疏耦合電子標簽研究與實現(xiàn)

黃　丹　胡建國　位召勤　陶　嵐

摘 要：近年來，RFID電子標簽技術(shù)成為熱門新科技，由于功耗和成本的原因阻礙了其廣泛應用。介紹RFID系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)原理，給出低成本、低功耗無源電子標簽芯片體系結(jié)構(gòu)，提出低功耗射頻接口電路、數(shù)字控制電路、存儲電路設計關鍵技術(shù)和優(yōu)化設計，并成功應用到基于ISO/IEC 15693協(xié)議無源電子標簽芯片設計中，在SMIC 0.35 μm E2PROM工藝條件下流片成功,芯片面積為1.86 mm2，設計指標滿足標簽芯片的性能要求。

關鍵詞：ISO/IEC15693；射頻識別；電子標簽；疏耦合卡

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2009)04-016-05

Research and Realization of Vicinity RFID Tag

HUANG Dan1,HU Jianguo1,WEI Zhaoqin1,TAO Lan2

(1.Hunan Network Engineering Vocational College,Changsha,410004,China;2.Changsha Voyage Technology College,Changsha,410004,China)

Abstract：Recently,RFID is a hot and new technology.The power consumption and cost of tags cumber widely used.The theory and structure of passive RFID system is introduced,the architecture of passive tag with low power and low cost,the key technologies and optimized design of RF interface circuit,digital control circuit and memory circuit of tag with low power are proposed,they are applied to passive transponder design based on ISO/IEC 15693,which has fabricated successfully based on 0.35 μm E2PROM technology.The results indicate the area of 1.86 mm2 and the performance requirement of tag chip.

Keywords：ISO/IEC 15693;RFID;electronic tag;vicinity card

0 引 言

RFID(Radio Frequency Identification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別^［1］。RFID技術(shù)成功地結(jié)合了射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)，解決了卡內(nèi)能量來源和信號的無線傳輸兩大難題，是電子器件領域的一大突破。RFID技術(shù)是一個嶄新的技術(shù)應用領域，它不僅涵蓋了微波技術(shù)與電磁學理論，而且還包括通信原理和半導體集成電路技術(shù)，是一個多學科綜合的新興學科^［2,3］。

1 電子標簽及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(shù)據(jù)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^［2-5］,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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

電子標簽芯片可劃分為諧振回路、射頻接口電路、數(shù)字控制和數(shù)據(jù)存儲體4部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的磁場信號，為電子標簽提供能量和數(shù)據(jù)。射頻接口將外接天線和內(nèi)部數(shù)字控制電路、E2PROM數(shù)據(jù)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(nèi)部電路從中獲得能量、時序和數(shù)據(jù)。數(shù)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(shù)據(jù)校驗，完成對射頻接口、數(shù)據(jù)存儲體的控制操作，完成協(xié)議所要求的功能。數(shù)據(jù)存儲體采用E2RPOM，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的存放，可以根據(jù)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(chǎn)生電路、調(diào)制解調(diào)電路、時鐘產(chǎn)生電路和復位電路。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電源產(chǎn)生電路 是射頻接口電路部分的最關鍵技術(shù)，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(nèi)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(nèi)電路正常工作所需要的電源電壓問題。主要由電感諧振網(wǎng)絡、全波整流電路、限幅穩(wěn)幅電路和穩(wěn)壓調(diào)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(nèi)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(shù)實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)原理見圖4。

調(diào)制解調(diào)電路 電子標簽通過將要發(fā)送的信號調(diào)制向閱讀器發(fā)出的載波信號上或者解調(diào)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(shù)據(jù)傳輸采用ASK調(diào)制方式，調(diào)制系數(shù)為10%和100%；電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用負載調(diào)制方式。當閱讀器采用100% ASK調(diào)制方式，由于調(diào)制模式的特殊性，電磁場能量中間有中斷；采用10% ASK調(diào)制方式，電磁場能量連續(xù)傳送。調(diào)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(diào)制方式，遠距離工作時優(yōu)先采用10% ASK調(diào)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(shù)字部分的工作要求提供合適的分頻時鐘，完成對解調(diào)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(nèi)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^［6,7］。

3 數(shù)字控制電路設計

數(shù)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(diào)后的信號以及13.56 MHz的時鐘信號，對解調(diào)信號解碼并進行處理^［8-10］。在數(shù)字控制電路的控制下，對E2PROM進行讀寫操作，并對返回數(shù)據(jù)進行編碼后送入射頻接口電路。數(shù)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(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)進行解碼或者把要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼，同樣為了保證數(shù)據(jù)的正確性，對接收到的數(shù)據(jù)進行CRC校驗。狀態(tài)機只負責處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)和命令的分離以及相應狀態(tài)下數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、狀態(tài)機以及E2PROM中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)去起止位，保證狀態(tài)機收到的數(shù)據(jù)是沒有其他冗余位的數(shù)據(jù)，同時，延時單元也負責為發(fā)送數(shù)據(jù)添加起始位，保證讀寫設備能夠正確接收數(shù)據(jù)。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(diào)后的數(shù)據(jù)進行解碼，曼徹斯特編碼模塊實現(xiàn)對發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼；移位寄存器用來存儲解碼后的數(shù)據(jù)和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；CRC子模塊完成對接收數(shù)據(jù)的校驗，同時也為電子標簽需要發(fā)送的數(shù)據(jù)生成校驗碼。

編解碼模塊 根據(jù)ISO/IEC 15693協(xié)議，電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，而從閱讀器到電子標簽的數(shù)據(jù)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/IEC 15693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‘0。由于在調(diào)制模式選擇時有單負載調(diào)制和雙負載調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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 M2 位的二進制信息轉(zhuǎn)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-PPM只要使用相應的循環(huán)計數(shù)器以及配合電路工作的時鐘，就能夠順利還原數(shù)據(jù)信息。

移位寄存器 在接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)進出方式為串入并出，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)進出方式變?yōu)椴⑷氪觯渑c一般的移位寄存器數(shù)據(jù)進出的方式不同。在接收時因數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)校驗完畢準備傳給狀態(tài)機時，因內(nèi)部處理速度很快，所以數(shù)據(jù)可以并行送出，故在接收數(shù)據(jù)時，移位寄存器數(shù)據(jù)的進出方式為串入并出；同理，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，也存在類似原因，只是數(shù)據(jù)流向剛好相反，此時移位寄存器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換過程的完整性。在接收數(shù)據(jù)時可對數(shù)據(jù)進行檢錯和糾錯處理，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，則為編碼數(shù)據(jù)添加CRC校驗碼，給讀寫設備驗證數(shù)據(jù)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(jù)要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的CRC碼r位，并附在信息后邊，構(gòu)成一個新的二進制碼序列數(shù)共(k+r)位，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據(jù)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(shù)字控制邏輯設計的關鍵是能夠根據(jù)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(shù)據(jù)映射模塊對通用移位寄存器進行數(shù)據(jù)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(nèi)。

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，即進入選中狀態(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(zhì)上是一些特殊的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)或者E2PROM中讀出的數(shù)據(jù)放置到移位寄存器中，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)做分離處理，映射模塊只需根據(jù)狀態(tài)機要求從中取出相關內(nèi)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(jù)狀態(tài)機所指地址到存儲區(qū)中讀出或?qū)懭雰?nèi)容信息。

4 數(shù)據(jù)存儲體設計

電子標簽芯片要存儲數(shù)據(jù)，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(chǎn)生難以控制，操作速度慢，讀寫次數(shù)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(shù)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(chǎn)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(shù)據(jù)，不適用于無源電子標簽芯片存儲數(shù)據(jù)。E2PROM目前生產(chǎn)工藝和設計技術(shù)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(shù)據(jù)移位寄存器和電荷泵等組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖7所示。電荷泵產(chǎn)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?qū)憰r的電壓，移位寄存器用于對E2PROM進行讀寫操作時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊（BLOCK0-BLOCK63），4塊特殊數(shù)據(jù)塊，用于存儲AFI，DSFID，UID，IC信息等。用戶數(shù)據(jù)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<0:4>控制。E2PROM的最小操作單位是塊，對E2PROM讀或?qū)懚际且詨K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(zhuǎn)換。設計中采用SMIC 0.35 μm E2PROM 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(shù)字控制電路，右中下部分是E2PROM電路。

6 結(jié) 語

目前， RFID電子標簽技術(shù)是一項最近幾年才發(fā)展起來和正在發(fā)展的新技術(shù)。具有海量的市

場規(guī)模，對提升社會信息化水平、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量、增強公共安全與國防安全等方面有著深遠影響。 RFID技術(shù)國外發(fā)展較快，主要核心技術(shù)由歐美、日本等發(fā)達國家掌握。中國在高頻、超高頻RFID技術(shù)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(shù)及裝備等關鍵核心技術(shù)。

這里介紹了RFID系統(tǒng)組成，提出了基于ISO/IEC 15693協(xié)議無源電子標簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(shù)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 E2PROM CMOS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。

參 考 文 獻

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作者簡介 黃 丹 女，教授。研究方向為自動控制技術(shù)。

胡建國 男，講師，博士。研究方向為RFID、IC設計與驗證等。

位召勤 男，碩士。研究方向為VLSI設計，模擬射頻電路設計技術(shù)。