疏耦合電子標簽研究與實現(xiàn)

1 電子標簽及其系統(tǒng)結構
1．1 電子標簽
    RFID系統(tǒng)主要由3部分組成：電子標簽、天線、閱讀器(如圖1所示)。

    電子標簽(Tag，應答器)由耦合元件及芯片組成，是射頻識別系統(tǒng)真正的數據載體，放在需要識別的物體上，存儲目標信息如功能特性、性能指標等。閱讀器(Reader)是讀取電子標簽信息的設備，包括高頻模塊(發(fā)送接收器)、控制模塊、以及與應答器連接的耦合元件(收發(fā)天線)。天線在應答器和閱讀器間傳遞射頻信號，應答器和閱讀器之間采用無線通信方式。
    RFID電子標簽種類很多，分類方式多樣，按供電方式可分為有源和無源電子標簽；按載波頻率可分為低頻(125 kHz和134．2 kHz)、高頻(13．56 MHz)、超高頻(860～960 MHz)，以及微波電子標簽(2．45 GHz以上)；按作用距離可分為密耦合(<1 cm)、近耦合(<15 cm)、疏耦合(<1 m)，和遠距離(1～10 m)四種。在此研究的是基于ISO／IEC 15693標準的高頻疏耦合無源電子標簽，提出了其低功耗、低成本實現(xiàn)結構，探討了各個功能模塊的優(yōu)化設計。
1．2 電子標簽系統(tǒng)結構
    電子標簽芯片可劃分為諧振回路、射頻接口電路、數字控制和數據存儲體4部分，其內部結構如圖2所示。

    諧振回路是電子標簽與外界的通信接口，它耦合閱讀器天線產生的磁場信號，為電子標簽提供能量和數據。射頻接口將外接天線和內部數字控制電路、E2PROM數據存儲體聯(lián)系起來，射頻接口電路接收天線耦合的閱讀器信號，使內部電路從中獲得能量、時序和數據。數字控制電路主要包括狀態(tài)機、譯碼編碼、加密校驗、防沖突等模塊，實現(xiàn)命令編解碼、數據校驗，完成對射頻接口、數據存儲體的控制操作，完成協(xié)議所要求的功能。數據存儲體采用E2RPOM，實現(xiàn)對用戶數據的存放，可以根據具體要求進行讀／寫操作。

2 射頻接口電路設計
    射頻接口電路包括電源產生電路、調制解調電路、時鐘產生電路和復位電路。結構如圖3所示。

    電源產生電路 是射頻接口電路部分的最關鍵技術，它從閱讀器所發(fā)射的電磁波中提取電源電壓，給電子標簽芯片內各個部分電路提供工作時所需要的能量，成功地解決了電子標簽內電路正常工作所需要的電源電壓問題。主要由電感諧振網絡、全波整流電路、限幅穩(wěn)幅電路和穩(wěn)壓調節(jié)電路組成。整流出的直流電壓幅度抖動仍較大，需要再進行穩(wěn)壓和限幅，才能提供給內部電路使用。設計中采用串聯(lián)穩(wěn)壓、融合并聯(lián)分流限幅、低壓檢測復位等關鍵技術實現(xiàn)，結構原理見圖4。

    調制解調電路 電子標簽通過將要發(fā)送的信號調制向閱讀器發(fā)出的載波信號上或者解調閱讀器發(fā)來的信號完成與閱讀器的通信。ISO／IEC 15693協(xié)議規(guī)定了閱讀器到電子標簽的數據傳輸采用ASK調制方式，調制系數為10％和100％；電子標簽到閱讀器的數據傳輸采用負載調制方式。當閱讀器采用100％ASK調制方式，由于調制模式的特殊性，電磁場能量中間有中斷；采用10％ASK調制方式，電磁場能量連續(xù)傳送。調制方式與射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離相關，一般情況下近距離工作時優(yōu)先采用100％ASK調制方式，遠距離工作時優(yōu)先采用10% ASK調制方式。
    時鐘提取和復位電路 電子標簽與閱讀器能夠正常通信，依賴于電子標簽上的時鐘能夠和閱讀器上的時鐘實現(xiàn)同步。從載波中提取出時序，以保證通信的可靠性，對提取出的時鐘進行分頻，按照數字部分的工作要求提供合適的分頻時鐘，完成對解調出的信號進行預處理等功能。復位電路有上電復位和下電復位2種，上電復位是當電子標簽獲得足夠的能量開始工作時，將卡內時序電路設定為一個合適的初始狀態(tài)，以防止出現(xiàn)邏輯混亂。下電復位則是為系統(tǒng)有可能出現(xiàn)的意外情況而采取的一種保護措施。

3 數字控制電路設計
    數字控制電路是整個芯片的重要的功能模塊，它接收來自射頻接口電路的解調后的信號以及13．56 MHz的時鐘信號．對解調信號解碼并進行處理。在數字控制電路的控制下，對E2PROM進行讀寫操作，并對返回數據進行編碼后送人射頻接口電路。數字控制電路系統(tǒng)由收發(fā)控制模塊(編解碼子模塊、CRC子模塊和移位寄存器)、映射模塊、狀態(tài)機等組成。整個數字控制電路結構框圖如圖5所示。

    收發(fā)控制模塊完成對模擬電路接收并處理過的數據進行解碼或者把要發(fā)送的數據進行編碼，同樣為了保證數據的正確性，對接收到的數據進行CRC校驗。狀態(tài)機只負責處理數據和執(zhí)行通信協(xié)議，數據和命令的分離以及相應狀態(tài)下數據存放位置的確定則由映射模塊完成，映射模塊的功能就是實現(xiàn)接收到的存放在移位寄存器中的數據、狀態(tài)機以及E2PROM中的數據映射。
3．1 收發(fā)控制模塊設計
    收發(fā)控制模塊主要實現(xiàn)對數據接收和發(fā)送功能，由編解碼子模塊、CRC子模塊和移位寄存器等組成。還包括一些延時單元，它們將負責對接收數據去起止位，保證狀態(tài)機收到的數據是沒有其他冗余位的數據，同時，延時單元也負責為發(fā)送數據添加起始位，保證讀寫設備能夠正確接收數據。編解碼子模塊由PPM(脈沖位置編碼)解碼模塊和曼徹斯特編碼模塊組成，PPM解碼模塊完成對解調后的數據進行解碼，曼徹斯特編碼模塊實現(xiàn)對發(fā)送數據的編碼；移位寄存器用來存儲解碼后的數據和將要發(fā)送的數據；CRC子模塊完成對接收數據的校驗，同時也為電子標簽需要發(fā)送的數據生成校驗碼。
    編解碼模塊 根據ISO／IEC15693協(xié)議，電子標簽到閱讀器的數據采用曼徹斯特編碼，而從閱讀器到電子標簽的數據采用脈沖位置編碼(PPM)。所以在芯片設計中需要包含曼徹斯特編碼模塊和PPM解碼模塊。在ISO/IEC15693協(xié)議中，曼徹斯特編碼定義如下：在半個比特周期時的負邊沿表示二進制‘1’，正邊沿表示二進制‘O’。由于在調制模式選擇時有單負載調制和雙負載調制，因而在不同模式下定義有所不同。曼徹斯特編碼過程比較容易實現(xiàn)，只需將時鐘信號和數據信號進行異或即可實現(xiàn)此功能。由于信息的傳輸是以幀為單位的，要在數據前后分別加上SOF(起始位)和EOF(停止位)。
    在ISO/IEC 15693協(xié)議中，有256選1和4選1兩種脈沖位置編碼方式。在PPM編碼中，信息是由脈沖所在的位置來表示的。PPM幀的時隙劃分為M個時隙，每log 2M位的二進制信息轉化為1幀中某特定位置的1個脈沖，在解碼端通過檢測判決脈沖在幀中的位置，從而還原成二進制信息。因而PPM解碼電路實現(xiàn)也相對比較簡單，對于256-PPM和4一PPM只要使用相應的循環(huán)計數器以及配合電路工作的時鐘，就能夠順利還原數據信息。
    移位寄存器在接收數據時，數據進出方式為串入并出，在發(fā)送數據時，數據進出方式變?yōu)椴⑷氪?，其與一般的移位寄存器數據進出的方式不同。在接收時因數據無論是從解碼電路還是CRC校驗模塊輸出，要進入移位寄存器都是串行傳輸，而當移位寄存器中的數據校驗完畢準備傳給狀態(tài)機時，因內部處理速度很快，所以數據可以并行送出，故在接收數據時，移位寄存器數據的進出方式為串入并出；同理，在發(fā)送數據時，也存在類似原因，只是數據流向剛好相反，此時移位寄存器數據的進出方式變?yōu)椴⑷氪觥Ｊ瞻l(fā)移位寄存器進出方式的切換通過專門開關來控制。
    CRC校驗模塊 用于保證數據交換過程的完整性。在接收數據時可對數據進行檢錯和糾錯處理，在發(fā)送數據時，則為編碼數據添加CRC校驗碼，給讀寫設備驗證數據傳輸無誤創(chuàng)造條件。CRC校驗的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產生一個校驗用的CRC碼r位，并附在信息后邊，構成一個新的二進制碼序列數共(k+r)位，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。CRC校驗模塊設計過程中，選取多項式x16+x12+x2+1對其進行電路實現(xiàn)。
3．2 狀態(tài)機的設計
    數字控制邏輯設計的關鍵是能夠根據條件的變化控制并觸發(fā)正確的操作，這就涉及到狀態(tài)機的設計。狀態(tài)機具有核心的地位和作用，它控制著電子標簽和閱讀器的通信過程。狀態(tài)機通過數據映射模塊對通用移位寄存器進行數據操作，同時通過專用移位寄存器和E2PROM接口模塊完成對閱讀器指令的響應。在電子標簽工作過程中，主要有未上電、就緒、休眠和選中4種工作狀態(tài)。為精簡電子標簽芯片電路，在一般的認證的基礎上，將對閱讀器進行認證的算法交給閱讀器完成，而只把預先加密好的認證碼放于芯片內。
    狀態(tài)機主要分正常工作模式和測試狀態(tài)2種工作模式，具體處于何種狀態(tài)由E2PROM中模式控制位確定。在正常工作模式下，首先電子標簽進入閱讀器天線的磁場，被激活，并接收閱讀器的尋卡請求，向它回發(fā)自己的UID，閱讀器開始確認所接收到的UID是否正確。如果正確，電子標簽開始進入等待閱讀器命令狀態(tài)。閱讀器開始給電子標簽發(fā)送認證命令，電子標簽收到認證碼后，對認證碼進行校驗，正確則回饋自己的認證碼，錯誤則返回錯誤的應答命令。電子標簽會給閱讀器3次認證機會，否則進入停息狀態(tài)。當然在閱讀器收到電子標簽的認證碼后，同樣要進行檢驗，在電子標簽收到閱讀器的正確回饋后，即進人選中狀態(tài)，可以接收閱讀器的讀或者寫的命令。在測試模式下，電子標簽執(zhí)行閱讀器的命令是隨機的，沒有順序要求，主要用于測試電子標簽相應的命令能否正常執(zhí)行，以及與E2PROM通信是否正常等。
3．3 映射模塊的設計
    映射模塊實質上是一些特殊的數據通道，它將狀態(tài)機、收發(fā)移位寄存器以及存儲器分別對應連接起來，實現(xiàn)數據和命令的分離。映射模塊功能示意如圖6所示。

    在狀態(tài)機和收發(fā)移位寄存器的映射過程中，在發(fā)送情況下，把狀態(tài)機中送出的數據或者E2PROM中讀出的數據放置到移位寄存器中，數據保持功能由移位寄存器實現(xiàn)，從而節(jié)省芯片面積；當處于接收狀態(tài)時，由于移位寄存器己將接收到的命令和數據做分離處理，映射模塊只需根據狀態(tài)機要求從中取出相關內容。
    對于狀態(tài)機和存儲區(qū)的映射，無論是UID號，認證碼，密鑰以及實際的物品信息，對映射模塊來說，都是根據狀態(tài)機所指地址到存儲區(qū)中讀出或寫入內容信息。

4 數據存儲體設計
    電子標簽芯片要存儲數據，采用的辦法有：電可擦可編程只讀存儲器(E2PROM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)以及靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)。E2PROM的寫入電壓高，高電壓產生難以控制，操作速度慢，讀寫次數少等缺點在相當程度上制約了RFID芯片的發(fā)展。鐵電存儲器具有工作電壓低，操作速度快，讀寫次數多，功耗低等優(yōu)點，是一種非常理想的可以替代E2PROM的非揮發(fā)性存儲器，但由于是利用熱釋電晶體中自發(fā)極化可以在外加電場的作用下發(fā)生反向的原理，使得FRAM在生產工藝中遇到了更大的問題，這阻礙了它贏得市場。SRAM主要用于微波系統(tǒng)，需要用輔助電池不斷供電，才能永久性保存數據，不適用于無源電子標簽芯片存儲數據。E2PROM目前生產工藝和設計技術相對成熟，在存儲速度、成本等方面都能滿足電子標簽芯片設計要求，E2PROM要達到應用的要求，需要采用全定制設計，其中較多的是模擬電路，如何設計成功是電子標簽芯片實現(xiàn)的關鍵。E2PROM存儲器主要由存儲陣列、地址(字線)譯碼模塊、高壓控制電路、讀寫控制模塊、數據移位寄存器和電荷泵等組成。總體結構如圖7所示。電荷泵產生E2PROM寫操作時的高壓，高壓控制模塊對E2PROM寫時的高壓進行控制，讀寫控制模塊控制位線讀或寫時的電壓，移位寄存器用于對E2PR()M進行讀寫操作時數據的串行移位輸出或輸入。

    在此所設計的E2PROM存儲體包括64塊用戶數據塊(BLoCK0一BLOCK63)，4塊特殊數據塊，用于存儲AFI，DSFID，UID，IC信息等。用戶數據塊分左右兩體，由頁地址信號PAGE來控制選擇，具體讀寫哪個塊或多個塊由地址信號ADDR<O：4>控制。E2PROM的最小操作單位是塊，對E2PROM讀或寫都是以塊為單位進行的。

5 版圖設計
    版圖設計主要包括模塊設計、芯片規(guī)劃、布局、布線等，是一個組合規(guī)劃和巧拼圖形的工作，是從邏輯信息向幾何信息的轉換。設計中采用SMIC0．35μmE2PROM CMOS工藝，E2PROM采用4個存儲單元。版圖規(guī)劃時要考慮好單元間的走線，降低布線難度，另外注意有特殊要求的單元模塊的處理，如把噪聲敏感的模塊隔離起來，版圖設計如圖8所示，左邊是射頻接口電路，左上和左下是儲能電容，右中上部分是數字控制電路，右中下部分是E2PROM電路。

6 結 語
    目前，RFID電子標簽技術是一項最近幾年才發(fā)展起來和正在發(fā)展的新技術。具有海量的市場規(guī)模，對提升社會信息化水平、促進經濟可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質量、增強公共安全與國防安全等方面有著深遠影響。RFID技術國外發(fā)展較快，主要核心技術由歐美、日本等發(fā)達國家掌握。中國在高頻、超高頻RFID技術和應用上還只是處于發(fā)展初期，沒有掌握芯片設計、天線設計、封裝技術及裝備等關鍵核心技術。
    這里介紹了RFID系統(tǒng)組成，提出了基于ISO／IEC15693協(xié)議無源電子標簽系統(tǒng)結構，基于低功耗、低成本實現(xiàn)原理。給出了芯片射頻接口電路、數字控制電路和E2PROM各個模塊的研究與設計實現(xiàn)，并給出了版圖設計的布局圖。已成功應用到基于ISO／IEC 15693協(xié)議無源電子標簽芯片設計中，在SMIC 0．35 μm E2PROMCMOS工藝條件下流片成功，芯片面積1．86mm2，各項測試和設計指標滿足電子標簽的性能要求。