程的数据下载到相应的f p g a 芯片中。芯片编程必 须满足编程电压编程时序和编程算法等方面这些条件。现在主流的f p g a 芯片生 产商都提供了内嵌的调试工具：在线逻辑分析仪( 如a l t e r aq u a r t u s i i i 拘s i g n a l t a p i i 以及s i g n a l p r o b 、x i l i n xi s e 中的c h i p s c o p e ) 来弥补逻辑分析仪需要引出大 量的测试管脚，且价格昂贵的缺陷，它们只占用了芯片少量的逻辑资源，具有很 高的实用价值 1 。 2 2 开发工具ls e 简介 i s e ( i n t e g r a t e ds o f t w a r ee n v i r r o n m e n t ) 是使用x i l i n x 的f p g a 的必备的设计 工具，它可以完成f p g a 开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布 线、生成b i t 文件、配置以及在线调试等，功能非常强大。i s e 集成了大量的实 用工具，包括设计输入工具、综合工具、仿真工具、实现工具和辅助设计工具等 五大类 9 1 。 本设计使用的开发软件是x i n l i n xi s e9 1 i ，i s e 集成工具如表2 1 所示。 基丁二f p g a 的u h fr f i d 系统编解码及校验的实现 表2 1i s e 集成工具 t a b 2 1i n t e g r a t e dt o o l so fi s e 在设计流程中的步骤工具名称工具功能 h d l 编辑器( h d le d i t o r )