使用FPGA搭建NFC读卡器的实现方案
用 FPGA 从底层开始搭建一个 NFC PCD (读卡器)，支持 ISO14443A 标准。
名词释义
| 名词 | 简称 | 直观名称 | 释义 |
|---|---|---|---|
| Proximity Coupling Device | PCD | 读卡器、读写器、Reader | 给卡片提供能量，并作为通讯主机的设备，其实就是读卡器，也就是本项目要实现的东西。 |
| Proximity Card | PICC | 标签、卡片、TAG | M1卡、UID卡、电子标签这些卡片。不同类的卡片可能满足不同标准。 |
| PCD-to-PICC | TX | 发送 | PCD 对载波进行调制，传输信息到 PICC |
| PICC-to-PCD | RX | 接收 | PICC 改变自身阻抗，使得 PCD 探测到载波幅度发生变化，从而传输信息到 PCD 。 |
| NXP MIFARE Classic 1K | M1卡 | 一种满足 ISO14443A 的卡片，日常生活很常见，比如门禁卡。 | |
| ISO14443A | NFCA | 一种 NFC 标准，用于个人卡片。本项目从硬件到协议完全支持。详见 [1,2,3] | |
| ISO14443B | NFCB | 一种 NFC 标准，用于个人卡片。本项目硬件不支持。详见 [1,2,3] | |
| ISO15693 | NFCV | 一种 NFC 标准，用于工业电子标签。本项目硬件支持，但 FPGA 尚未编写其协议。详见 [1,2] | |
| Carrier、载波 | fc | 13.56MHz 载波 | FPGA 发射引脚需要产生的频率，驱动线圈在这个频率下谐振。 |
| Subcarrier、副载波 | fs | 847.5 kHz 副载波 | 调制的最小单位（PCD和PICC会以这个频率改变调制幅度），是载波频率的 1/16 |
| 位频率 | 105.9375 kHz | 8个副载波周期可能携带一位 (bit) 数据信息 | |
| Amplitude Shift Keying | ASK | 调幅 | 通过改变载波幅度来传送信息 |
更多简称详见引用 [1,2,3]
项目思路
首先是载波生成，我们用 FPGA 的引脚产生 13.56MHz 的信号（对应代码文件 nfca_tx_modulate.v），该信号驱动一个 MOS 管 (FDV301N) + 一个谐振电路来让天线(线圈)谐振。
其次是载波调制发送，ISO14443A 的 PCD-to-PICC 的副载波调制方式是 100% ASK （即在一个副载波周期内，要么满幅度发送载波，要么完全不发送载波），这对 FPGA 也是很容易实现的（对应代码文件 nfca_tx_modulate.v）。
然后是接收卡片的调制信息，PICC-to-PCD 的调制方式是 2%~10% 的 ASK （即在一个副载波周期内，要么让载波衰减一点，要么不衰减）。我用二极管(1N4148)+电容+电阻来做包络检波，得到包络线的频率=副载波频率=847.5kHz，然后用 ADC 对包络线采样（对应代码文件 ad7276_read.v）。包络检波降低了 ADC 采样率的需求，避免直接使用 ≥20Msps 的 ADC 来采样载波，而是只用一个 3Msps 的 ADC (AD7276B) 来采样副载波即可。在 FPGA 内，用一个数字信号处理(DSP)算法来从 ADC 采样数据中检测 PICC-to-PCD 的 ASK 信号，即检测 ADC 采样数据幅度的微小变化，需要有抗噪声能力，并自适应信号幅度。我用的是中值滤波减去原始信号，再做比例阈值判断，效果不错（对应代码文件 nfca_rx_dsp.v）。
最后是实现 ISO14443A 的编解码协议，包括发送校验生成和封包（对应代码文件 nfca_tx_frame.v）、接收协议的解包（对应代码文件 nfca_rx_tobits.v 和 nfca_rx_tobytes.v），这部分是按照 Spec 文档 [3] 编写的。
我还在 FPGA 中实现了串口控制逻辑，将 Host-PC 发送给 FPGA 的串口命令解析成 NFC 发送数据（对应代码文件 uart_rx.v 和 uart_rx_parser.v），并将 NFC 接收数据通过串口发送给 Host-PC （对应代码文件 uart_tx.v）。用户可以在 Host-PC 的”串口调试工具“中发送数据给卡片，然后收到卡片返回的数据。
下图是系统框图，其中 FPGA 中的模块下方逐个标注了 Verilog 代码文件名。
_________ _________________________________________________________________________________________________________
| | ___________________________________________________________________________________________________ |
| | | _________________________________________________________ | |
| | | ___________ | ____________ _____________ | | | ____________ ____________
| | | uart_rx | UART RX | | | frame | | RFID TX | | | | | FDV301N | | Resonant | ___________
uart_tx |---|->|-------->| logic |---|--->| pack |--------->| modulate |--------------->|---------------->|--|-->| N-MOSFET |--->| circuit | | |
| | | ----------- | ------------ ------------- | carrier_out | | | | | |---v->| Antenna |
| | | uart_rx.v | nfca_tx_frame.v | nfca_tx_modulate.v | | | ------------ ------------ | | Coil |
| | | uart_rx_parser.v | rx_on | | | | | | |
| | | fifo_sync.v | | | | | | -----------
| | | ___________ | ___________ ______V____ ____________ | _____________ | | ___________ ____________ |
| | | uart_tx | UART TX | | | bytes | | bits | | ADC data | | | AD7276B | | | | AD7276B | | Envelop | |
uart_rx |<--|--|<--------| logic |<--|--| rebuild |<--------| rebuild |<-------| DSP |<-|--|ADC reader |<-|<-|-----| ADC |<--| detection|<---
| | | ----------- | ----------- ----------- ------------ | ------------- | | SPI | | | |
| | | uart_tx.v |nfca_rx_tobytes.v nfca_rx_tobits.v nfca_rx_dsp.v | ad7276_read.v | | ----------- ------------
GND |---| | --------------------------------------------------------| | |
| | | nfca_controller.v | |
| | --------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| | uart2nfca_system_top.v |
--------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------
Host-PC FPGA (fpga_top.v ) Analog Circuit
搭建硬件
PCB 文件夹里是本库的硬件设计（命名为 NFC_BreakoutBoard），上面主要包括：
发送电路： N-MOSFET、电感等。
接收电路：检波二极管、AD7276B。
4匝线圈。
图： NFC_BreakoutBoard 原理图
图： NFC_BreakoutBoard
请用制造文件 NFC_BreakoutBoard_gerber.zip 来打样 PCB ，然后焊接元件。
硬件连接方法：
J1 连接 7V~9V 的电源。
J2 连接 FPGA 开发板（占用 FPGA 4 个普通 IO 引脚，电平为 3.3V 或 2.5V 均可）。注意：ADC_SCK 的频率高达 40.68MHz，因此不建议用杜邦线，而是用排针直插到 FPGA 开发板。
该 PCB 设计在立创 EDA 开源： oshwhub.com/wangxuan/rfid_nfc_iso14443a_iso15693_breakoutboard
FPGA 部署
部署到 FPGA 时，所有 RTL 目录 和 RTL/nfca_controller 目录 中的 .v 文件都需要加入工程。顶层文件为 fpga_top.v ，它的每个引脚的连接方式见代码注释，如下：
modulefpga_top( inputwire rstn_btn, // press button to reset, pressed=0, unpressed=1 inputwire clk50m, // a 50MHz Crystal oscillator // AD7276 ADC SPI interface outputwire ad7276_csn, // connect to AD7276's CSN (NFC_Breakboard's AD7276_CSN) outputwire ad7276_sclk, // connect to AD7276's SCLK (NFC_Breakboard's AD7276_SCLK) inputwire ad7276_sdata, // connect to AD7276's SDATA (NFC_Breakboard's AD7276_SDATA) // NFC carrier generation signal outputwire carrier_out, // connect to FDV301N(N-MOSFET)'s gate (栅极) (NFC_Breakboard's CARRIER_OUT) // connect to Host-PC (typically via a USB-to-UART chip on FPGA board, such as FT232, CP2102 or CH340) inputwire uart_rx, // connect to USB-to-UART chip's UART-TX outputwire uart_tx, // connect to USB-to-UART chip's UART-RX // connect to on-board LED's (optional) outputwire led0, // led0=1 indicates PLL is normally run outputwire led1, // led1=1 indicates carrier is on outputwire led2 // led2=1 indicates PCD-to-PICC communication is done, and PCD is waiting for PICC-to-PCD );
所有代码都是 Verilog 行为级实现，支持任意 FPGA 平台。除了 fpga_top.v 里的 altpll 模块是仅限于 Altera Cyclone IV 的原语，它用来生成 81.36MHz 时钟，驱动 NFC 控制器。如果你用的不是 Altera Cyclone IV，请使用其它的 IP 核（例如Xilinx 的 clock wizard）或原语来替换，总之只要生成 81.36MHz 的时钟来驱动 NFC 子模块即可。
串口交互
FPGA 烧录之后，Host-PC 可以通过串口控制 FPGA 和 PICC 进行交互。串口格式为 9600,8,n,1 (即波特率=9600，8个数据位，无校验位，1个停止位)。串口通信是“一问一答”的形式，发送你要发给卡片的数据，然后卡片返回数据。每个命令和响应都以 或 或 结尾（也就是一行一个命令/响应）
首先，建议在 PC 上使用“串口调试助手”，而不是 putty 等软件。因为我设计的逻辑是： FPGA 会在收到串口命令时打开载波，如果1.2秒内没有下一个命令到来，就自动关闭载波。这对于一个控制串口的应用程序是足够的时间。但1.2秒是不够人是打出下一条命令的，会导致载波关闭，卡片下电，卡片之前获得的状态都消失了。“串口调试助手”可以一次发送多行命令，而 Putty 则一次只能打一条命令。
注意：“串口调试助手” 往往有“16进制显示”和“16进制发送”选项，不需要勾选。本项目里 FPGA 会把收到的 ASCII 的十六进制形式处理成数字，也会把发出的 数字转成 ASCII 十六进制形式。
与 M1 卡通信
我用自己的门禁卡，和几个在 taobao 上买了的 M1 “白卡”试了试，因为都是 M1 卡，行为类似。以其中一个卡举例：
在 “串口调试助手” 中输入如下命令并点击发送，这会发送 0x26（ISO14443 [3] 规定的 REQA）给卡片（注意末尾要加回车，这样才会被当成一条完整的命令）：
26
然后串口收到如下，这是 ISO14443 规定的 ATQA，含义是 Bit frame anticollision 。
04 00
注：如果没检测到卡，或者因噪声干扰而收到不符合标准规定的波形，串口的行尾会收到字符 n。表示： FPGA正常工作，但没检测到卡/出现错误。
然后我们在“发送框”里下一行附加一个 ISO14443 规定的 AntiCollision 命令，用来获得卡的 UID （因为很可能1.2秒已经过去了，卡片已经丢失了上次上电的信息，需要重新发送 REQA 0x26）。
26 93 20
卡片响应如下（第一行是响应 REQA 的 ATQA，第二行是 响应 anticollision 的 UID）：
04 00 4B BE DE 79 52
然后我们在“发送框”里下一行附加一个 ISO14443 规定的 SELECT 命令，用刚刚获取到的 UID 选中该卡：
26 93 20 93 70 4B BE DE 79 52
卡响应 ISO14443 规定的 SAK=0x08（代表它是 M1 卡。后面的 0xB6 0xDD 则是 CRC 校验码）：
04 00 4B BE DE 79 52 08 B6 DD
注：发送时不需要用户附加 CRC 校验码， FPGA 会在协议规定的需要加校验码的地方自动计算并追加 CRC。
注：接收时，CRC 码不会被 FPGA 检查和删掉，会从串口展示出来。
根据卡片返回的 SAK ，知道这是 M1 卡后，我们可以发送 M1 卡的 Key 认证命令的 Phase1 （第一阶段），从卡片获取随机数（注意，该命令不是 ISO14443 规定的，而是 M1 卡独有的，其它卡不会响应这个命令）。我们在“发送框”里下一行附加：
26 93 20 93 70 4B BE DE 79 52 60 07
卡片响应 4 字节随机数：
04 00 4B BE DE 79 52 08 B6 DD EF 9B B6 5A
M1 卡的后续认证、读写步骤很复杂，不是本工程关注的范围。本工程仅关注 ISO14443A PCD 与 PICC 交互的底层实现。你可以用上层应用程序（C, Python, C# 编程）控制串口来进行 M1 卡的进一步操作。
测试 AntiCollision
AntiCollision 是 ISO14443 规定的多卡检测和防冲突机制，因为不同的卡拥有不同的 UID，读卡器用 UID 来区分不同的卡。
我把 2 张 M1 卡放在线圈上，串口发送 REQA 和 AntiCollision 命令，试图获取卡的 UID：
26 93 20
串口收到：
04 00 01:1
01:1 的含义是一个不完整的字节 0x01（00000001），:1 代表该冲突发生在该字节的从低到高第1位。
这说明，这两个卡的 UID 的第一个字节的低2位分别是 01 和 11。第0位一样所以没发生冲突，第1位不一样所以发生了冲突。
现在你想选择低2位是 11 的那个卡，就需要发送 ISO14443 规定的 bit-oriented 帧，这种帧的最后一个字节是不完整的。用串口发送：
26 93 20 93 22 03:2
93 22 03:2 是一个 bit-oriented 帧。 22 代表：读卡器额外指定 UID 中的 2 个 bit，满足的卡才会响应，不满足的卡就不要响应。后面的 03:2 代表只发送 0x03 (00000011) 的低2位，即 11 。
串口收到：
04 00 01:1 48 BE DE 79 52
最后一条响应是 48 BE DE 79 52 ，注意，48 并不是一个完整字节，它只有高6bit有效，他还需要拼接上低2bit（即0x03的低2bit），才是完整的字节。
一个简单的拼接方法是将读卡器发送的不完整字节 0x03 和卡片返回的不完整字节 0x48 进行按位或，得到 0x4B。
表明这张卡的 UID = 4B BE DE 79 52。
同理，如果想选择低2位是 01 的那个卡，就需要串口发送：
26 93 20 93 22 01:2
串口收到：
04 00 01:1 00 1D DD 79 B8
将读卡器发送的不完整字节 0x01 和卡片返回的不完整字节 0x00 进行按位或，得到 0x01。
表明另一张卡的 UID = 01 1D DD 79 B8。
如果卡的数量有3张以上，依照这个流程还可能发生多次冲突，每发生一次冲突都要指定你要选择发生冲突的那一位=0的卡，还是=1的卡。
逐位 AntiCollision 的例子
为了方便大家加深对 ISO14443 的 AntiCollision 过程的理解，下面我们展示一个逐位 AntiCollision 的例子，用串口发送如下这些命令，每条命令都只多指定一位。
26 93 20 93 21 01:1 93 22 01:2 93 23 01:3 93 24 01:4 93 25 01:5 93 26 01:6 93 27 01:7 93 30 01 93 31 01 01:1 93 32 01 01:2 93 33 01 05:3 93 34 01 0D:4 93 35 01 1D:5 93 36 01 1D:6 93 37 01 1D:7 93 40 01 1D 93 41 01 1D 01:1 93 42 01 1D 01:2 93 43 01 1D 05:3 93 44 01 1D 0D:4 93 45 01 1D 1D:5 93 46 01 1D 1D:6 93 47 01 1D 5D:7 93 50 01 1D DD 93 51 01 1D DD 01:1 93 52 01 1D DD 01:2 93 53 01 1D DD 01:3 93 54 01 1D DD 09:4 93 55 01 1D DD 19:5 93 56 01 1D DD 39:6 93 57 01 1D DD 79:7 93 60 01 1D DD 79 93 61 01 1D DD 79 00:1 93 62 01 1D DD 79 00:2 93 63 01 1D DD 79 00:3 93 64 01 1D DD 79 08:4 93 65 01 1D DD 79 18:5 93 66 01 1D DD 79 38:6 93 67 01 1D DD 79 38:7
串口收到：
04 00 01 1D DD 79 B8 00 1D DD 79 B8 00 1D DD 79 B8 00 1D DD 79 B8 00 1D DD 79 B8 00 1D DD 79 B8 00 1D DD 79 B8 00 1D DD 79 B8 1D DD 79 B8 1C DD 79 B8 1C DD 79 B8 18 DD 79 B8 10 DD 79 B8 00 DD 79 B8 00 DD 79 B8 00 DD 79 B8 DD 79 B8 DC 79 B8 DC 79 B8 D8 79 B8 D0 79 B8 C0 79 B8 C0 79 B8 80 79 B8 79 B8 78 B8 78 B8 78 B8 70 B8 60 B8 40 B8 00 B8 B8 B8 B8 B8 B0 A0 80 80
调试
如果你将卡放在线圈上，并发送串口命令后，串口响应不符合预期，应该：
看看串口是否响应字符 'n'，若没有，说明 FPGA 工作不正常。检查串口连接和波特率设置，并看看程序有没有烧到 FPGA 里。
如果无论发什么，都响应字符 'n' ，说明 FPGA 正常工作，但没检测到卡。请检查 NFC_BreakoutBoard 的电源、FPGA 和 NFC_BreakoutBoard 的连接和引脚分配。如果没问题，将卡贴在线圈上保证信号强度。
如果还不行，进一步的调试方法是用示波器观察信号，将示波器接在 NFC_BreakoutBoard 的 J3 (SMA 接口上)，这里应该能观察到对载波的包络检波。让串口每隔2秒发送一次 26 (REQA)，在示波器上应该能看到载波启动、调制 0x26 的调制过程。然后观察发送调制后大概 8us 后是否有微弱的信号变化（大概只会有几十 mV的浮动），这就是卡片对读卡器的响应。
仿真所需要的文件在目录 SIM 里，其中：
tb_nfca_controller.v 是针对 nfca_controller.v 的 testbench 。
tb_nfca_controller_run_iverilog.bat 包含了 iverilog 仿真命令。
该仿真的行为是：向 nfca_controller 的发送接口发送一些帧，在 carrier_out 信号上可以看到调制的 PCD-to-PICC 发送数据。但该仿真并不会仿真 PICC-to-PCD ，因为我没有编写 PICC 的 model 代码。
使用 iverilog 进行仿真前，需要安装 iverilog ，见：iverilog_usage
然后双击 tb_nfca_controller_run_iverilog.bat 运行仿真，然后可以打开生成的 dump.vcd 文件查看波形。下图是看到的 0x26(REQA)帧的调制波形：
图：仿真中看到的 0x26(REQA)帧的调制波形。
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原文标题：FPGA NFC (RFID)
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