（通信与信息系统专业论文）rfid系统中标签芯片数字部分的设计实现.pdf

摘要 r f i d ( 射频识别) 是一种非接触式的识别技术，它通过将利用射频信号及其 空间耦合特性进行通信的电子设备贴在要识别的物品上，实现对静止或移动物品 的自动识别。r f i d 系统主要由电子标签和读写器两部分组成，其中电子标签是 附着在被识别物体上的电子设备，读写器用来识别电子标签和读取标签上数据。 该课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “射频识别( 1 u i d ) 技术与应用”重大项目2 0 0 6 年度课题申请指南中的基于i s o i e c18 0 0 0 - 6z y p e c 超高频( 8 6 0 9 6 0 m h z ) 无源标签芯片的研究。本文重点研究了无源超高频射 频识别标签芯片的数字系统部分的设计与实现。 首先，系统地论述了r f i d 的产生、发展以及国内外的发展现状，接着在对 r f i d 系统组成及其基本工作原理进行介绍的基础上，详细分析了电子标签的构 成及其实现重点。 其次在详细分析了相关协议标准i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p ec 以及数字芯片设计 原理、低功耗设计技术的前提下，完成了针对协议标准的数字部分架构设计与 r t l 代码实现，并对无源低功耗标签芯片设计的关键模块进行了研究。数字部分 电路设计包括了时钟数据恢复模块、解码模块、编码模块、c r c 校验模块、控 制单元( 主状态机) 、随机伪随机数发生器和存储器等。最后通过软件仿真初步 验证了系统的逻辑功能和时序关系。 在此基础上，提出了一种用于无源超高频射频识别标签芯片开发的验证开发 平台，通过f p g a 进行系统环境的搭建，对标签芯片进行了功能验证。标签芯片 的测试结果与软件仿真结果一致，该系统满足标准中的指标要求，为芯片后端设 计提供了可靠的保证，节省了时间与成本。 关键词：无源超高频射频识别标签芯片低功耗验证开发平台 a b s t r a c t r f i ds t a n d sf o rr a d i of r e q u e n c yl d e n t i f i c a t i o n ，at e r mt h a td e s c r i b e saw i r e l e s s s y s t e mo fi d e n t i f i c a t i o nw h e r e i na ne l e c t r o n i cd e v i c et h a tu s e sr a d i of r e q u e n c yo r m a g n e t i cf i e l dv a r i a t i o n st oc o m m u n i c a t ei sa t t a c h e dt oa na c t i o n l e s so rm o v i n gi t e m 。 t h et w om o s tt a l k e d a b o u tc o m p o n e n t so fa nr f i ds y s t e ma r et h et a g ，w h i c hi s t h e i d e n t i f i c a t i o nd e v i c ea t t a c h e dt ot h ei t e mw ew a n tt ot r a c k ，a n dt h er e a d e r , w h i c hi sa d e v i c et h a tc a nr e c o g n i z et h ep r e s e n c eo fr f i dt a g sa n dr e a dt h ei n f o r m a t i o ns t o r e d o nt h e m t h ed e s i g no fap a s s i v eu l t r ah i g hf r e q u e n c y ( u h f ) 阡l dt r a n s p o n d e rc h i pi s r e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s e r a r c hi sb a s e do ni s 0 i e c18 0 0 0 6t y p ec w h i c hi sas t a n d a r df o ra i ri n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n sa t8 6 0 9 6 0 m h z i nt h eb e g i n i n go ft h ep a p e r , t h el 强l d sh i s t o r y , e v o l u t i o na n dt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n ts t a t u si n c h i n aa n dt h ew o r l dw e r ei n t r o d u c e d t h e n ，f o l l o w i n gt h e i n t r o d u c t i o no ft h e 骶l ds y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ef u n d a m e n t a l s ，t h ee l e c t r o n i ct a g s s t r u c t u r ea n di t sk e y p o i n t st or e a l i s ew e r ea n a l y z e di nd e t a i l s f o l l o w i n gt h ea b o v ec o n t e n t , w i t ht h es t u d ya b o u tr e l e v a n ts t a n d a r so fi s o i e c l8 0 0 0 - 6t y p eca n dt h ed i g i t a lc h i p sd e s i g nt e c h n o l o g ya n dl o w - p o w e rt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a lp a r t ss t r a c t u r ed e s i g no ft y p eca n dr t l l e v e ll o g i cd e s i g nw e r ef i n i s h e d 确ew h o l ed e s i g no fd i g i t a lp a r t sc i r c u i tm a i n l yi n c l u d e sm o d u l e so fc l o c k d a t a r e c o v e r y , d e c o d e e n c o d e ，c r c c h e c k c r e a t e ，c o n t r o lu n i t ( f s m ) ，r a n d o m p s e u d o r a n d o mn u m b e rg e n e r a t o ra n dm e m o r ym o d u l e a f t e rt h i s ，t h es y s t e m sl o g i c a l f u n c t i o na n dt i m i n gr e s t r i c t i o nw e r ev e r i f i e db ye m u l a t o ro fs o f t w a r e f u r t h e r m o r e an o v e lv e r i f i c a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rp a s s i v eu h fr f i d t r a n s p o n d e r si sp r e s e n t e d b yu s i n gf p g a ( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r t y ) ，as y s t e m d e v e l o pc i r c u m e n t e n c ew a sd e s i g n e df o rt h et a g s f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n t h et e s t r e s u l t so ft h ec h i p sf p g ap l a t f o r ma r ec o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h e t r a n s p o n d e ri c d a g i t a lp a r t ss y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t so f t h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n a st h es y s t e mw a sv e r i f i e dc o r r e c t ，t h er e s u l tg i v e sr e l i a b l eg a r a n t yf o rt a g sb a c k - e n d d i s i g n 。f l o w i n gt h ee c o n e m i z e o ft i m ea n dc o s tf o rt h e 灯| d t a gd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：p a s s i v e ，u l t r ah i g h 厅e q u e n c y , r a d i ot e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，撑a n s p o n d e r c h i p ，l o w - p o w e r , v e r i f i c a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰把 签字同期：加衫年口6 月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王乞瞪 导师签名： 彳撕 f 签字同期：如彦年口月口了日 签字日期0 研：多年么月e l 第一章绪论 第一章绪论 r f i d ( 射频识别，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 n ) 是一种非接触式的自动识 别技术，它利用射频信号及其空间耦合、传输的特性，实现对静止或移动物品的 自动识别。r f l d 的信息载体是射频电子标签，其形式有卡、纽扣、标签等多种 类型。r f i d 电子标签贴在或安装在物品上，由安装在不同地理位置的读写器读 取存储于标签巾的数据，实现对物品的自动识别。r f i d 可以震来追踪和管理很 多领域的管理对象，具有准确率高、读取距离远、存储数据量大、耐用性强等特 点，广泛应用予产品生产、物流、销售等环节孛| lj 。 1 1r f i d 技术的产生、发展与应用 r f i d 技术起源于第二次世界大战时期的飞机雷达探测技术。雷达应用电磁 麓量在空间的传播实现对物体的识别。1 9 4 8 年h a r r ys t o c k m a n 发表了剩用反 射功率的通讯”奠定了射频识别的理论基础。同时d b h a r r i s 提出了信号模式化 的理论及被动标签的概念。壹到2 0 世纪7 0 年代，r f i d 技术终于从实验室进入 应用阶段，出现了早期的规模化应用。8 0 年代以来，集成电路、微处理器等技 术的发展加速了r f i d 的发展，各种规模化应用发展起来，封闭系统应用开始成 形。 2 0 0 3 年11 月世界零售巨头沃尔玛宣布，将采用r f i d 技术追踪其供应链系 统中的商品，弗从2 0 0 5 年l 男起将所有发运到沃尔玛魏赞盘窝外包装箱贴上 r f i d 标签。此举动揭开了r f i d 在开放系统中的运用序幕。 在广泛应用的同时，r f i d 的标准问题逐渐呈现在人们面前。目前世界各国政 府和科研机构都投入了大量的精力进行标准的研究工作。随着标准的推出，产黼 成本不断下降，加之结合了计算机技术和网络技术，行业应用面扩大，r f i d 的技 术理论也得到了丰富和完善汪。l 。 目前，r f i d 技术被应用到了高速公路收费、物流供应链管理、一卡通收费系 统、生产线自动控制、动物管理、运动体育、防伪和越来越多酌物品识别相关领 域。 第一章绪论 1 2r f i d 技术在国内外的发展现状 1 2 1r f i d 技术在国外的发展 r f i d 已经有了5 0 余年的发展历史，在世界零售巨头沃尔玛宣布使用r f i d 系统管理货物以及美国将之应用于国防和军事管理中之后，r f i d 技术的发展在 世界范围内受到了更广泛的关注。目前，r f i d 销售额已经从2 0 0 2 年的1 1 亿美 元，提升到了2 0 0 7 年的5 0 亿美元。未来的三至五年中，中国每年至少需要3 0 亿个以上的r f i d 电子标签。 在产业方面，美国、欧洲、日本等在各大知名生产商的支持下形成了几大势 力范围： 美国：t i 、i n t e l 等美国集成电路厂商目前都在r f i d 领域投入了巨资进 行芯片开发。s y m b o l 等已经研发出可以同时阅读条形码和r f i d 的扫描 器。i b m 、m i c r o s o f t 和h p 等公司也在积极开发相应的软件及系统来支 持r f i d 的应用； 欧洲：p h i l i p s 、s t m i c r o e l e c t r o n i c s 积极开发廉价r f i d 芯片，c h e c k p o i n t 开发支持多系统的r f i d 识别系统，诺基亚开发能够基于r f i d 的移动电 话购物系统，s a p 则积极开发支持r f i d 的企业应用管理软件； 日本：电子标签研究领域起步较早，政府也将r f i d 作为一项关键的技 术来发展，宣布支持测试在u h f 频段的被动及主动的电子标签技术，并 在此基础上进一步讨论管制的问题。 1 2 2r f i d 技术在国内的发展 目前，我国在r f i d 技术的研究和应用方面尚不及发达国家，但是我国政府 和各大相关企业非常重视推动r f i d 技术在我国的发展。在我国，政府相关应用 占据了r f i d 各应用领域中的最大份额。第二代身份证是近年我国r f i d 市场规 模得以快速扩大的最重要原因之一。除了身份证，政府在城市交通、铁路、网吧、 危险物品等管理方面都推动r f i d 的应用，主要利用了其方便性和安全性。 在我国，技术上基本处于跟踪发达国家的阶段，同时自主创新也在如火如荼 地进行中。多家企业推出了标签读写器和电子标签产品。在生产标签方面，逐步 形成以生产标签芯片的厂家为龙头，以标签天线设计、芯片与天线封装制作为主 体的行业队伍。但总体来说，我们在r f i d 电子标签专用芯片领域与国际先进水 平尚有一定差距，企业规模较小，经济实力和技术力量都比较薄弱，需要在更多 领域中开展研究，开拓更广阔的应用。 第一章绪论 2 0 0 6 年1 0 月科技部发布了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “射频识 别( 鼯l d ) 技术与应耀”重大项蠢2 0 0 6 年度课题申请指鸯，首次在先进制造 技术领域单独设立r f i d 项目。本课题便是在此申请的背景下进行的超高频标签 芯片的研究。 1 3r f i d 技术的标准简介 r f i d 技术正以迅猛的势头占领着自动识别市场，其市场潜力不言而喻，所 以国际标准的制定闻题弓| 惹了各国麴重视帮业界的广泛关注。 目前国际上存在三个主要的r f i d 技术标准体系组织：由总部设在美国麻省 理工学院的自动识别中心( a u t o 。i d c e n t e r ) 演变的全球产品电子代码中心( e p c g l o b a l ) 、i s o i e c 和园本的l d 中心。 标准中根据标签的工作频率将之分为低频、高频、超高频和微波系统，这些 工作频率基本上分为瞪个主要范围：低频( 3 0 - - - - 3 0 0 k h z ) 、高频( 3 - 、一3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z - - 一3 g h z ) 以及微波( 2 4 5 g h z 以上) 。低频系统一般工作在 l0 0 - - 一5 0 0 k h z ，常见的工作频率有l2 5 k h z 、l3 4 。2 k h z ；高频系统工作在lo 15 m h z 左右，常见的高频工作频率为1 3 5 6 m h z ；超高频工作频率为8 5 0 一- 9 6 0 m h z ，常 见的工作频率为9 1 5m h z ；微波工作在2 4 - - 一5 g h z 的微波频段。低频系统用于短 距离、低成本的应用中，如多数酶门禁控制、动物益管、货物跟踪；高频系统用 于门禁控制和需要传送大量数据的应用；超高频系统应用于需要较长的读写距离 和较高酶读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费等系统净j 。 在u h f 工作频段，i s o i e c 推出的i s o o e cl8 0 0 0 6 ( 针对频率为8 6 0 9 6 0 m h z 用于物品管理的无接触通信空气接口参数) 和e p c 推出的c l a s s l g e n 2 标准最为 引入关注。在u h f 频段标准发展的过程中，i s o i e c 和e p c 两大组织也在不停的 寻求标准的完善和融合。e p c 提出了c l a s s l g e n 2 标准的同时，i s o i e c 则提出了 i s o h e c1 8 0 0 0 6 系列标准的类型a 和类型b 。2 0 0 5 年6 胄，i s o 锺e c 将e p c 的标 准作适当修改列为i s o i e c18 0 0 0 6 类裂c 1 8 j 。这样，u h f 频段i s o i e c18 0 0 0 6 系列标准包括了i s o 砖e cl8 0 0 0 * 6 a 、i s o i e c18 0 0 0 6 b 、i s o i e cl8 0 0 0 6 c 三种 类型，两大标准组织阵营实现了真正意义上的融合。 i s o h e c18 0 0 0 6 c ( c l a s s l g e n 2 ) 与类型a 、8 相比较，具有以下的特点嘿 o 具有较高的阅读速率，在美国达到1 5 0 0 标签，秒，欧溯6 0 0 标签秒 o 具有更好的加密技术，提高了数据的安全性能，减轻了人们对隐私问题 的担忧，它提供了更大麴内存读写空闻，可更好满足多元化应用需求 提供了更多的功能，可适应在高密度多读写器环境下工作，标签在芯片 第一章绪论 内加上了防冲突机制，确保标签在大量被读取时读取率的完整，提供了 达成共识的通用标准，从而提高了读取的准确性和数据的可靠性 允许用户对同一个标签进行多次读写( 允许多次识读，但只能写一次) ， 支持长达2 5 6 位唯一物品识别码u i i ( 例如e p c ) ，而i s o h e c1 8 0 0 0 6 a b 的唯一识别码u i d 均为6 4 比特 标准吸收了其它r f i d 相关标准的最新成果，在射频频段选择、物理层数据 编码技术及调制方式、防冲突算法、标签访问控制和隐私保护等关键技术方面进 行了改革，以适应标签低处理能力、低功耗和低成本的要求，这使得i s o d e c 18 0 0 0 6 c 标准在性能上比第一代e p c 的r f i d 标准有了显著提高。 汴 t y p eat y p ebt y p ec 技术特征、 工作频段8 6 0 删z - 9 6 0 m h z 8 6 0 m b z - 9 6 0 m h z8 6 0 删z - 9 6 0 删z 读写器 速率 3 3 k b s1 0 k b s 或4 0 k b s2 6 7 k b s 一1 2 8 k b s d s b a s k 或 到 调制方式 a s ka s k s s b a s k 标签 编码方式p i e曼彻斯特码p i e 副载波频率未用未用 4 0 6 4 0 k h z f t l 04 0 - 6 4 0 k b s 标签速率4 0 k b s4 0 k b s 子载波5 - 3 2 0 k b s 到 标签自选a s k 或 调制方式a s ka s k p s k 读写器 b - 1 1 0 或m i l l e r 调 编码方式 n i o n 1 0 制子载频读写器 决定 唯一识别符长度6 4 比特 6 4 比特可变，1 6 - 4 9 6 比特 算法a l o h a自适应二进制树时隙随机反冲突 防 类型概率概率概率 冲突线性性 在2 5 0 个标签的查 多达2 2 5 6 个标签 在读写器阅读场 询区，自适应时隙基本呈线性，由数内，多达2 “1 5 个标 算法 为2 5 0 个标签分配据内容的大小决定签呈线性，大于此 多达2 5 6 个时隙， 数的具有唯一e p c 基本呈线性的标签呈n l o g “n 算法允许在读写器算法允许在读写器 具有唯一u i d 的标 标签查询能力 识别阅读区内，识识别阅读区内，识签数量不受限制 别不少于2 5 0 个标别不少于2 5 0 个标 签签 从表1 1 中可以看出，在技术性能和指标上i s o h e c i8 0 0 0 6 c 比i s o d e c 1 8 0 0 0 6 a b 更加完善和先进，所以获得了美国国防部和国际上大的物流厂商的 认可，并被各国r f i d 组织进行着研究。 4 第一章缳论 1 4 项目的背景、特点与意义 2 0 0 6 年1 0 月，国家发布了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “射频识 别( r f i d ) 技术与应用 重大项爨2 0 0 6 年度课题申请指南，旨在“十一五 期间结合我国r f i d ( 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 n ，无线射频识别) 技术及产业 化发展现状，从国情出发，坚持自主创新与集成创新相结合，攻克一批r f i d 共 性基础及前瞻性、产业亿关键技术和应蔫关键技术，取得一系捌具有囊主知识产 权、并达到国际同期先进水平的核心技术，建立起我国r f i d 技术自主创新体系。 面向我国r f i d 产鲎发震中的共性技术和具有较大发展潜力的前瞻性技术展开磅 究，包括电子标签芯片设计、天线设计、r f i d 系统测试技术及开放式平台建设 等方藏；重点突破涉及产业化的关键技术，包括超高频标签芯片、读写器芯片、 读写器、标签封装设备、标签集成等技术。拟对r f i d 产遭化关键技术的“符合 i s o i8 0 0 0 6t y p eb c 标准的( u h f ) 标签芯片研发和产业化等课题进行支持， 力争突破技术瓶颈，掌握关键核心技术，实现产业纯。 在这样的背景下，本项目组研究目标i 9 j ：开发出符合i s ol8 0 0 0 6t y p eb c 标 准的( u h f ) 标签芯片，主要在开展符合i s ol8 0 0 0 6t y p eb c 技术标准标签芯 片的设计，研究芯片的验证与生产测试方案，研究标签芯片的可靠性考核和质量 控制方法等工作。完成符合i s o1 8 0 0 0 6t y p eb c 技术标准的标签芯片的研发， 工作频率8 6 0 - 9 6 0 m h z ：最低射频输入功率不大予5 0 微瓦；通讯数据率不小予 4 0 k b p s ；存储容量2 5 6 2 kb i t s ；工作距离不小于5 m ；在抗冲突环境下标签的识 别频率不低于5 9 个，秒。 本课题负责i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p ec 标准的解读和实现。实验室里有开发 r f i d 多年的经验积累和硬件支持，有利于课题的进展。并为协议标准的解读、 实现和f p g a 原型验证供了条件。 l 。5 本文的主要内容和工作重点 l 。5 。重本文的内容安排 本论文共分七章，首先综合阐述了r f i d 技术的历史和当今国内外的发展现 状，从而对本论文的课题进行了背景和意义介绍；接着分析了r f i d 系统酶技术 实质和系统原理，数字i c 设计的相关理论和流程、数字芯片低功耗设计理论和 技术；在结合对本谋题实现协议详细的辫读帮论证基础上，对u h fr f i d 电子标 签的结构进行了设计，并阐述了课题中应用的一些降低功耗的设计手段，在对电 第一章绪论 子标签的r t l 代码实现基础上给出了仿真结果；同时在软件验证代码正确性的 基础上，研制出一种针对u h fr f i d 关于i s o i e cl8 0 0 0 6t y p ec 电子标签的 f p g a 验证开发平台，进而完成u h fr f i d 电子标签芯片的前端i c 设计工作。 第一章绪论，系统回顾了r f i d 技术的历史，并阐述了r f i d 技术的现状与 发展前景，介绍了本课题的选题意义、内容及主要工作。 第二章r f i d 技术的基本原理，简单介绍了r f i d 系统各部分的组成及特点， 阐述了r f i d 系统中电子标签部分的基本原理及其关键技术。 第三章研究了数字i c 设计的相关理论和流程、芯片数字低功耗设计理论和 技术，对文章所做数字芯片i c 前端设计有了清楚的概念和准确的定位。 第四章针对本课题所要实现的i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议进行了解读和分析，为 后面r f i d 电子标签数字部分逻辑的具体实现提供了现实基础。 第五章u h fr f i d 的系统结构设计和实现，对u h fr f i d 电子标签的结构进 行了分析与设计，并对其中应用的低功耗设计技术进行了介绍，在本章最后给出 了软件实现r t l 代码基础上的系统仿真验证结果，验证了系统的正确性。 第六章创新性的研制出一种用于u h fr f i d 电子标签的f p g a 验证开发平 台，并利用开发平台对协议进行了原型测试，并给出了测试结果。 第七章结论，对全文进行了总结，并提出了未来后续工作的完善方向。 1 5 2 主要工作重点 1 对i s o i e ci8 0 0 0 6t y p ec 协议标准进行解读，对在8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 的 频率范围内操作的无源反向散射、读写器讲话优先0 t f ) 和射频识另t j ( r f i d ) 系统规 定的物理链路层和标签识别层进行了分析。确定了系统的时钟和数据速率；对电 子标签的防冲突机制和标签的选定、盘存和访问命令进行了分析，在此基础上确 定了该电子标签数字系统需要实现的功能和实现方法。 2 在解读协议的基础上，实现了各子系统的算法和模块划分，进行了r t l 级编码和实现；在q u a r t u s i l 5 0 的软件环境下进行了软件仿真验证，初步实现了 协议中规定的各协议层功能。 3 在实验室硬件基础条件下，搭建了基于i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准的f p g a 原型验证平台，并经过仿真完成了该协议的硬件原型验证，缩短了大约1 3 的芯 片开发时间，提高了投片成功率。 4 在实现电子标签芯片数字部分功能的前提下，通过学习数字i c 低功耗设 计理论，在课题中进行低功耗研究，并在搭建系统时为后续低功耗工作打好了铺 垫。 第二章r f i d 系统秘组成原理 第二章r f i d 系统和组成原理 2 1r f i d 系统的基本组成 r f i d 系统组成包括电子标签( t r a n s p o n d e r ) 、读写器( r e a d e r ) 、客户机 ( c l l e n t ) 、服务器( s e r v e r ) 等四个部分，如图2 - 1 所示。对r f i d 整个系统而 言，读写器与标签通过鼯电磁场进行数据交换，其数据链路包含了数瓣的调制 解调制、编码解码、防冲突算法以及相关的协议标准等。 辫刖销 l 络| 圈2 - 1r f i d 系统组成 r f i d 系统由软件积硬件两郝分组成：软件部分一般包括应用软件鞠嵌入式 软件，它们共同支撑着整个系统的运行，完成信息的处理，对系统采集的数据进 行信息化管理；硬件部分主要实现信息的识别和采集，由读写器与电子标签组成。 r f i d 的基本原理就是将r f i d 电子标签安装在被识别的物体上，当被标识 的物体进入r f i d 系统的阅读范围时，利用空间电感耦合或者电磁耦合进行通讯， 实现标签和读写器之间盼j 睦委触式信息通讯，标签向读写器发送携带信息，读写 器接收这些信息并进行解码，通过串口r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ，将读写器采集到的数据 实时送入客户机的终端处理系统，并通过网络传输给服务器，从面完成信息的全 部采集与处理过程，以达到自动识别被标识物体的目的”闲。 2 。1 1 电子标签 电子标签( 即应答器) 是r f i d 系统的核心部分，也是射频识别系统的显著标 志。实际应焉中，电子标签附着在带识别物体的表面，读写器毒 接魅式的读取存 储在标签中的数据，处理以后送给中央信息系统进行管理。其主要作用是存储相 第二章r f i d 系统和组成原理 关的识别信息，并与读写器之间实现通信，在特定条件下还可以具备自毁( k i l l ) 功能，从而保证标签内的信息不会外泄，具有一定的保密能力。一般按供电方式 可以分为有源、无源、半有源等三类【5 j 。 1 有源标签：内部装有电池，一般具有较远的阅读距离，其阅读距离最远甚 至可以达到2 4 m ，不足之处是电池的寿命有限，大多为3 1 0 年，在实际应用 中需要不断进行维护并且有一定的失效率，其成本也就相对较高，一旦电池失效 标签即丧失功能，一般应用在对性能要求较高、读写距离要求较远的场合。 2 无源标签：内部没有电池，主要通过接收读写器发出的r f 信号，将r f 电磁波能量转化为直流电源提供给芯片工作，而标签通过负载切换或反向散射的 方式与读写器实现通信。尽管在阅读距离等方面会受到一定的限制，但与有源标 签相比，无源标签具有较为低廉的成本以及广泛的适应性，使其在物流、车辆管 理、仓储管理、零售业等领域有着广泛的应用，其工作距离一般不会超过1 0 m 。 3 半有源标签：与有源标签类似，内部设有电池，通常情况下可以作为有源 标签使用1 0 年以上，在电池耗尽后可以继续作为无源电子标签使用，从而进一 步降低成本，延长了标签的使用寿命，并节省了资源。有源工作条件下，其工作 距离大于1 0 m ，在无源条件下，其距离为3 5 m ，其可以有效替代有源标签，成 为r f i d 电子标签的一个新研究领域。 此外，标签还可以有很多其他不同的分类方法，如按工作频率分为低频( l f ) 、 高频( h f ) 和超高频( u h f ) ；按照作用距离分为近耦合、疏耦合和遥耦合：按 照信息存储方式分为只读型和可读写型；按照通信方式分为全双工、半双工和时 序系统；按调制方式可分为负载调制、次载波调制、a s k 和数字调制等。 2 1 2 读写器 读写器( 即读写器) 是整个r f i d 系统中重要的组成部分之一，由收发射频 模块、控制模块、天线和接口电路组成，如图2 2 所示。 接收数据 i 沁 用口i 软电i 件路i 判 信号编码协议l 翟跫射频模块卜 八 ， 天线 图2 - 2 读写器的简单结构图 由于r f i d 系统大多采用“读写器优先”的工作方式，因此成为整个r f i d 第二章r f i d 系统和组成原理 系统的通信中心，主要具有以下功能： 1 通过高频载波为标签提供工作所需的能量； 2 通过发射接收射频信号，实现与标签之间的通信功能； 3 与客户机之间通过标准接口如r s 2 3 2 4 8 5 等，实现与应用系统软件通信； 4 通过基带部分实现相关协议标准； 5 对标签中所存储的信息实现阅读、写入以及修改等功能； 6 具有防冲突功能，在读写范围内实现多标签的同时识别； 7 对读写器与标签之间的数据进行加密解密等安全设置和身份验证。 通常，读写器可以按照体积和用途分为小型、手持型、面板型、隧道型以及 出入通道型和大型通道型等几类。 2 1 3 客户机、服务器和通信网络 在r f i d 系统中，客户机主要用于实现与读写器之间的通信功能，读写器可 以通过r s 2 3 2 4 8 5 等标准接v i 与客户机进行通信，进而通过通信网络与服务器进 行连接，通过服务器对数据进行记录并实现对数据库的管理，从而构成一个完整 的信息管理平台。 2 2 无源电子标签的构成和工作原理 采用无源电子标签的r f i d 系统，每个被标记的物品都贴有一个无源标签。 电子标签由射频和模拟部分、数字基带处理部分和存储器构成，如图2 3 所示。 存储器存储着物品对应的唯一识别代码，其工作所需的能量以及系统时钟均从读 写器电磁场获取，标签本身不含有电源，其能量的获取和利用效率决定其识别、 读写距离，故低功耗设计十分必要。 l i - - l 。 n )上 勺 _ 窭 一下、 k | 一 l 图2 - 3 无源电子标签的简单构成图 第二章r f i d 系统和组成原理 2 2 1 电磁场反向散射调制原理 无源r f i d 系统的频率范围很宽，从低频、高频到超高频上均有应用，这些应 用的工作原理有很大不同，大致可以分为磁场耦合和电磁反向散射两大类。其中 电磁场反向散射调制的r f i d 典型工作频率采用u h f 和微波波段，如4 3 3 m h z 、 9 0 0 m h z 、2 4 g h z 、5 8 g h z 等。采用该波段的被动式r f i d 标签的工作距离一般在 几米到十几米之间。该波段的r f i d 系统，采用反射电磁波能量的方式完成通信， d ，：，彳 根据雷达方程，读写器接收标签的天线反射的能量大小为：= 去鲨等，其 t 4 n ) 压 中p 、g 、a 。分别为读写器的发射功率、天线增益、等效接收面积，r 为距离，盯 为r f i d 标签的天线散射面积。天线散射面积的大小与天线加载的电阻大小有关， 天线接收完全匹配负载与短路负载时的散射面积有很大不同，r f i d 标签平时处 于匹配状态，它从读写器发射来的电磁场中获取能量和信息。而当r f i d 标签发 送数据时，标签的控制逻辑根据数据的不同改变r f i d 标签天线的负载电阻值， 从而改变天线的散射面积，这样就会使读写器天线接收的电磁能量随着数据的变 化而变化，最终完成标签与读写器之间的通信i l 。 对无源r f i d 系统而言，读写器通过电磁场为标签供电，标签通过电磁场来 获得所需的能量，在读写器天线发射功率一定的条件下，标签的功耗越大，读写 的距离就越短，性能也就越差。我们可以通过以上这些公式计算得到u h fr f i d 系统设计中标签芯片功耗的极限值、工作距离以及读写器灵敏度等关键参数指 标，从而对标签芯片进行系统级设计，规范出芯片中每个模块的功耗、性能等指 标。 2 2 2 射频与模拟前端部分 u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端电路主要是为整个标签芯片提供稳定的电 压和偏置电流，并将从读写器接收到的包络信号经过解调，获得所需的数字基带 信号，将其提供给控制逻辑电路，并为该电路提供所需的上电复位信号和稳定的 时钟同步信号，最终将控制逻辑电路返回给读写器的信号经反向散射，返回给读 写器。在无源u h fr f i d 标签芯片电路设计中，芯片所获得的能量和功耗直接决 定着标签的性能和工作距离的远近。一方面，由于射频模拟前端电路为整个标签 芯片提供能量，整流器和匹配网络电路的设计决定着能量转换效率的高低；另一 方面，射频模拟前端电路的功耗大小也影响着标签的性能。因此，既要通过设计 获得高效率的能量转换，还要采用超低功耗电路设计技术，尽可能的降低射频模 拟电路的功耗1 圳。 第二囊r f i d 系统和组成原理 射频模拟前端电路包含了本地振荡器、时钟产生电路、上电复位电路、电压 参考源、嚣配鼷络、整流器、稳压器、反向散射电路班及a m 解谖器等几个主要 模块，如图2 - 4 所示。 a 、，解 调嚣 反向散 射屯路 陌：蟊霞 i 垄篓1 蒸 射频楱掾毒萋壤瞧爨 e 争r o m i l 。j 一 ：控制逻辑也路 l 与e e p r o m 图2 4 射频模拟前端结构图 2 2 3 数字基带处理系统和存储器部分 u h fr f i d 标签芯片中的控制逻辑电路主要实现处理射频模拟前端电路解调 后得到的数字基带信号、控制与e e p r o m 进行通信、根据读写器发送的命令返 回裰应的编码信号的功能。包括了时钟数据恢复模块、编码模块、解码模块、 c r c 校验模块、控制单元、随机数发生器和存储器等几个主要组成部分。因为 采耀了低功耗电路设计技术，降低了射频模拟蓠端电路和控制逻辑电路部分的功 耗，而e e p r o m 部分的功耗已经成为u h fr f i d 标签芯片功耗的主要部分，因 此开发用于r f i d 标签芯片的低功耗非易失性存储器电路已成为目前一个重要的 研究熟点。 2 。3 课题的延承和主要技术指标 由上蘑的u h fr f l d 电子标签构成的介绍可知，电子标签由模拟部分、数字 部分和存储器组成。其中本课题研究数字基带处理部分以及和存储器之间的通信 部分的实现和优化。 在进行本课题之前，本人曾经参与i s o i e c i8 0 0 0 6 b 协议标准研究和实现， 基于i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 与l8 0 0 0 。6 b 在系统结构上【1 2 】的相似性，所以在难点上有所 待计，主要包括数模接鞫部分的时钟数据恢复处理、数据速率以及时钟的确定、 基带数据处理主状态机和防冲突机制的实现。 遨墨一飞rl 一蒜 第二章r f i d 系统和组成原理 本课题在前人研究的基础上，研究并设计了系统的总体架构、数模结合部分 的时钟数据恢复处理和一系列协议标准上的相关问题。并且结合标准的i s o d e c 18 0 0 0 6 c 读写器开发了f p g a 硬件平台系统，成功地完成了相关协议的原型验 证，为后期进行i c 芯片的综合、布局布线以及投片的成功率奠定了基础。 本论文所设计的u h fr f i d 标签芯片符合i s o18 0 0 0 6t y p ec 标准，该标准规 定的阅读器最大发射功率为4 w ，阅读器天线增益g 。为1 6 4 ( 即2 5 6 d b ) ，阅读 器到标签的载波工作频率带宽为8 6 0 9 6 0 m h z 。在本论文中，根据所选择的阅读 器考虑，选择系统的载波工作频率为9 15 m h z ，设计目标为u h fr f i d 标签的工 作距离大于3 m ，标签所能够接收到的阅读器发送的功率大约为6 d b m ，即 2 5 0 i t w 。由于本设计所采用的工艺其标准工作电压为3 3 v ，采用s c h o t t k y - 极管 的d i c k s o n 电荷泵作为整流器的电路设计中，其转换效率与所采用的电荷泵级数 有关，如果假设其为2 0 ，可以得到标签芯片所消耗的电流约为1 5 心，则标签 芯片射频模拟前端电路所消耗的电流应小于1 0 0 a ，逻辑控制电路与存储器所消 耗的电流应小于s p a 。此时阅读器所接收到的标签反向散射能量的功率约为 - 4 5 d b m 。根据国外的成熟技术，电子标签每秒钟的识别效率大概在7 5 个秒，所 以本课题的识别效率初步打算实现5 0 个秒。 2 4 本章小结 本章首先给出了r f i d 系统构成，并分别对其中的电子标签( t r a n s p o n d e r ) 、 读写器( r e a d e r ) 、客户机( c l i e n t ) 、服务器( s e r v e r ) 等四个部分进行了简单介 绍；然后对本课题将要研究实现的电子标签的构成和基本原理进行了详细介绍， 并在介绍的基础上说明了课题的延承，在继承了前期对i s o d e c l 8 0 0 0 6 b 的研究 与实现基础上，在对几个关键问题的关注下进行基于t y p ec 标准的标签芯片数 字部分的构造与实现。 第三章数字芯片设计理论和低功耗技术原理 第三章数字芯片设计理论和低功耗技术原理 本论文所讨论的重点是r f i d 系统中电子标签的数字处理系统实现，是一个 典型的数字芯片设计，因而有必要对数字芯片的设计理论作一下分析。另外基 于r f i d 无源射频标签的无源特性，其电子标签识别距离对功耗的要求很高，考 虑到这个特殊性，本章也对数字芯片低功耗技术进行了探讨，并在课题设计中进 行了探索性应用。 3 。l 数字芯片设计理论 数字电路工作时通常只有0 ，1 两个状态，基本电路是与门、或门和非门，