基于EPC Gen2協(xié)議的UHF RFID有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

吳小龍，張紅雨

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都611731)

目前符合EPC Gen2[1]協(xié)議的電子標(biāo)簽基本都是無源標(biāo)簽，工作所需能量來自讀寫器發(fā)送的射頻信號，即波束供電。因此工作距離、存儲容量等受到能量來源的限制。為了彌補(bǔ)無源標(biāo)簽的不足，本次研究提出了有源RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方案。

1 UHF RFID電子標(biāo)簽工作原理

讀寫器在發(fā)送完控制命令后，會一直發(fā)送空載波CW，標(biāo)簽通過反向散射調(diào)制的方式將回傳的信息調(diào)制到CW上。該方式通過改變標(biāo)簽天線的負(fù)載阻抗來實(shí)現(xiàn)[2]。通常，一種阻抗處于失配狀態(tài)，另一種阻抗處于匹配狀態(tài)，通過基帶電路控制“阻抗開關(guān)”來完成信號“1”和“0”的傳輸[3]。

2 電子標(biāo)簽的硬件電路設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽包含射頻反射電路、射頻接收電路和基帶控制電路，如圖1所示。

2.1 射頻反射電路設(shè)計(jì)

其中，G為讀寫器天線增益；Γ1為信號“1”對應(yīng)的反射系數(shù)，Γ0為信號“0”對應(yīng)的反射系數(shù)。由式(1)可知，當(dāng)讀寫器天線增益 G一定時(shí)，將 Γ0取 0，Γ1取 1，此時(shí) ΔRCS可取得最大值。為了達(dá)到上述目的，將射頻開關(guān)的一端接匹配負(fù)載，另一端懸空。

2.2 射頻接收電路設(shè)計(jì)

射頻接收電路由低噪放微帶線移相電路、包絡(luò)檢波電路、低通濾波電路、差分放大器和電壓比較器構(gòu)成。信號首先經(jīng)過低噪放放大；然后進(jìn)入50 Ω微帶線產(chǎn)生兩路正交信號；接著由包絡(luò)檢波并通過低通濾波器將高頻成分濾除即可得到兩路基帶信號。經(jīng)過差分放大器和電壓比較器后可得到PIE編碼波形。

3 UHF RFID電子標(biāo)簽基帶程序設(shè)計(jì)

基帶程序主要包括接收模塊、主狀態(tài)機(jī)和發(fā)送模塊。

3.1 接收模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，PIE解碼狀態(tài)機(jī)定義了如下7種狀態(tài)：

(1)S_idle狀態(tài)：解碼開始或結(jié)束時(shí)，解碼狀態(tài)機(jī)處于S_idle狀態(tài)。

(2)S_delim狀態(tài)：判斷 delim(間隔符)低電平持續(xù)時(shí)間是否滿足 12.5 μs±5%。

我不知道到哪里去找尋白麗筠，打她的手機(jī)停機(jī)，上網(wǎng)QQ呼她，頭像是灰的，我留心各種媒體報(bào)道的車禍?zhǔn)鹿?，甚至去我們這座小城的所有水域巡查，沒有任何疑似消息，一概沒有。我痛感到我與白麗筠的聯(lián)系其實(shí)多么脆弱，就像孩子手里的一只風(fēng)箏，只要一陣風(fēng)就把我們徹底拆散了，再也找不到。最后，我去了白麗筠工作的售樓部，明知道沒有用，還是去了。售樓部經(jīng)理說，白麗筠已經(jīng)辭職了。“辭職”兩個(gè)字讓我冰涼的心里升起一絲暖意，既然白麗筠想到要辭職，就不像是一個(gè)要去自殺的人。

(3)S_data0狀態(tài)：測量Tari的時(shí)間長度。

(4)S_rtcal狀態(tài)：判斷RTcal時(shí)間長度是否滿足2.5Tari≤RTcal≤3.0Tari。

(5)Trcal_or_work_h狀態(tài)：判斷TRcal時(shí)間長度是否滿足 1.1RTcal≤TRcal≤3.0RTcal。

(6)S_work_h狀態(tài)：記錄高電平持續(xù)時(shí)間。

(7)S_work_l狀態(tài)：在信號上升沿判斷數(shù)據(jù)是0或1。

3.2 主狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

主狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)EPC Gen2協(xié)議規(guī)定的7種狀態(tài)：Ready、Arbitrate、Reply、Acknowledged、Open、Secured 與Kill。根據(jù)所處狀態(tài)調(diào)用相關(guān)功能模塊，常見的操作有讀寫存儲器、使能發(fā)送模塊應(yīng)答讀寫器等。

3.3 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

FM0編碼狀態(tài)機(jī)如圖3所示，其定義了如下7種狀態(tài)：

(1)S_idle狀態(tài)：編碼器起始狀態(tài)。

(2)S_pilot狀態(tài)：添加導(dǎo)頻音。

(3)S_sync狀態(tài)：添加前同步碼“00101011”此處“V”由數(shù)據(jù)1代替。

(4)S1狀態(tài)：輸出11。

(5)S2狀態(tài)：輸出10。

(6)S3狀態(tài)：輸出01。

(7)S4狀態(tài)：輸出00。

Miller編碼狀態(tài)機(jī)如圖4所示，其定義了如下7種狀態(tài)：

(1)S_idle狀態(tài)：編碼器起始狀態(tài)。

(2)S_pilot狀態(tài)：添加導(dǎo)頻音。

(3)S_sync狀態(tài)：添加前同步碼“010111”。

(4)S1狀 態(tài) ：M=2時(shí) 輸 出 1010，M=4時(shí) 輸 出10101010，M=8時(shí)輸出 1010101010101010。

(5)S2狀態(tài)：M=2時(shí)輸出1001，M=4時(shí)輸出10100101，M=8時(shí)輸出 1010101001010101。

(6)S3狀態(tài)：M=2時(shí)輸出0110，M=4時(shí)輸出01011010，M=8時(shí)輸出 0101010110101010。

(7)S4狀態(tài)：M=2時(shí)輸出0101，M=4時(shí)輸出01010101，M=8時(shí)輸出 0101010101010101。

4 UHF RFID電子標(biāo)簽測試結(jié)果

標(biāo)簽實(shí)物如圖5所示。

讀寫器讀取標(biāo)簽的 EPC、TID、USER 3個(gè)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)后傳到上位機(jī)程序，所得的測試結(jié)果如圖6所示。

本文采用Cyclone系列芯片EP1C3T100C6及相關(guān)射頻芯片，設(shè)計(jì)了一種符合EPC Gen2協(xié)議的有源電子標(biāo)簽。測試結(jié)果表明電子標(biāo)簽工作性能穩(wěn)定。板級電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)為標(biāo)簽的芯片設(shè)計(jì)提供了可靠的保證，降低了流片的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]EPC global Inc.EPCTMradio-frequency identity protocols Class-l Gen-2 UHF RFID protocol for communications at 860 MHz～960 MHz[S].Lawrenceville：EPC Global Inc，2004.

[2]STEWART J T，WHEELER E，TEIZER J，et al.Quadrature amplitude modulated backscatter in passive and semipassive UHF RFID systems[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012，60(4)：1175-1182.

[3]NIKITIN P V，SESHAGIRI K V R，LAM S F，et al.Power reflection coefficient analysis for complex impedances in RFID tag design[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53(9)：2721-2724.

[4]李兵，何怡剛，佘開，等.基于雷達(dá)截面差值的標(biāo)簽通信誤碼率分析與測量[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010(31)：2815-2819.