超高頻RFID標簽的數(shù)字電路設計

　　摘 要： 在研究讀寫器和射頻標簽通信過程的基礎上，結合EPC C1G2協(xié)議以及ISO/IEC18000.6協(xié)議， 采用VHDL語言設計出一種應用于超高頻段的射頻標簽數(shù)字電路。對電路的系統(tǒng)結構和模塊具體實現(xiàn)方法進行了描述?；?.18μm CMOS工藝標準單元庫，采用EDA工具對電路進行了前端綜合和后端物理實現(xiàn)。給出的仿真結果表明該電路符合協(xié)議要求，綜合后的電路規(guī)模約為11000門，功耗約為35μW 。該電路可應用于超高頻段的各種RFID標簽的數(shù)字部分。

　　1 引言

　　射頻識別(RFID)技術作為一種新興的自動識別技術，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，難以適應巨大的市場需求以及激烈的國際競爭。超高頻(UHF)標簽是指工作頻率在860～960 MHz的RFID標簽，具有可讀寫距離長、閱讀速度快、作用范圍廣等優(yōu)點，可廣泛應用于物流管理、倉儲、門禁等領域。為適應市場需求，本文以EPC C1G2協(xié)議為主，ISO/IEC18000.6為輔，設計了一種應用于超高頻標簽的數(shù)字電路。

　　2 UHF RFID標簽的工作原理

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

　　(1)讀寫器作用范圍內(nèi)的標簽接收讀寫器發(fā)送的載波能量，上電復位;

　　(2)標簽接收讀寫器發(fā)送的命令并進行操作;

　　(3)讀寫器發(fā)出選擇和盤存命令對標簽進行識別，選定單個標簽進行通訊，其余標簽暫時處于休眠狀態(tài);

　　(4)被識別的標簽執(zhí)行讀寫器發(fā)送的訪問命令，并通過反向散射調制方式向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，進入睡眠狀態(tài)，此后不再對讀寫器應答;

　　(5)讀寫器對余下標簽繼續(xù)搜索，重復(3)

　　(4)分別喚醒單個標簽進行讀取，直至識別出所有標簽。

　　3 UHF RFID標簽的結構及系統(tǒng)規(guī)格

　　UHF RFID標簽的示意圖如圖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、時鐘產(chǎn)生電路、包絡檢波電路、解調電路和反射調制電路;數(shù)字部分主要實現(xiàn)EPC通信協(xié)議，識別讀寫器發(fā)出的命令并執(zhí)行，如實現(xiàn)多標簽閱讀時的防沖突方法、執(zhí)行讀寫器發(fā)送的讀寫命令、實現(xiàn)讀寫器和標簽的通訊過程以及對輸出數(shù)據(jù)進行編碼等。協(xié)議規(guī)定的標簽系統(tǒng)規(guī)格如表1所示。

　　4.標簽數(shù)字電路的設計方法

　　4.1 電路的整體系統(tǒng)設計

　　經(jīng)過對協(xié)議內(nèi)容的深入研究，本文采用Top.down的設計方法，首先對電路功能進行詳細描述，按照功能對整個系統(tǒng)進行模塊劃分;再用VHDL硬件描述語言進行RTL代碼設計并進行功能仿真;功能驗證正確后，采用EDA工具，指定工藝庫，進行邏輯綜合優(yōu)化;最后采用自動布局布線進行版圖設計形成芯片。本文確定的系統(tǒng)結構框圖如圖2所示，它包括譯碼模塊、CRC (循環(huán)冗余校驗，cyclic redundancy check)校驗模塊、狀態(tài)機模塊、CRC產(chǎn)生模塊、存儲器、編碼模塊和時鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調出的命令信號，根據(jù)協(xié)議中規(guī)定的命令格式將信號譯碼成標簽數(shù)字部分可識別的二進制數(shù)據(jù)，并發(fā)送到CRC校驗模塊和狀態(tài)機模塊。CRC校驗模塊對收到的命令進行完整性校驗，若確認為有效命令，則觸發(fā)狀態(tài)機模塊，控制標簽執(zhí)行相應操作，如讀寫存儲器、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)生相應的CRC校驗碼，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗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)送給模擬部分進行處理后再采用射頻技術發(fā)送給讀寫器。為降低功耗，時鐘分頻模塊將全局時鐘進行分頻，分頻后的頻率可由數(shù)字部分其他模塊使用。存儲器存儲標簽的標識性信息。下面將具體介紹各模塊的實現(xiàn)方法。

　　4.2 譯碼模塊具體實現(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。譯碼模塊的實現(xiàn)方法為：首先判斷同步頭，標簽對輸入信號進行檢測，一旦檢測到下降沿說明可能是一條新命令的定界符(delimiter)，馬上計數(shù)低電平，將計數(shù)值存人寄存器count0中，同時檢測輸入信號是否有上升沿跳變，若發(fā)現(xiàn)上升沿跳變，則數(shù)據(jù)清零重新計數(shù)，并把delimiter之后的計數(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所示的關系依次判斷出delimiter， 數(shù)據(jù)0，RTcal(reader to tag calibration)，TRcal (tag to reader calibration)， 確認同步頭;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出真正的1信號和0信號，依次存入命令寄存器，并提供控制狀態(tài)機及校驗模塊的相關標志位。

　　4.3 CRC校驗和產(chǎn)生模塊

　　UHF RFID系統(tǒng)采用循環(huán)冗余校驗(CRC校驗)來判斷數(shù)據(jù)的有效性和完整性，CRC校驗可以保護讀寫器發(fā)出的RjT (reader to tag)命令和標簽反向散射的TjR (tag to reader)序列。從數(shù)學角度來看，CRC校驗是用將被處理的數(shù)據(jù)字節(jié)當作一個二進制多項式A ( )的系數(shù)，該系數(shù)除以發(fā)送方和接收方預先約定好的生成多項式g ( )后，將求得的余數(shù)P ( )作為CRC校驗碼。CRC的計算包括了要計算其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。當一個數(shù)據(jù)塊被傳輸時，數(shù)據(jù)發(fā)送方計算此數(shù)據(jù)塊的CRC校驗碼，并將此校驗碼附在數(shù)據(jù)塊后一起傳輸。數(shù)據(jù)接收方計算所有接收數(shù)據(jù)的CRC值，其結果總是零，否則在傳輸過程中一定出現(xiàn)了傳輸錯誤。用零校驗可以很容易地分析數(shù)據(jù)的完整性，避免代價很高的校驗和比較過程。協(xié)議中采用線性反饋移位寄存器來實現(xiàn)CRC校驗，CRC.5校驗和CRC.16校驗的電路示意圖如圖4所示。

　　4.4 射頻標簽中的狀態(tài)機

　　RFID標簽所有的操作都基于由一系列邏輯控制的狀態(tài)轉換進行的，此為標簽數(shù)字電路的核心部分。本設計采用有限狀態(tài)機來實現(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，當收到不同命令時，標簽將會在7種狀態(tài)間進行轉換。選擇(select)命令和盤存(inventory)命令用于從標簽群中識別出特定的一個，標簽所處的相應狀態(tài)為ready，arbitrate，reply，acknowledged;一旦標簽被識別，讀寫器即可發(fā)出訪問(access)命令，讀取標簽的信息或將信息發(fā)送給標簽，標簽所處的相應狀態(tài)為open，secured，killed。

　　識別多個標簽時采用隨機分槽防碰撞算法(slotted random anti.collision algorithm)解決沖突問題。讀寫器向讀寫范圍內(nèi)的每個標簽發(fā)送包含參數(shù)Q (取值0 15)的Query命令，控制標簽往各自的分槽計數(shù)器內(nèi)載入一個由Q值決定的隨機數(shù)(取值范圍0～2Q.1)，隨機數(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命令改變隨機數(shù)的值，只有當隨機數(shù)的值為0時，標簽才會應答。若多個標簽的計數(shù)器值同時為0時，這些標簽同時應答，從而造成沖突。讀寫器檢測到?jīng)_突后，發(fā)出inventory命令讓沖突標簽的隨機數(shù)值從0000h(十六進制數(shù))變到7FFFh，再通過設置新的Q參數(shù)來隨機散列分槽計數(shù)器值，使得發(fā)生沖突的多個標簽逐一被識別，保留一個處于活動狀態(tài)的標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(215_1)比二進制數(shù)搜索法(2蜥)低，但讀取速度高，演算機制完整，可防范多種信號碰撞的可能性，大幅降低信號碰撞的幾率。

　　4.5 編碼模塊

　　標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。

　　FM0編碼的數(shù)據(jù)前應以前同步碼開始，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編碼在每個數(shù)據(jù)邊界處倒轉相位，并在數(shù)據(jù)0中間倒轉相位。FM0編碼具有記憶功能，一序列的信號中，后一位電平必須承接上一位末尾電平，所以需要一個寄存器存放上一位末尾處的電平信號，由此來判斷下一信號的起始電平。根據(jù)讀器所發(fā)命令確定標簽返回數(shù)據(jù)的鏈路頻率(LF：link frequency)， 由內(nèi)部時鐘計數(shù)產(chǎn)生所需頻率，以此作為標簽返回數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率。為降低功耗，可以將全局時鼯分頻，降低時鐘頻率。為了準確實現(xiàn)編碼的功能，需要在充分理解標準的基礎上，嚴格定義該模塊與狀態(tài)機之間的接口時序。編碼模塊只有與狀態(tài)機模塊在時序上密切配合，雙方才能正確地發(fā)送和接收信號。實現(xiàn)過程為：當狀態(tài)機發(fā)送的使能信號有效時，編碼模塊進入編碼狀態(tài)，同時，狀態(tài)機送出數(shù)據(jù)信號;編碼模塊被觸發(fā)啟動后，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信號或統(tǒng)一電平的1信號，串行送出;當狀態(tài)機發(fā)送最后一位數(shù)據(jù)的同時，通知編碼模塊，狀態(tài)機的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。

　　4.6 存儲器及存儲控制邏輯

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

　　5 仿真結果及版圖

　　本文采用VHDL完成了UHF RFID標簽數(shù)字電路的RTL代碼設計，同時對標簽與讀寫器通訊過程進行全面的模擬和仿真，并基于0.18μm CMOS工藝標準單元庫，用EDA相關工具對該電路進行了前端綜合和后端物理實現(xiàn)。仿真結果如圖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成功地譯碼為二進制數(shù)據(jù)，存人命令寄存器command中，并提供了控制狀態(tài)機及校驗模塊的相關命令的使能信號(Query en，QueryAdjust—en等);在各種命令使能信號的觸發(fā)下標簽執(zhí)行相應操作，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)進行FM0編碼產(chǎn)生CMD out;還實現(xiàn)了與存儲器的接口。仿真結果顯示標簽數(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，要通過自動布局線進行版圖設計，所設計的版圖如圖8所示。版圖已經(jīng)通過了DRC(設計規(guī)則檢查)和LVS(版圖與電路圖一致比較)驗證，時序分析也滿足要求，電路具有較大的裕量，可靠性較高。

　　6 結束語

　　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工具設計實現(xiàn)了UHF RFID標簽數(shù)字電路，可應用于工作在超高頻段的各種RFID標簽的數(shù)字部分。文中給出的仿真結果表明完成的設計符合協(xié)議要求。邏輯綜合也得到讓人滿意的結果，這些都保證了電路的高性能和后端設計的順利完成。后期的工作是對流片結果進行測試，另外，在滿足協(xié)議功能要求的基礎上，如何盡可能地簡化電路結構并盡可能降低功耗是進一步研究的課題。