超高頻段RFID標(biāo)簽的數(shù)字電路設(shè)計(jì)

1 引 言 

    射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。目前，我國開發(fā)的RFID產(chǎn)品普遍基于中低頻，如二代身份證、票證管理等。在超高頻段我國自主開發(fā)的產(chǎn)品較少，難以適應(yīng)巨大的市場需求以及激烈的國際競爭。超高頻(UHF)標(biāo)簽是指工作頻率在860～960 MHz的RFID標(biāo)簽，具有可讀寫距離長、閱讀速度快、作用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于物流管理、倉儲(chǔ)、門禁等領(lǐng)域。為適應(yīng)市場需求，本文以EPC C1G2協(xié)議為主，ISO／IEC18000．6為輔，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于超高頻標(biāo)簽的數(shù)字電路。 

2 UHF RFID標(biāo)簽的工作原理 

    射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由讀寫器(Reader)和射頻標(biāo)簽(RFID Tag)構(gòu)成。附著在待識(shí)別物體上的射頻標(biāo)簽內(nèi)存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息。讀寫器可無接觸地讀出標(biāo)簽中所存的電子數(shù)據(jù)或者將信息寫入標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)對各類物體的自動(dòng)識(shí)別和管理。讀寫器與射頻標(biāo)簽按照約定的通信協(xié)議采用先進(jìn)的射頻技術(shù)互相通信，其基本通訊過程如下。 

    (1)讀寫器作用范圍內(nèi)的標(biāo)簽接收讀寫器發(fā)送的載波能量，上電復(fù)位； 
    (2)標(biāo)簽接收讀寫器發(fā)送的命令并進(jìn)行操作； 
    (3)讀寫器發(fā)出選擇和盤存命令對標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，選定單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行通訊，其余標(biāo)簽暫時(shí)處于休眠狀態(tài)； 
    (4)被識(shí)別的標(biāo)簽執(zhí)行讀寫器發(fā)送的訪問命令，并通過反向散射調(diào)制方式向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此后不再對讀寫器應(yīng)答； 
    (5)讀寫器對余下標(biāo)簽繼續(xù)搜索，重復(fù)(3)、(4)分別喚醒單個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀取，直至識(shí)別出所有標(biāo)簽。 

3 UHF RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)規(guī)格 

    UHF RFID標(biāo)簽的示意圖如圖1所示，由模擬和數(shù)字兩部分組成。模擬電路主要包括天線、喚醒電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、包絡(luò)檢波電路、解調(diào)電路和反射調(diào)制電路；數(shù)字部分主要實(shí)現(xiàn)EPC通信協(xié)議，識(shí)別讀寫器發(fā)出的命令并執(zhí)行，如實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽閱讀時(shí)的防沖突方法、執(zhí)行讀寫器發(fā)送的讀寫命令、實(shí)現(xiàn)讀寫器和標(biāo)簽的通訊過程以及對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼等。協(xié)議規(guī)定的標(biāo)簽系統(tǒng)規(guī)格如表1所示。 

圖1 UHF RFID標(biāo)簽的示意圖

表1 UHF RFID標(biāo)簽系統(tǒng)規(guī)格

4 標(biāo)簽數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法 

    4.1 電路的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

    經(jīng)過對協(xié)議內(nèi)容的深入研究，本文采用Top．down的設(shè)計(jì)方法，首先對電路功能進(jìn)行詳細(xì)描述，按照功能對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分；再用VHDL硬件描述語言進(jìn)行RTL代碼設(shè)計(jì)并進(jìn)行功能仿真；功能驗(yàn)證正確后，采用EDA工具，指定工藝庫，進(jìn)行邏輯綜合優(yōu)化；最后采用自動(dòng)布局布線進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)形成芯片。本文確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它包括譯碼模塊、CRC (循環(huán)冗余校驗(yàn)，cyclic redundancy check)校驗(yàn)?zāi)K、狀態(tài)機(jī)模塊、CRC產(chǎn)生模塊、存儲(chǔ)器、編碼模塊和時(shí)鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調(diào)出的命令信號(hào)，根據(jù)協(xié)議中規(guī)定的命令格式將信號(hào)譯碼成標(biāo)簽數(shù)字部分可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并發(fā)送到CRC校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)機(jī)模塊。CRC校驗(yàn)?zāi)K對收到的命令進(jìn)行完整性校驗(yàn)，若確認(rèn)為有效命令，則觸發(fā)狀態(tài)機(jī)模塊，控制標(biāo)簽執(zhí)行相應(yīng)操作，如讀寫存儲(chǔ)器、防沖突控制等。處理完成后則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至CRC產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的CRC校驗(yàn)碼，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼一起送至編碼模塊，最后由編碼模塊以特定的脈沖形式發(fā)送給模擬部分進(jìn)行處理后再采用射頻技術(shù)發(fā)送給讀寫器。為降低功耗，時(shí)鐘分頻模塊將全局時(shí)鐘進(jìn)行分頻，分頻后的頻率可由數(shù)字部分其他模塊使用。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)性信息。下面將具體介紹各模塊的實(shí)現(xiàn)方法。 

圖2 標(biāo)簽數(shù)字部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    4.2 譯碼模塊具體實(shí)現(xiàn)方法 

    讀寫器發(fā)出的命令采用PIE (pulse．interval encoding)格式，命令以同步頭(preamble)開始，如圖3所示。譯碼模塊的實(shí)現(xiàn)方法為：首先判斷同步頭，標(biāo)簽對輸入信號(hào)進(jìn)行檢測，一旦檢測到下降沿說明可能是一條新命令的定界符(delimiter)，馬上計(jì)數(shù)低電平，將計(jì)數(shù)值存人寄存器count0中，同時(shí)檢測輸入信號(hào)是否有上升沿跳變，若發(fā)現(xiàn)上升沿跳變，則數(shù)據(jù)清零重新計(jì)數(shù)，并把delimiter之后的計(jì)數(shù)值存入寄存器count中，不斷比較寄存器count0和count的值，依據(jù)圖3所示的關(guān)系依次判斷出delimiter， 數(shù)據(jù)0，RTcal(reader to tag calibration)，TRcal (tag to reader calibration)， 確認(rèn)同步頭；然后把同步頭之后的數(shù)據(jù)比RTcal／2短的作為數(shù)據(jù)0，比RTtcal／2長的作為數(shù)據(jù)1，從一系列高低電平中恢復(fù)出真正的1信號(hào)和0信號(hào)，依次存入命令寄存器，并提供控制狀態(tài)機(jī)及校驗(yàn)?zāi)K的相關(guān)標(biāo)志位。 

圖3 PIE格式，R=>T(reader to rag)同步

     4.3 CRC校驗(yàn)和產(chǎn)生模塊 

     UHF RFID系統(tǒng)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC校驗(yàn))來判斷數(shù)據(jù)的有效性和完整性，CRC校驗(yàn)可以保護(hù)讀寫器發(fā)出的RjT (reader to tag)命令和標(biāo)簽反向散射的TjR (tag to reader)序列。從數(shù)學(xué)角度來看，CRC校驗(yàn)是用將被處理的數(shù)據(jù)字節(jié)當(dāng)作一個(gè)二進(jìn)制多項(xiàng)式A ( )的系數(shù)，該系數(shù)除以發(fā)送方和接收方預(yù)先約定好的生成多項(xiàng)式g ( )后，將求得的余數(shù)P ( )作為CRC校驗(yàn)碼。CRC的計(jì)算包括了要計(jì)算其CRC值的數(shù)據(jù)字節(jié)以及所有前面的數(shù)據(jù)字節(jié)的CRC值。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊被傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送方計(jì)算此數(shù)據(jù)塊的CRC校驗(yàn)碼，并將此校驗(yàn)碼附在數(shù)據(jù)塊后一起傳輸。數(shù)據(jù)接收方計(jì)算所有接收數(shù)據(jù)的CRC值，其結(jié)果總是零，否則在傳輸過程中一定出現(xiàn)了傳輸錯(cuò)誤。用零校驗(yàn)可以很容易地分析數(shù)據(jù)的完整性，避免代價(jià)很高的校驗(yàn)和比較過程。協(xié)議中采用線性反饋移位寄存器來實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)，CRC．5校驗(yàn)和CRC．16校驗(yàn)的電路示意圖如圖4所示。 

圖4 CRC-5和CRC-16電路

     4.4 射頻標(biāo)簽中的狀態(tài)機(jī) 

     RFID標(biāo)簽所有的操作都基于由一系列邏輯控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行的，此為標(biāo)簽數(shù)字電路的核心部分。本設(shè)計(jì)采用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)此模塊，這里用到了3類基本操作和7種典型的狀態(tài)。如圖5所示，當(dāng)收到不同命令時(shí)，標(biāo)簽將會(huì)在7種狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。選擇(select)命令和盤存(inventory)命令用于從標(biāo)簽群中識(shí)別出特定的一個(gè)，標(biāo)簽所處的相應(yīng)狀態(tài)為ready，arbitrate，reply，acknowledged；一旦標(biāo)簽被識(shí)別，讀寫器即可發(fā)出訪問(access)命令，讀取標(biāo)簽的信息或?qū)⑿畔l(fā)送給標(biāo)簽，標(biāo)簽所處的相應(yīng)狀態(tài)為open，secured，killed。 

圖5 讀寫器對標(biāo)簽操作及標(biāo)簽的狀態(tài)

    識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽時(shí)采用隨機(jī)分槽防碰撞算法(slotted random anti．collision algorithm)解決沖突問題。讀寫器向讀寫范圍內(nèi)的每個(gè)標(biāo)簽發(fā)送包含參數(shù)Q (取值0 15)的Query命令，控制標(biāo)簽往各自的分槽計(jì)數(shù)器內(nèi)載入一個(gè)由Q值決定的隨機(jī)數(shù)(取值范圍0～2Q．1)，隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生主要基于線性移位反饋寄存器 。讀寫器再發(fā)出其他inventory命令改變隨機(jī)數(shù)的值，只有當(dāng)隨機(jī)數(shù)的值為0時(shí)，標(biāo)簽才會(huì)應(yīng)答。若多個(gè)標(biāo)簽的計(jì)數(shù)器值同時(shí)為0時(shí)，這些標(biāo)簽同時(shí)應(yīng)答，從而造成沖突。讀寫器檢測到?jīng)_突后，發(fā)出inventory命令讓沖突標(biāo)簽的隨機(jī)數(shù)值從0000h(十六進(jìn)制數(shù))變到7FFFh，再通過設(shè)置新的Q參數(shù)來隨機(jī)散列分槽計(jì)數(shù)器值，使得發(fā)生沖突的多個(gè)標(biāo)簽逐一被識(shí)別，保留一個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)簽與讀寫器建立無碰撞通信，這樣就有效地解決了沖突問題。雖然此種方法的判別線性度比二進(jìn)制數(shù)搜索法低，但讀取速度高，演算機(jī)制完整，可防范多種信號(hào)碰撞的可能性，大幅降低信號(hào)碰撞的幾率。 

    4.5 編碼模塊 

    標(biāo)簽反向散射給讀寫器的數(shù)據(jù)采用FM0編碼，圖6給出了FM0編碼的格式。 

圖6 FM0編碼格式

    FM0編碼的數(shù)據(jù)前應(yīng)以前同步碼開始，選擇哪種前同步碼由讀寫器所發(fā)命令中的TRext參數(shù)決定；FM0編碼在每個(gè)數(shù)據(jù)邊界處倒轉(zhuǎn)相位，并在數(shù)據(jù)0中間倒轉(zhuǎn)相位。FM0編碼具有記憶功能，一序列的信號(hào)中，后一位電平必須承接上一位末尾電平，所以需要一個(gè)寄存器存放上一位末尾處的電平信號(hào)，由此來判斷下一信號(hào)的起始電平。根據(jù)讀器所發(fā)命令確定標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)的鏈路頻率(LF：link frequency)， 由內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生所需頻率，以此作為標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)的發(fā)送頻率。為降低功耗，可以將全局時(shí)鐘分頻，降低時(shí)鐘頻率。為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)編碼的功能，需要在充分理解標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格定義該模塊與狀態(tài)機(jī)之間的接口時(shí)序。編碼模塊只有與狀態(tài)機(jī)模塊在時(shí)序上密切配合，雙方才能正確地發(fā)送和接收信號(hào)。實(shí)現(xiàn)過程為：當(dāng)狀態(tài)機(jī)發(fā)送的使能信號(hào)有效時(shí)，編碼模塊進(jìn)入編碼狀態(tài)，同時(shí)，狀態(tài)機(jī)送出數(shù)據(jù)信號(hào)；編碼模塊被觸發(fā)啟動(dòng)后，首先按照協(xié)議要求產(chǎn)生前同步碼，再把要輸出的數(shù)據(jù)依次編碼，產(chǎn)生1 bit中高低各半的0信號(hào)或統(tǒng)一電平的1信號(hào)，串行送出；當(dāng)狀態(tài)機(jī)發(fā)送最后一位數(shù)據(jù)的同時(shí)，通知編碼模塊，狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。 

    4.6 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)控制邏輯 

    RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息都存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，一般采用EEPROM，用于存儲(chǔ)EPC代碼以及password等標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)性信息。存儲(chǔ)器與狀態(tài)機(jī)的接口 5 J為：Di是存儲(chǔ)器輸入數(shù)據(jù)信號(hào)；Do是存儲(chǔ)器輸出數(shù)據(jù)信號(hào)；Addr是存儲(chǔ)器輸入地址信號(hào)；oen是存儲(chǔ)器輸出使能信號(hào)，高電平有效；cen是存儲(chǔ)器芯片使能信號(hào)，高電平有效；we是存儲(chǔ)器讀寫控制信號(hào)，we=1時(shí)寫有效；we=0時(shí)讀有效。

5 仿真結(jié)果及版圖 

    本文采用VHDL完成了UHF RFID標(biāo)簽數(shù)字電路的RTL代碼設(shè)計(jì)，同時(shí)對標(biāo)簽與讀寫器通訊過程進(jìn)行全面的模擬和仿真，并基于0．18μm CMOS工藝標(biāo)準(zhǔn)單元庫，用EDA相關(guān)工具對該電路進(jìn)行了前端綜合和后端物理實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果如圖7所示，可以看到，綜合后的電路將讀寫器發(fā)出的PIE格式命令CMD data成功地譯碼為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，存人命令寄存器command中，并提供了控制狀態(tài)機(jī)及校驗(yàn)?zāi)K的相關(guān)命令的使能信號(hào)(Query en，QueryAdjust—en等)；在各種命令使能信號(hào)的觸發(fā)下標(biāo)簽執(zhí)行相應(yīng)操作，按讀寫器要求產(chǎn)生各種輸出數(shù)據(jù)(rn，handle等)；并將輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行FM0編碼產(chǎn)生CMD out；還實(shí)現(xiàn)了與存儲(chǔ)器的接口。仿真結(jié)果顯示標(biāo)簽數(shù)字電路在各情況下均正常工作，完全滿足協(xié)議要求。綜合后的電路規(guī)模約為11000門，功耗約為35μw。由于電路規(guī)模很大，要通過自動(dòng)布局線進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的版圖如圖8所示。版圖已經(jīng)通過了DRC(設(shè)計(jì)規(guī)則檢查)和LVS(版圖與電路圖一致比較)驗(yàn)證，時(shí)序分析也滿足要求，電路具有較大的裕量，可靠性較高。 

圖7 仿真結(jié)果

圖8 標(biāo)簽數(shù)字電路版圖

6 結(jié)束語 

    本文依據(jù)EPC C1G2及ISO／IEC18000-6協(xié)議，利用VHDL硬件描述語言和EDA工具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了UHF RFID標(biāo)簽數(shù)字電路，可應(yīng)用于工作在超高頻段的各種RFID標(biāo)簽的數(shù)字部分。文中給出的仿真結(jié)果表明完成的設(shè)計(jì)符合協(xié)議要求。邏輯綜合也得到讓人滿意的結(jié)果，這些都保證了電路的高性能和后端設(shè)計(jì)的順利完成。后期的工作是對流片結(jié)果進(jìn)行測試，另外，在滿足協(xié)議功能要求的基礎(chǔ)上，如何盡可能地簡化電路結(jié)構(gòu)并盡可能降低功耗是進(jìn)一步研究的課題。