隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子信息技術(shù)越來越快地普及到各行各業(yè)的應(yīng)用中去,。傳統(tǒng)的物流信息采集工作方式是通過工作人員將票物進(jìn)行核對,，然后將票上的數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)中。這一過程費(fèi)時費(fèi)力,，并且可能由于各種人為過失造成各種各樣錯誤數(shù)據(jù)的存在,，影響所采集信息的可靠性。而自動識別技術(shù)利用計算機(jī)進(jìn)行自動識別,，增加了輸入的靈活性與準(zhǔn)確性,，使人們擺脫繁雜的統(tǒng)計識別工作，并且大大提高了物流信息采集的工作效率,。目前,，由沃爾瑪、麥德隆等大超市一手推動的RFID應(yīng)用,，為零售業(yè)帶來包括降低勞動力成本,、商品的可視度提高，降低因商品斷貨造成的損失,，減少商品偷竊現(xiàn)象等好處,。其可應(yīng)用的過程包括：商品的銷售數(shù)據(jù)實(shí)時統(tǒng)計，補(bǔ)貨,，防盜等,。本文利用RFID技術(shù)，用FPGA芯片與NRF905搭建了無線通信系統(tǒng),，成功的實(shí)現(xiàn)了無線收發(fā)數(shù)據(jù),。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　1．1 RFID簡介

　　RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別技術(shù))是利用無線電波對記錄媒體進(jìn)行讀／寫,。射頻識別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米,，且根據(jù)讀／寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息,，同時,，還具有極高的保密性。射頻識別技術(shù)適用的領(lǐng)域：物料跟蹤,、運(yùn)載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合,，要求頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用,。如香港的車輛自動識別系統(tǒng)駕易通，采用的主要技術(shù)就是射頻技術(shù),。射頻技術(shù)在其他物品的識別自動化管理方面也得到了較廣泛的應(yīng)用,。

　　如圖1所示即為本無線系統(tǒng)的整個構(gòu)架，由控制模塊,，SPI模塊以及天線模塊構(gòu)成,。其中對SPI模塊的配置由控制模塊通過Wishbone總線來完成，并且對天線模塊的配置,，模式轉(zhuǎn)換,，收發(fā)數(shù)據(jù)等操作均由控制模塊通過SPI總線來完成。下面將就各個部分進(jìn)行說明,。

　　1．2 天線模塊(NRF905收發(fā)模塊)

　　1．2．1 NRF905介紹

　　NRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片,，工作電壓為1．9～3．6 V，32引腳QFN封裝,，工作于433／868／915MHz三個ISM頻道,。可以自動完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))的工作,，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼／解碼,，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便,，功耗低,，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11 mA，在接收模式時電流為12．5 mA,。

　　NRF905有ShockBurst接收與ShockBurst發(fā)送兩種工作模式,；掉電和SPI編程與Standby和SPI編程兩種節(jié)電模式。其ShoekBurst工作模式的特點(diǎn)是自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC,，可以通過SPI接口進(jìn)行編程配置,。NRF905的工作模式由對TRX_CE，TX_EN,，PWR_UP的設(shè)置來設(shè)置,，見表1。

　　1．2．2 NRF905配置與工作過程

　　nRF905的所有配置都通過SPI接口進(jìn)行,。SPI接口由5個寄存器組成,，一條SPI指令用來決定進(jìn)行什么操作。SPI接口只有在掉電模式和Standby"模式是激活的,。

　　其中SPI接口的5個寄存器分別為：

　　(1)狀態(tài)寄存器：寄存器包含數(shù)據(jù)就緒DR和地址匹配AM狀態(tài),。

　　(2)RF配置寄存器：寄存器包含收發(fā)器的頻率、輸出功率等配置信息,。

　　(3)發(fā)送地址：寄存器包含目標(biāo)器件地址,，字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置,。

　　(4)發(fā)送有效數(shù)據(jù)：寄存器包含發(fā)送的有效Shock Burst數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置,。

　　(5)接收有效數(shù)據(jù)：寄存器包含接收到的有效ShockBurst數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù),，字節(jié)長度由配置寄存器設(shè)置。在寄存器中的有效數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR指示,。

　　ShoekBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要高速控制器來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或時鐘覆蓋,。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi),，nRF905提供給應(yīng)用控制器一個SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定,。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗,。在ShockBurst RX(接收)模式中，地址匹配AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號通知控制器一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成,。在ShockBurst TX(發(fā)送)模式中,，nRF905自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號通知控制器數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成,。

　　1．3 SPI模塊

　　1．3．1 SPI總線介紹

　　SPI(Serial Parallel Bus)總線是Motorola公司提出的一個同步串行外設(shè)接口,，容許CPU與各種外圍接口器件，以串行方式進(jìn)行通信,。它使用4條線：串行時鐘線(SCK),、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出線(MISO)、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入線(MOSI),、低電平有效的使能信號線(SS),。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種I／0器件,。

　　SPI總線模式的數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位進(jìn)行傳輸?shù)?一次傳輸可以傳多個字節(jié)),，每字節(jié)為8位，每個命令或者數(shù)據(jù)塊都是字節(jié)對齊的(8個時鐘的整數(shù)倍),。數(shù)據(jù)按位傳輸,，高位在前，地位在后,，為全雙工通信,，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到每秒幾兆比特,。SPI接口是以主從方式工作的,，這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件。在本文設(shè)計的無線通信系統(tǒng)中,，由FPGA實(shí)現(xiàn)的SPI總線接口模塊為主機(jī),，NRF905的SPI模塊為從機(jī),。

　　SPI時序模式的選擇：

　　SPI接口有4種不同的數(shù)據(jù)傳輸時序，取CPOL和CPHL這兩位的組合,。CPOL是用來決定SCK時鐘信號空閑時的電平,；CPOL=O，空閑電平為低電平,，CPOL=1時,，空閑電平為高電平。CPHA是用來決定采樣時刻的,，CPHA=0,，在每個周期的第一個時鐘沿采樣；CPHA=1,，在每個周期的第二個時鐘沿采樣,。

　　圖2為NRF905的SPI接口的時序圖，由此本文設(shè)計的SPI工作模式是在CPOL=O,，CPHA=O這種時序下,。

　　1．3．2 SPI硬件設(shè)計

　　圖3是本文無線通信系統(tǒng)中SPI模塊的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)中的SPI主要由時鐘生成模塊,，SPI寄存器組,，SPI功能配置的模塊組成，并且通過Wishbone總線與控制器相連,，具體設(shè)計如下：

　　時鐘生成模塊：由于SPI模塊是基于FPGA來實(shí)現(xiàn)的,，而FPGA外部提供的時鐘較快(50 MHz或100 MHz)，不適合與NRF905的SPI接口進(jìn)行通信(1 Hz～10 MHz),，所以需要分頻來使時鐘慢下來,。但是至于幾分頻是由SPI功能配置模塊來完成的。其次由于SPI協(xié)議指出數(shù)據(jù)可在上升沿或下降沿觸發(fā),，所以還需要對時鐘的上升沿或下降沿進(jìn)行鑒別(也稱抓沿程序),，這個功能也由這個模塊完成。

　　SPI寄存器模塊：這個模塊實(shí)現(xiàn)的是一個由16個8位寄存器組成的128位的寄存器組,，也就是說通過SPI接口一次性可收發(fā)8～128位的串行數(shù)據(jù),。具體操作由SPI功能配置模塊來完成。

　　SPI功能配置模塊：這個模塊相當(dāng)于一個SPI控制器,，通過對其寄存器的配置來決定時鐘的分頻數(shù),，收發(fā)數(shù)據(jù)位數(shù)，時鐘上升沿或下降沿傳輸數(shù)據(jù)等,，而對這些寄存器的配置是由控制模塊完成的,。下面就配置寄存器做一些簡要說明。

　　首先介紹控制寄存器：

• 　　控制寄存器第O位go：是否開始發(fā)送。
• 　　控制寄存器第1位rx_negedge：接收數(shù)據(jù)是下降沿還是上升沿,。
• 　　控制寄存器第2位tx_negedge：發(fā)送數(shù)據(jù)是下降沿還是上升沿,。
• 　　控制寄存器第3～9位char_len：發(fā)送數(shù)據(jù)的位數(shù)(因?yàn)镾PI是全雙工的，所以這實(shí)際上也是接收數(shù)據(jù)的位數(shù)),。
• 　　控制寄存器第10位lsb：是從高位發(fā)送還是地位發(fā)送,。
• 　　控制寄存器第11位ie：讀寫完成之后是否發(fā)送中斷信號。
• 　　控制寄存器第12位ass：是否自動產(chǎn)生片選信號,。
• 　　分頻寄存器：spi_divider_sel,。
• 　　狀態(tài)寄存器：spi_ctrl_sel。
• 　　數(shù)據(jù)寄存器O：spi_tx_sel[0],。
• 　　數(shù)據(jù)寄存器1：spi_tx_sel[1],。
• 　　數(shù)據(jù)寄存器2：spi_tx_sel[2]。
• 　　數(shù)據(jù)寄存器3：spi_tx_sel[3],。
• 　　片選信號寄存器：spi_ss_sel。

　　1．4 控制模塊

　　對于控制模塊來說,，其實(shí)現(xiàn)方法是利用基于Verilog語言的有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn),，相當(dāng)于一條一條的指令來控制SPI模塊接收發(fā)送數(shù)據(jù)?？刂颇K分成三個獨(dú)立的部分即接收控制模塊,、發(fā)送控制模塊及NRF905配置模塊。其中接收與發(fā)送控制模塊分別包含對SPI進(jìn)行配置的狀態(tài),。下面對接收控制模塊的設(shè)計進(jìn)行說明,。圖4即為Debussy綜合出的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖。

　　為了完成無線通訊而設(shè)計的狀態(tài)較多,，比較復(fù)雜,，故只對比較重要的狀態(tài)做些簡要說明。idle空閑狀態(tài),，完成對端口進(jìn)行初始化寄存器清零,；config_div狀態(tài)，對時鐘進(jìn)行分頻(定義sclk),；configwb_in狀態(tài),，定義傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)以及是上升沿收發(fā)還是下降沿收發(fā)，wb_inl,，wb_in2,，wb_in3，wb_in4,，這四個狀態(tài)就是通過Wishbone總線接口對SPI配置要寫的數(shù)(每一個狀態(tài)對應(yīng)一個寄存器),；configspi_out狀態(tài)，開始傳送數(shù)據(jù)；done狀態(tài),，片選置高數(shù)據(jù)傳送完成,；readeonfigreg_prel狀態(tài)，設(shè)定發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù),；readconfigreg(讀寄存器控制字位數(shù))狀態(tài),，通過Wishbone總線接口對SPI配置讀命令字；readconfigreg_out狀態(tài),，設(shè)定發(fā)送／接收數(shù)據(jù)位,；alldone狀態(tài)，片選置高完成配置數(shù)據(jù)讀取的過程,。

　　該設(shè)計考慮到驗(yàn)證配置過程的正確性,，故特意設(shè)定了讀寄存器配置數(shù)據(jù)的狀態(tài)，ehangemode就是接收狀態(tài),，當(dāng)接收完成后(DR=1)進(jìn)入eh-angmodee狀態(tài),，把收到的數(shù)據(jù)讀出來。然后再回到readeonfigreg_prel狀態(tài),，等待新的傳輸數(shù)據(jù),。

　　2 系統(tǒng)驗(yàn)證

　　該設(shè)計最后進(jìn)行了板級驗(yàn)證，F(xiàn)PGA開發(fā)板與NRF905的PCB板構(gòu)成這個驗(yàn)證系統(tǒng),。FPGA芯片的采用Xilinx公司的XC2V1000,，所用的綜合工具是Synplify，前仿真與后仿真用來查看波形的工具是Modelsim,，所用到的布局布線工具與下載工具是ISE10．1集成的iMPACT,，而板級測試用來查看波形的工具是Chipseope。

　　在下載之前對本設(shè)計進(jìn)行了充足的功能仿真,，用Verilog編寫了SPI從機(jī)模仿NRF905的SPI接口與SPI主機(jī)進(jìn)行通信,，確保能夠完成預(yù)先設(shè)定的功能。

　　下載是將配置文件下載到具體的FPGA芯片中,。本文系統(tǒng)中采用的是JTAG下載方式,，下載工具使用Xilinx ISE的集成工具iMPACT。在下載之前進(jìn)行了管腳綁定其目的就在于能夠?qū)⒃O(shè)計的輸入／輸出端口約束在FPGA芯片的合適的引腳上,，以方便對其進(jìn)行分析和調(diào)試并與外界I／O進(jìn)行相連,。下面即為本設(shè)計中相應(yīng)的管腳約束文件中的相關(guān)內(nèi)容。

　　下載完成后,，依照管腳綁定將FPGA開發(fā)板與NRF905的PCB相連,，圖5即為無線收發(fā)的PCB連接圖。

　　這只是其中一端,，在這里假定為接收端,，那么另外還有一樣的互連PCB板作為發(fā)送端,。右邊的PCB板為FPGA用來實(shí)現(xiàn)SPI模塊與控制模塊。左上倒凸字形的小PCB板即為NRF905,，左邊的PCB板起到了連接FPGA與NRF905的左右,，并給NRF905提供電源。

　　系統(tǒng)建立起來后,，下一步是最終的板級驗(yàn)證,。圖6為用Chipscope得到的波形圖。mosi與miso分別是發(fā)送端與接收端SPI總線上的信號,。從圖中可以看出數(shù)據(jù)基本吻合,，由此表明設(shè)計的以FPGA控制NRF905的無線通信系統(tǒng)能夠正常工作。

　　3 結(jié)語

　　本文實(shí)現(xiàn)了以FPGA控制NRF905的無線通信系統(tǒng),，通過對系統(tǒng)的建立與仿真測試以及板級驗(yàn)證,，證明了無線通信系統(tǒng)能夠正常工作，而且無線系統(tǒng)通信距離可達(dá)100 m,，基本完成了無線系統(tǒng)通信的要求,，充分說明該設(shè)計系統(tǒng)的實(shí)用性。