（通信与信息系统专业论文）rfid智能卡芯片模拟前端的设计与实现.pdf

摘要r f i d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现专业：通信与信息系统硕士生：伍尚志指导老师：谭洪舟教授摘要射频识别( r f i d ) 是一种非接触式的自动识别技术，由雷达技术发展而来。它通过电磁场的耦合原理识别目标对象并获取其相关信息。随着信息技术的飞速发展，人们对信息获取和信息管理的需求越来越高，射频识别技术凭借着它独特的优势，如体积小、寿命长以及存储信息量大等，得到了越来越广泛的应用。由于应用多样性与数据安全性的需求，人们已经不能满足r f i d 标签卡仅仅具备数据存储以及简单的运算功能。智能卡引起人们越来越多的关注。本课题研究基于i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议的r f i d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现。在信息技术如此发达的今天，非接触式智能卡的应用越来越广泛，它能够提供方便、快捷、安全的个人认证以及金融支付功能。模拟前端是非接触智能卡的关键部分，它实现阅读器与标签卡的能量交互以及数据交互。主要阐述两个方面的内容：一是基于i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议的模拟前端电路的设计与实现；二是基于i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议仿真环境的搭建以及各电路的仿真结果。模拟前端电路主要包括以下几部分：电源产生电路，天线限幅电路，时钟提取电路，复位电路，解调电路，负载调制电路，解调数据同步电路。仿真环境的搭建是为了保证电路是在与实际相符的条件下进行设计，主要是实现阅读器传输能量，以及发送与接收数据的功能。本设计采用s m i c0 1 8 u me e p r o m 的工艺进行流片，整个模块的功耗在2 0 u a 以内，面积是0 1 8 1 r i m 2 ，符合低功耗的设计要求，在阅读器最小场强下可以提供数字电路3 m a 的负载，满足协议规定。关键词：r f i d ，i s 0 1 4 4 4 3t y p e - a ，模拟前端，仿真环境a b s t r a c tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a n a l o gf r o n te n di na nr f i ds m a r tc a r dc h i pm a jo r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e mn a m e ：s h a n g z h iw us u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh o n g z h o ut a na b s t r a c tr f i di san o n - c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n di t sp r e d e c e s s o ri st h er a d a rt e c h n o l o g y i ti d e n t i f i e st h et a r g e to b j e c ta n da c c e s st oi t si n f o r m a t i o nt h r o u g he l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o u p l i n gt h e o r y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e e d so fi n f o r m a t i o na c q u i r e m e n ta n dm a n a g e m e n tb yp e o p l ea r eg r o w i n g r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nm o r ew i d e l yu s e d w i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l ls i z e ，l o n gl i f ec y c l ea n ds t o r el a r g ea m o u n to fi n f o r m a t i o na n ds oo n a st h ea p p l i c a t i o no fd i v e r s i t ya n dt h en e e d so fd a t as e c u r i t y ,p e o p l ea r en o ts a t i s f i e dt h a tr f i dt a go n l yh a sd a t as t o r a g ea n ds i m p l eo p e r a t i o nf u n c t i o n s m a r tc a r di sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yp e o p l e i nt h i sp a p e r , f o c u so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa n a b g 丘o n te n di na nr f i ds m a r tc a r dc h i pw h i c hi sb a s e do ni s 0 1 4 4 4 3t y p e ap r o t o c 0 1 a st h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tf a s t ，c o n t a c t l e s ss m a r tc a r d sl l ：辩m o r ea n dm o r ew i d e l yu s e ，i tc a l lp r o v i d ec o n v e n i e n t ，f a s ta n ds e c u l ep e r s o n a la u t h e n t i c a t i o na n df i n a n c i a lp a y m e n tf u n c t i o n a n a l o gf r o n te n di st h ek e yp a r to fac o n t a c t l e s ss m a r t ，w h i c ha c h i e v e se n e r g yi n t e r a c t i o na n dd a t ae x c h a n g ea b o u tr e a d e ra n dt a g t h i sp a p e re l a b o r a t e do nt w op a r t s ：f i r s t l y , d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa n a l o gf r o n te n di na nr f i ds m a r tc a r dc h i pb a s e d0 1 1i s o14 4 4 3t y p e - ap r o t o c o l ；s e c o n d l y ,b u i l dt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fi s o14 4 4 3t y p e ap r o t o c o la n ds h o wt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fa n a l o gf r o n te n dc k c u i t s a n a l o gf i o n te n di n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ：p o w e rg e n e r a t i o nc i r c u i t ，t h ea n t e n n al i m i t e rc i r c u i t ，c l o c kr e c o v e r yi i ir f i d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现c i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t ，d e m o d u l a t i o nc i r c u i t ，t h el o a dm o d u l a t i o nc i r c u i t ，d e m o d u l a t i o nd a t as y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i t s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti no r d e rt oe n s u r et h a tt h ec i r c u i ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n si nt h ed e s i g n , a n di tm a i n l ya c h i e v e sp o w e rt r a n s m i s s i o na n dd a t ai n t e r a c t i o no far e a d e r t h i sd e s i g nt a p e so u tb ys m i co 18 u r ne e p r o mp r o c e s s ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h ee n t i r em o d u l ew i t h i n2 0 u a ，a n dt h ea r e ai so 18 m m z ，c o n s i s t e n tw i t hl o w - p o w e rd e s i g nr e q u i r e m e n t s i tc a np r o v i d e3 m ac u r r e n tl o a dt ot h ed i g i t a lp a r ti nt h em i n i m u mf i e l ds t r e n g t ho ft h er e a d e r , w h i c hm e e t st h en e e do f p r o t o c o lk e yw o r d s ：r f i d ，i s 0 1 4 4 4 3t y p e - a ，a n a l o gf r o n te n d ，s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti v论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：伍自六日期：。卜年月1 日学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名：伍询皇日期：2 。o 年月1 日导师签名：日期：月1 日第一章绪论第一章绪论1 1选题背景与意义识别是人类社会活动中一个十分重要的问题。在社会生产和生活中，普遍都需要对事物进行识别。事物识别的范围十分广泛，包括人、物品、票据等。识别问题的实质是信息交互，是从识别对象中获取必要的信息或向识别对象注入必要的信息，以此与其它事物区分开来。解决识别问题有两大要点，第一点是信息以何种形式存储在识别对象中，第二点是以何种方式从识别对象中获取信息【。射频识别技术能够很好的完成这两点要求。射频识别是一门非接触的自动识别技术，其基本原理是利用空间电磁波的耦合进行通信，达到自动识别被标识对象，获取标识对象相关信息的目的。射频识别技术综合了多门学科与技术的应用，包括：电磁场理论、集成电路设计技术、天线技术以及编码技术等，广泛应用于生产、物流、交通、制造、医疗、公共信息服务等领域，可以大幅提高管理与运作效率，降低成本，推动现代服务业、高新技术产业和制造业的发展【2 】。r f i d 目前被广泛应用于配送管理。随着薄、小、低成本r f i d 的问世，将来r f i d 标记不仅会被嵌入几乎所有的物件中取代条形码，而且还会越来越多地集成于网络之中，用于各个领域，成为网络社会无所不在的一个基本工具【3 1 。r f i d成为2 l 世纪最具市场潜力的技术之一。r f i d 技术在美国、欧洲、日本、韩国这些比较发达的国家和地区已经广泛应用于工业自动化、智能交通、物流管理和零售业等方面。德国汉莎航空公司开始试用标签卡作为飞机票【4 j ；2 0 0 6 年日立公司开发出一种无源标签，规格为0 0 1 5c m x o 0 1 5e m ；2 0 0 7 年2 月日立公司推出了规格仅有0 0 0 5c r u x 0 0 0 5c m 的r f i d标签；日本丰田、美国福特、日本三菱汽车和韩国现代汽车的欧洲车型已将r f i d技术用于汽车防盗系统；2 0 0 7 年丹麦r f i d s e c 公司开发了无源r f i d 隐私增强技术用于跟踪；三星电子成功研制了手机r f i d 芯片【5 】；法国航空公司和新加坡航空公司等多家大型运输企业开始试行r f i d 技术，航空公司一年可由此节省高达3 4 3亿美元的资金1 6 】。r f i d 智能譬芯片模拟前端的设计与实现在国内，r f i d 技术的应用也越来越广泛，包括城市卡通、校园卡、社保卡等。近年来，我国第二代居民身份证的换代也是采用r f i d 技术，是当今全球最重要的r f i d t 程。第二代身份证从2 0 0 5 年开始已经进入全面换发阶段，至1 2 0 0 8年基本完成全国1 6 岁以上人口的换发工作，全国换发总量超过1 0 亿个，这是近年来中国r f i d 市场最大的单项应用1 7 1 。r f i d 技术无论在国外还是在我国都获得了越来越广泛的应用，深刻地影响了人们的日常生活，加大r f i d 核心技术，特别是非接触式智能卡芯片的研发有非常重要的意义。1 2国内j l - 研究现状r f i d 直接继承了雷达的概念，由此发展成自动识别技术。1 9 8 4 年，哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信 奠定了r f i d 技术的理论基础，引发了r f i d 技术的发展。在过去的半个世纪里，r f i d 的发展经历了以下几个阶段8 】：1 9 4 1 - 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d技术的理论基础【8 1 。1 9 5 1 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究嗍。1 9 6 1 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展。开始了一些应用尝试【引。1 9 7 1 - 1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试得到加速，并且出现了一些最早的r f i d 应用【引。1 9 8 1 - 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现【8 】。1 9 9 1 - 2 0 0 0 年，r f i d 技术标准化问题日趋得到重视，r f i d 产品得到了广泛应用，r f i d 产品逐渐成为人们生活的一部分引。从2 0 0 1 年至今，r f i d 标准化问题日趋为人们所重视。r f i d 产品种类更加丰富，电子标签成本不断下降，规模应用行业不断扩大，r f i d 技术的理论得到了丰富和完善【引。按照工作频率，r f i d 技术分为工作在1 2 5 k h z 的低频系统，在1 3 5 6 m h z的高频系统，在9 0 0 m h z 的超高频系统和工作在2 4 g h z 或5 8 g h z 的微波系统。低频、高频r f i d 技术发展较早，阅读器与标签卡的技术相对成熟，已经得n - j 2第一章绪论广泛的应用；超高频r f i d 技术近年来发展迅速，有很多成功应用的范例，特别是在物流管理领域中；微波r f i d 技术主要还在理论研究阶段。按照工作方式，r f i d 技术分为有源标签卡以及无源标签卡。由于无源卡在工作寿命，系统稳定性以及便携性等方面都远远优于有源卡，所以无源r f i d 技术无论在理论研究上还是在商业应用中都超过了有源r f i d 技术。按照嵌入的集成电路不同，r f i d技术分为r h d 存储卡、r f i d 逻辑加密卡以及r f i d 智能卡。存储卡只有数据存储功能，没有数据处理能力，内部不提供加密模块，由于其安全性能比较差，现在已经基本退出应用市场；逻辑加密卡具有一定的数据保护功能，由于其价格低廉，得到了广泛的应用，但是最近由于加密方法被破译，人们对其安全性提出了质疑，市场份额也逐渐被智能卡占领；智能卡内置加密协处理器、中央处理器、片上操作系统，具有高安全性，支持多协议，越来越受到人们的重视。射频识别技术在国外起步早，所以发展比较快。国外著名的r f i d 生产商包括德州仪器、英飞凌、意法半导体以及恩智浦半导体，它们的产品自成系列，应用面广，涉及到低频、高频和超高频的各个频段，占据了市场的主要份额。近年来，积极进行微波频段r f i d 技术的理论研究，也取得了很大成就。我国的射频识别技术研发滞后于国外，为了摆脱国外大企业的技术垄断，国家加大了对射频识别技术的研发力量。现在我国已经具备高频r f i d 标签卡芯片自主研发的能力，并且接近国际先进水平，研发出符合i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 、t y p e b和i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 芯片，成功地应用于城市一卡通和中国二代身份证等项目。随着r f i d 技术的发展，我国涌现了一批优秀的企业，上海华虹、上海复旦微电子、上海贝岭、北京华大、大唐微电子、深圳毅能达等企业主要研究标签卡芯片的设计与制造；中国电子科技集团第五十研究所正在对不同频段的天线进行研究；上海华申智能、深圳远望谷等，已经开发出9 0 0 m h z 超高频的r f i d 读写器；上海交通大学和a u t 0 - i d 中国实验室进行电子标签中间件的开发 7 1 。这些企业与机构推动着我国射频识别技术的发展。一直以来，由于价格低廉以及应用简单，逻辑加密卡占领了大部分的射频卡市场。2 0 0 8 年恩智浦的逻辑加密卡m i f a r e 的加密方法遭到破解，对业界产生了巨大的影响【9 1 。恩智浦的m i f a r e 卡从1 9 9 4 年投入应用，占有逻辑加密卡的大部分市场，已3r f i d 智能卡芯片模拟自 端的设计与实现经成为射频卡的一个标准，世界上大部分的卡都与其兼容，我国大部分城市一卡通都是采用该标准的卡。虽然m i f a r e 卡的破解还没有带来严重的经济损失，但是采用加密算法更具保障的智能卡代替逻辑加密卡迫在眉睫，各国都加大了对智能卡研发与应用的投入。成本、功耗、以及安全性是智能卡芯片的核心技术。1 3论文贡献与结构本文根据i s o14 4 4 3t y p e a 协议，设计完成r f i d 智能卡芯片的模拟前端，成功的运用在“低成本r f i d s o c 标签芯片s c l 0 0 0 的研制与产业化”项目的智能卡中，主要贡献如下：提出一种符合i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议的智能卡芯片的系统框架，对各模块的功能进行了定义，详细阐述芯片各部分的工作。提出了智能卡芯片模拟前端的解决方案，包括电源产生电路、复位与时钟提取电路、解调与调制电路以及用于数据同步的凹槽检测电路，对各电路的功能进行了详细的划分。提出了符合r f i d 智能卡低功耗需求的电源产生电路以及负载调制电路结构，以及利用仿真工具直接对信号进行f f t 变换，检验负载调制深度是否满足要求。根据i s 0 1 4 4 4 3t y p e - a 协议，建立了阅读器的仿真模型，用于对各部分电路的仿真。设计已经采用s m i c0 1 s u me e p r o m 的工艺进行流片，整个模块的功耗在2 0 u a 以内，面积是0 1 8 r a m 2 ，符合芯片低功耗设计的要求。本论文一共分为7 章，第一章是绪论，主要讲述论文选题的背景与意义，以及r f i d 技术国内外研究现状；第二章讲述r f i d 技术的理论基础，以及介绍i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议，项目中r f i d 芯片的模拟前端根据这个协议进行设计，然后论述影响智能卡芯片广泛应用的低成本、低功耗的研究；第三章主要论述芯片的体系架构，重点介绍模拟前端的结构，描述各个模块的功能以及联系；第四章深入分析模拟前端各部分电路的设计，包括电源产生电路、复位产生与时钟提4第章绪论取电路、解调与调制电路以及凹槽检测电路，给出它们的设计电路以及分析其工作原理；第五章建立阅读器的仿真模型并对模拟前端各部分电路进行详尽的仿真，并给出仿真结果；第六章讲述模拟前端电路的版图设计，包括版图布局以及版图的后仿结果：第七章对论文进行总结，并根据不足提出以后的研究展望sr f i d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现第二章r f i d 技术的工作原理2 1r f i d 的电感耦合原理射频识另u ( r f i d ) 是一门多学科交叉的技术，以电磁理论为基础，融合了芯片设计、天线设计以及编码技术等。一个典型的r f i d 系统主要由三部分组成：阅读器、标签卡以及天线。阅读器与标签卡之间的能量传输以及数据交互都是通过连接到它们的天线耦合完成的。一个基本的r f i d 系统如图2 1 所示。天线数据厍图2 - 1 基本的r f i d 系统阅读器：读取标签信息的设备，在协议规定的工作距离内产生合适的磁场能量激励标签卡，并完成发送读写命令，以及接收标签卡的数据；标签卡：带有唯一的电子编码，存储物件的信息，是射频识别系统的数据载体，当进入阅读器的工作范围，能够响应阅读器的命令，与其进行数据的交互；天线：在阅读器与标签卡之间传递射频信号，形成有效的电磁场覆盖区域，完成能量的传送以及数据的交互。根据电磁场理论，电磁场在近场和远场两种不同情况下，会表现出完全不一样的特性。在近场，电磁场是可再生和准静态的，而在远场，电磁场是连续辐射的电磁波。近场与远场的区分是由工作距离d 与波长名之间的关系判定的，d 名2 7 r 时，开始由近场过渡到远场【1 0 l 。本论文中讨论的是i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议，工作频率是1 3 5 6 m i - i z ，于是可以得到电磁波的波长为2 2 1 m ，在该协议下，阅读器与标签卡之间的工作距离为0 - - 1 0 c m ，由此可以知道，标签卡是工作在近场，可以用一个典型的电感耦合系统来进行分析。6第二章r f i d 技术的工作原理射频识别系统的天线电感耦合类似于疏耦合的变压器结构模型，阅读器天线是变压器的初级线圈，标签卡天线是变压器的次级线圈。为了提高电感耦合系统的能量传输效率，阅读器和标签卡天线都采用谐振电路结构。阅读器天线采用串联谐振回路，谐振时l c 串联电阻为零，从而获得最大的电流以产生最大的场强；标签卡天线采用并联谐振回路，谐振时产生一个大的输入阻抗，从而获得最大的电压驱动内部电路【l0 1 ，如图2 2 所示。r图2 - 2 天线耦合等效电路图一般的，阅读器的天线是一个具有若干匝的线圈，假设为圆形。根据圆形线圈的磁场强度计算公式，一个n 匝线圈其磁场强度如公式2 1 所示：日( x ) = 丽n 丙- 1 1 r 万z( 2 - 1 )2 、( r 2 + 工。) 其中，n 为线圈匝数，r 为线圈半径，1 1 为阅读器线圈的电流，x 为两线圈中心的距离。当x = 0 时，日= 百n 1 1 ，此时磁场强度最大。标签卡天线线圈l 2 感应到的开路电压v 2 与阅读器l l 的电流的函数关系为v 2 = m 1 1 ，其中m 是两线圈之间的互感，由线圈的固有特性以及它们之间的距离决定【i o 】。由阅读器到标签卡，需要完成两部分功能，分别为能量传输和信号传输。能量传输解决了标签卡内没有电源的问题，信号传输解决了阅读器与标签卡之间的数据交互的问题。2 1 1 能量传输高频r f i d 系统符合电感耦合的原理。因此，了解系统能量和数据的传输必7r f l d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现须掌握电感耦合的基本定律。图2 - 3 为阅读器与标签卡之间电感耦合的示意图图2 - 3 阅读器和标签天线之间的耦合标签卡一般由芯片和线圈组成，它从阅读器天线上耦合工作所需的能量。由于标签卡在1 3 5 6 m h z 频率下的工作，波长为2 2 1 m ，标签卡和阅读器的工作距离不超过1 0 c m ，这是在进场的工作范围内。设空间中的磁场强度为h ，在i o s l 4 4 4 3t y p e - a 协议中，规定1 5 a m hs7 5 a m 【10 1 。磁通量和磁感应强度的关系式，其中a 为线圈的面积。= b a( 2 2 )磁通量密度和磁场强度之间的关系式：b = 趔= 鳓，h( 2 3 )其中常数风是真空磁导率，为胁= 4 7 rx1 0 h m ，以则表示材料的相对磁导率。设标签天线的匝数为n ，因此总的磁通量为：甲= ，= n ( 2 - 4 )假设标签天线为环状线圈并且线的直径d 远小于线圈的直径d ( d d 0 o 0 0 1 ) ，设r 为线圈的半径，于是d = 2 r ，则线圈电感可以近似为：三：2 。r 1 n ( 2 r 7 )( 2 5 )阅读器和标签卡天线问的互感m 为：m ：5 兰辩协6 ，2 、i r 2 + x 2 厂3第二章r f i d 技术的工作原理其中r 。为阅读器天线半径，n l 为阅读器天线线圈数，r 2 为标签天线半径，n 2 为标签天线线圈数，x 为线圈的中心距，f i r 2 地图2 4 天线耦合及兵备放电路由图2 4 所示，芯片的输入电压u 。根据法拉第电磁感应定律可得：铲孚：m 冬拿尺2 ：j w m i i j w l 2 j 2 - i 2 r 2( 2 - 7 )2d tm2m。将f 2 = 惫代入，可得“2 = _ j 丽w m i l(2-8)1- i - ! ：二! ：二：!吒其中r 2 为标签卡天线的寄生电阻，通常为几个欧姆；r t 为芯片等效输入电阻，通常为几千欧姆。为了获取最大的能量，提高耦合的效率，通常需要在标签卡天线两端并联谐振电容，从而使标签天线工作在谐振状态，此时输入到芯片内部的电压材，为：驴忑一j w m i l( 2 - ”在图2 5 中，c p 为标签封装后的寄生电容，c ：为芯片内部的谐振电容1 0 1 。9r f i d 智能g - 芯片模拟前端的设计与实现2 1 2 信号传输图2 5 标签天线等效电路阅读器与标签卡之间的信号传输采用半双工的形式，即它们发送数据的时间是分开的。阅读器到标签卡，采用1 0 0 a s k 调制的方法发送数据，标签天线在耦合能量的同时获取阅读器发送过来的数据信息，通过内部的解调和解码电路，标签卡芯片取得阅读器发送过来的数据。标签卡到阅读器，则通过负载调制的方式返回数据。阅读器天线和标签卡天线等效疏耦合的变压器，处于谐振状态的标签卡天线从阅读器端耦合磁场能量，标签卡天线等效为阅读器的负载，阻抗为z t 。改变标签卡天线的负载，天线两端的电压发生变化，改变阅读器天线的等效负载z t ，从而改变阅读器天线上的电压。如果用标签芯片发送的数据控制天线上的电阻的通断，则标签卡的数据可以传送到阅读器天线上，这种发送数据的方法称为负载调制。然而，通常由于天线之间的耦合较弱，发送的数据很容易被工作频率掩盖。识别如此细微的电压变化需要复杂度很高的电路，为了节约成本，标签天线通常采用基于副载波的负载调制【1 0 1 ，即首先采用一个副载波调制标签卡需要发送的数据，然后再把这个信号调制到天线上。图2 - 6 为基于副载波的负载调制r f i d系统。1 0第二章r f i d 技术的工作原理0 d b- 8 0 d b图2 - 6 基于副载波的负载调制r f i d 系统f = 1 3 5 6 删z阅诱副载| 谓1 2 7 1 3 删zl1 4 0 4 7 1 1 i- 2 - _ - _ 一l i7号图2 7 阅读器天线感应到的基于副载波的负载调制信号的频谱图2 7 为阅读器天线感应到的基于副载波的负载调制信号的频谱。在阅读器端，通过单边带滤波和放大，可以很容易地解调出标签天线发送过来的数据。由于副载波调制要求线圈天线的带宽较宽，这在一定程度上限制了标签天线的q值，对天线耦合阅读器的能量有一定的影响，但只要其工作在谐振状态，即使在低场强下标签也能耦合到足够多的能量【1 0 1 。2 2i s 01 4 4 4 3t y p e - a 协议高频非接触式标签卡根据其作用距离的不一样主要分为三种不同的标准。分别为，密耦合标签卡标准i s 0 1 0 5 3 6 ，作用距离为0 - - , l c m ；近耦合标签卡标准r f i d 智能“k 芯片模拟i 掩端的设计与实现i s 0 1 4 4 4 3 ，作用距离为0 - - 1 0 c m ；疏耦合标签卡标准i s 0 1 5 6 9 3 ，作用距离为o 1 m 。三个标准中，i s 0 1 4 4 4 3 应用最广泛，主要应用在民用系统中，包括城市一卡通、校园卡、社保卡以及居民身份证等。在i s 0 1 4 4 4 3 协议中包含两个类别，t y p e a 以及t y p e - b 。本项目是基于i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议进行设计的，在这里先介绍一下这个协议。该协议应用在近距离的射频识别系统中，工作频率为1 3 5 6 m h z ，作用距离为0 - - 1 0 c m ，包括四个部分：物理特性，射频功率和信号接口，初始化与反冲突以及传输协议。2 2 1 物理特性i s 0 1 4 4 4 3 1规定了近耦合i c 卡( p i c c ) 的物理特性。包括其尺寸为8 5 7 2 m m x 5 4 0 3 m m x 0 7 6 m m + 容差。标准还对紫外线、x - 射线、动态弯曲应力、动态扭曲应力、交变磁场、交变电场、静电、静态磁场以及工作温度需要承受的极限值进行了说明【1 1 1 。2 2 2 射频功率和信号接口i s 0 1 4 4 4 3 2根据i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议，p i c c 的能量由阅读器发送的1 3 5 6 m h z 的交变磁场来提供。p i c c 中包含有一个大面积的天线线圈，典型的线圈为3 - 6 匝。协议对近耦合读写设备( p c d ) 产生的磁场强度作了严格规定，不允许超过或低于极限值，为1 5 a r n - - 7 5 a m 。在表2 1 中，是p c d 与p i c c 之间的通信关系】：表2 1p c d 与p i c c 的通信关系p c d - p i c cp i c c p c d调制1 0 0 a s k调制8 4 7 k 副载波的负载调制位编码改进的m i l l e r 编码位编码曼彻斯特编码同步位级同步( 帧起始，同步l 位“帧同步 ( 帧起帧结束标记)始，帧结束标记)波特率1 0 6 k d b波特率1 0 6 k d b对a 型标签卡来说，由于采用1 0 0 a s k 的调制方式进行数据的传输，那么1 2第二章r f i d 技术的j 【作原理阅读发送到标签卡的信号存在着间隙，即信号在一段时间是零。为了保证对标签卡不问断的能量供应，间隙的时间长度规定为2 3 u s 。标准中详细地规定了间隙的上升沿、下降沿与持续时间。图2 8 为间隙的定义【l 。1 1 0 1 0 0 9 0 s 3 泓9 0 1 0 0 o - 双议旧腿j 。巴瑁，。、 l ，i|i凄l耋。一“l情况最小最大弋t 12 0u s3 ，0u st l 2 5u s0 ，5 u st 2t 1t 1 ：- 2 5u s0 7u sff1 3o1 5u st 4o0 4u st 4一l一- - q -位一”t 3图2 - 8 间隙的定义协议中定义了三种比特编码【l i 】：表2 - 2i s 0 1 4 4 4 3t y p e - a 比特编码的定义序列x在6 4 f c 时间后，一个“间隙”出现。序列y在整个位持续时间( 1 2 8 f c ) ，没有“间隙”出现。序列z在位持续时间开始时，一个“间隙”出现。1 3r f i d 智能卡芯片模拟i 菏端的设计与实现三种序列在密勒编码中的使用：表2 - 3i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 密勒编码定义逻辑“1 ”序列x逻辑“0 ”除了以下两种情况，采用序列y 。( 1 ) 如果有两个或诬个以上的连续“0 ”，则序列z 应从第二个“0 ”处开始被使用。( 2 ) 如果紧跟着“通信的开始”的第一位数据是“0 ”，用序列z 来表示它，以及以后直接紧跟着任何“0 ”。通信的开始序列z通信的结束逻辑“0 ”，后面跟随着序列y没有信息至少两个序列y图2 - 9 为改进的密勒编码举例，假设序列为0 0 11 0 0 1 ，那么要在序列前加上通信开始标志“z ，在序列后要加上通信结束标志“y y 。通信开始ll0 z ziioz1x1xoy通信结束01 lz xlyly：iliiii图2 - 9 改进的密勒编码从标签卡到阅读器的通信采用副载波负载调制的方法，编码方式为曼彻斯特编码，表2 - 4 为曼彻斯特编码的表示【l l 】。表2 - 4i s 0 1 4 4 4 3 曼彻斯特编码定义序列d对于位持续时间的前半部分，载波以副载波来调制。序列e对于位持续时间的后半部分，载波以副载波来调制。序列f整个位的持续时间都没有副载波调制。逻辑“1 ”序列d逻辑“0 ”序列e通信开始序列d通信结束序列f没有信息没有副载波2 2 3 初始化与反冲突i s 0 1 4 4 4 3 - 3当标签卡进入阅读器的磁场范围内首先要进行初始化，而如果有多张标签卡1 4第二章r f d 技术的工作原理同时进入阅读器的磁场范围，需要进行反冲突过程。初始化与反冲突完成建立阅读器与标签卡之间的通信。根据i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 协议，当有一张a 型的标签卡进入阅读器的工作范围，并且有足够供电能量可以使用，卡中的微处理器开始工作。在执行一些预置程序后，标签卡进入闲置状态。在闲置状态的标签卡，只能响应阅读器发送过来的请求应答( r e q a ) 以及唤醒命令( w u p a ) 。图2 1 0 为标签卡工作状态转换示意图【1 1 】：其他命令图2 - 1 0i s 0 1 4 4 4 3t y p e - a 标签卡状态转换图掉电状态：即p o w e ro f f 状态。由于没有进入阅读器的射频场强中，p i c c缺少能量没有被激励，不能响应阅读器的任何命令j 。闲置状态：即i d l e 状态。在这种状态中，p i c c 上电，并且能够解调和识别从p c d 发送过来的有效r e q a 和w u p a 命令【1 1 1 。准备状态：即r e a d y 状态。p i c c 接收到r e q a 或w u p a 命令，进入这种状态。在该状态下，p i c c 可以响应反冲突的各种命令【】。激活状态：即a c t i v e 状态。经过完整的反冲突过程，p c d 向p i c c 发送s e l e c t 命令，p i c c 接收到这个命令，进入该状态，建立了阅读器与标签卡的1 5r f i d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现通信信道【1 。暂停状态：即h a l t 状态。p i c c 接收到p c d 发送过来的h a l t 命令进入该状态。在该状态p i c c 只能响应w u p a 命令【1 1 1 。阅读器管理与标签卡通信的命令一共有五个：r e q a , w u p a ,a n t i c o l l i s i o n ，s e l e c t , h a l t 。它们的详细描述如表2 - 5 所示。表2 5 阅读器管理与标签卡通信的命令命令描述r e q a请求应答命令，阅读器检测是否有标签卡在工作场强中。w u p a唤醒命令，使进入h a t l 状态的标签卡返回r e a d y 状态。a n t i c o l l i s i o n进行反冲突命令。s e l e c t反冲突完成，选择标签卡命令。h a i t标签卡进入h a l t 状态。图2 1 1 为阅读器进行初始化与反冲突的工作流程刚】。i s o i e c1 4 4 4 3 3厂卿医圃腰阗j 定义反冲突厶二：7选择第一级增加一级级联i完成反冲突u 功褫整厶i i i d 完整，p i c c 不采ji s o i b c1 4 4 4 3 - 4 协tm 魑，淤7i s q i e c1 4 4 4 3 4 协i , gi s o i e c1 4 4 4 3 - 4自定义帧与运行定义域i s o i e c1 4 4 4 3 4 的自定义命令协议命令与协议。与协议图2 1 l 阅读器进行初始化的工作流程图1 6第二章r f m 技术的工作原理如果阅读器的工作场强中存在一张以上的标签卡，那么阅读器为了选定唯一的标签卡进行通信，需要进行反冲突的过程，图2 1 2 为阅读器的反冲突流程】。开始反冲突r设置s e l1r+n v b = 2 0ln v b = 2 0 + c 0 111，上传送反冲突命令传送反冲突命令ms e ln v bvs e ln v bu i d一土jc f 接收u i dn 上a冲多型t o l l 为第一个冲突的位置i 否一n v b = 7 0一，上传送s e l e c t 命令s e ln v b i lu i 】c r c _ a土d 接收s a k一上侥成反冲疵图2 1 2 阅读器反冲突流程图步骤1 ：p c d 根据反冲突的串联级设定s e l 的值，如果为第一级s e l = 9 3 ，第1 7r f i d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现二级s e l = 9 5 ，第三级s e l = 9 7 。步骤2 ：p c d 中，令n v b = 2 0 ，迫使工作场内所有p i c c 以其完整的序列号进行响应。步骤3 - p c d 发送s e l 和n v b 。步骤4 ：接收工作场内的所有p i c c 发送过来的序列号。步骤5 ：假设场内的p i c c 拥有唯一序列号，那么，如果一个以上的f i c c 响应，则冲突发生。如果没有冲突发生，则步骤6 到步骤1 0 可被跳过。步骤6 ：p c d 应识别出第一个冲突的位置，记录该位置为x 【1 1 1 。步骤7 ：p c d 根据冲突的位置，分配n v b 值，确定标签卡返回的比特位。步骤8 ：p c d 发送s e l 和n v b ，以及序列号中没冲突的部分。步骤9 ：序列号位置x 为l 的p i c c 响应p c d 的命令，返回其位置x 后的序列号。步骤1 0 ：如果出现进一步的冲突，重复步骤6 9 。步骤1 1 ：如果不出现进一步的冲突，则p c d 令n v b 的值为7 0 ，代表反冲突过程结束。步骤1 2 ：p c d 发送s e l 和n v b ，以及选定p i c c 的完整序列号，后面紧跟c r c _ a校验和。步骤1 3 ：选定的p i c c 以其s a k 响应，完成反冲突过程，标签卡由r e a d y状态进入a c t i v e 状态【l l 】。2 2 4 传输协议i s 0 1 4 4 4 3 - 4阅读器选定标签卡后，就可以进行应用层上的交易，阅读器根据标签卡对s e l e c t 命令的应答，确定是否采用i s 0 1 4 4 4 3 的传输协议。图2 1 3 为阅读器激活标签卡进入传输协议进行交易的流程【1 1 1 。1 8第二章r f i d 技术的工作原理一一v i 发送r e q a图2 1 3 阅读器激活标签卡的流程2 3r f i d 低成本、低功耗技术的研究对于r f i d 标签卡的应用推广，成本与功耗的是其很重要的影响因素。如果希望r f i d 标签卡广泛应用在生产生活的方方面面，那么必须使其成本降到足够1 9一一一r f i d 智能卡芯片模拟前端的设计与实现低。而对于无源的标签卡，只能通过耦合电磁场获得工作所需的能量，因此对功耗非常的敏感，如果希望芯片工作稳定并具有一定的工作距离，必须进行低功耗的设计。下面主要讲述r f i d 标签卡的低成本低功耗的研究。2 3 1r f i d 标签卡低成本的研究r f i d 标签芯片能否大量推广应用，其价格是决定因素。在标签成本方面，目前美国一个电子标签最低的价格在1 2 美分左右，这样的价格无法投入日常的大规模商品应用中。显而易见，电子标签的价格越低，它的使用范围越广，使用规模越大。根据国际a u t 0 - i d 中心预测，在大规模生产的情况下，r f i d 标签生产成本最低能降到5 美分，其中标签卡芯片约l 至2 美分，天线约l 美分【1 2 】。在芯片制造成本方面，由于工艺的限制，标签芯片的成本仍然有待进一步降低。价格决定了r f i d 标签卡能否大量推广应用。r f i d 标签卡的成本主要由三部分组成，分别为天线成本，芯片成本以及封装成本。降低标签卡芯片的成本，主要的途径是采用先进的制造工艺，并且提高芯片的成品率，另一方面尽量减小芯片的面积，降低芯片的复杂度。天线占标签卡成本的很大一部分，现在的研究方向是把天线集成到芯片中，这在超高频标签卡芯片中已经得到应用。实现天线集成到高频标签卡芯片中，需要加大电感在集成电路的研究，一直以来电感的集成都是制造工艺的难点。标签卡芯片要得到应用，必须进行封装，目前，一些r f i d应用封装到了移动终端中，这样节省了封装的材料，也促进了r f i d 产品的应用。2 3 2r f i d 标签卡低功耗的研究r f