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(chǎng)需求以及激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)。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(zhǎng)、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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)讀寫器應(yīng)答；
(5)讀寫器對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)電路功能進(jìn)行詳細(xì)描述，按照功能對(duì)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(duì)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