（微电子学与固体电子学专业论文）基于uhf+rfid自主标准的协议验证及芯片前端设计.pdf

摘要 摘要 随着物联网概念的逐渐普及，r f i d 作为其核心技术，应用范围也越来越广。 u h fr f i d 无源标签芯片以其识别距离远、重量轻、体积小、寿命长等优势，成为 研究的热点。作为u h fr f i d 的国际标准协议，i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 有着完整的体系 架构，但国外的标准与专利终究会制约着该技术在国内的发展。为此，国家推出 了u h fr f i d 国家自主标准协议，本文正是基于该协议，介绍了协议的可行性验 证以及标签芯片前端电路的设计。 通过对比u h fr f i d 国家自主标准协议与i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 的不同，提出以 标签模型模拟标签芯片的验证方案，主要进行命令逐条验证以及防冲撞算法验证 两方面的可行性验证。本文介绍了标签模型的设计方法、设计实物、测试环境及 验证结果。验证结果表明，国家自主标准协议的命令均可以正常识别、解析与返 回，并且防冲撞算法是可行的。 协议可行性验证完成后，进行标签芯片的设计。文章首先给出芯片的整体架 构，由前端电路与数字基带两部分构成，明确了射频与模拟前端电路在整个芯片 中所起的作用和完成的功能。然后介绍了射频与模拟前端电路的各个模块，包括 倍压整流、解调与调制模块、电流基准、基带稳压电路、存储器供电电路、上电 复位电路与时钟电路，给出了各个模块的电路原理、结构图以及基于t s m c 0 1 8 - i - 艺 下的c a d e n c es p e c t r e 仿真结果，重点阐述电流基准的设计并给出详尽的仿真结果。 将前端电路与数字基带相搭配，进行实验性流片。文章给出了芯片的测试方 法、测试仪器、以及测试结果。根据u h fr f i d 标签芯片的特殊性，确定了无线 测试、有线测试以及加电测试的测试方法，经过测试，前端电路各个重点参数， 均可以满足设计的要求。 关键词：u h fr f i i )自主标准标签模型前端设计 a b s t r a c t i a b s 仃a c t w i t ht h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e to ft h i n g s ，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 ni sw i d e l y a p p l i e di nm a n yi n d u s t r i e s a st h ec o r et e c h n o l o g y p a s s i v eu h fi 强i dt a ga t t r a c t s r e s e a r c h e r s a t t e n t i o nw i t hm u c hm o r ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，c o n v e n i e n c e ， l i g h t n e s sa n dl o n gi d e n t i f yd i s t a n c e i s o i e c18 0 0 0 6 c i so n eo ft h eu h fr f i d i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s t h ec h i n e s es t a n d a r da g r e e m e n ti sp u b l i s h e dt op r o m o t et h e u h fi 江i dt e c h n o l o g yi nc h i n a n l i st h e s i si n t r o d u c e st h ea g r e e m e n tv e r i f i c a t i o na n d f r o n t - e n dc i r c u i td e s i g no ft a gc h i pb a s e dt h ec h i n e s es t a n d a r d t 1 1 ev e r i f i c a t i o nm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r da f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h ec h i n e s e s t a n d a r da n di s o i e c18 0 0 0 6 c c h i pm o d e li sm a d et ow o r ka st a gc h i pt ov e r i f ye a c h c o m m a n d sa n dt h ec o l l i s i o na r b i t r a t i o n 1 1 1 ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o no fc h i pm o d e li s i n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m m a n d sa n dc o l l i s i o n a r b i t r a t i o na r ef e a s i b l e t h et h e s i sa l s og i v e sa ni n t r o d u c t i o no ft a gc h i pf r o n t - e n dc i r c u i t s 1 1 1 es t r u c t u r e ， f u n c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t so fe v e r ym o d u l ea r ed i s c u s s e d t h ec i r c u i t sa r es i m u l a t e d b a s e do nt h ec a d e n c es p e c t r ep l a t f o r mw i t ht h et s m c0 18 u mp r o c e s s 1 1 l em o d u l eo f c u r r e n tr e f e r e n c ei sd i s c u s s e di nd e t a i l s i nt h ee n d t h et e s tm e t h o da n dr e s u l t so ff r o n t e n dc i r c u i t so ft h et a p e d - o u tc h i p s a r eg i v e n 田1 er e s u l t si n d i c a t et h ed e s i g nc o u l dm e e tt h ec o m m a n d k e y w o r d s ：u h f r f i dc h i n e s es t a n d a r d c h i pm o d e l f r o n t e n dc i r c u i td e s i g n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 在互联网已经走进千家万户、服务于各行各业的当今社会，“物联网 作为紧 随其后提出的概念也在近些年越来越频繁地走入人们的视野。物联网是指，结合 射频识别( i 强i 伊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 ) 与互联网等技术，构造一个实 现全球物品信息实时共享的网络，其产生是信息技术及经贸发展的智慧结晶，是 高科技领域一项革命性的新技术。而r f i d 作为“物联网 的核心技术，已成为近 些年的研究热点i l j 。 r f i d 技术是一项利用射频信号通过空间藕合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触 信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，该技术起源于2 0 世纪4 0 年 代的雷达技术，主要的特点有准确性高、存储量大、耐用性强、非接触识读、可 识别高速运动物体、抗恶劣环境、保密性强、识别码唯一、可同时识别多个对象 等。近些年，其在物流、收费、门禁等行业的应用得到飞速发展，而且日常生活 中亦随处可见。我国第二代身份证的发行很好证明了r f i d 技术的便利。 r f i d 技术一般按照标签供电方式以及工作频段两种方式进行分类。 根据不同的标签供电方式，r f i d 标签分为有源标签、无源标签和半有源标签 三种类别。有源标签的正常工作以及与读写器之间的交互所需能量全部来源于电 池；而无源标签不自带电池，其能量来源于电磁场，一般是由读写器发射电磁波， 正是因此，它的识别距离依赖于电磁场的强度以及自身的功耗，同时，该工作方 式也决定了无源标签使用方便、操作简单、工作时间长、价格便宜等优点；还有 一种标签，自带电池，但是电池只发挥辅助工作的作用，用来给维持数据的电路 供电，一般都处于休眠状态，进入读写器提供的电磁场场区才会工作，且此时依 靠射频能量工作，该类标签被称为半有源标签。 另外一种分类方式的依据是工作频段，如表1 1 所示。表1 1 分别给出了低频、 高频、超高频以及微波四个波段的典型工作频率，工作频率的不同也决定了识别 距离、识别速度以及标签大小等特性。价格比较低廉的低频、高频标签，识别距 离都在l m 以内，典型的应用有校园卡，身份证、门禁系统等；超高频频段的标签 多用于车辆集装箱识别、自动收费系统等，它的优点是识别距离较远，识别速度 较快，且对高速运动的物体也能识别l z j 。 本文所研究的标签芯片即为工作于超高频波段( u h f8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ) 的无 源标签芯片。 2 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 表1 1r f i d 不同波段的特点比较 低频高频超高频微波 频率 1 2 5 舭1 3 5 6 m h z9 1 5 3 m h z2 4 5 g h z 识别距离 6 0 c m6 0 c m8 m 5 0 m 价格较低、识价格低、适合价格较高、多重价格昂贵、易 一般特性 别距离短远距离识别识别、性能好受环境的影响 识别速度 低速- - ) 高速 环境影响迟钝敏感 标签大小大型小型 1 2 研究现状 近年来r f i d 己成为i c ，i t 业界的研究热点，被视为i t 业的下一个“金矿 。 由于u h f 频段集成电路技术的突破，u h fr f i d 标签技术得以迅速的发展，国际 上已出现了规模化的u h fr f i d 标签产品。据调查，r f i d 应用系统产品全球销售 额从1 9 9 9 年的6 5 8 亿美元，提升到2 0 0 2 年的1 1 亿美元，其中日本占1 8 亿美元， 美国占6 亿美元。2 0 0 5 年全球r f i d 市场规模达3 0 亿美元，到2 0 1 0 年全球r f i d 市场达到了7 0 亿美元，年平均增长率为2 6 t 。 相对于目前成熟的h f 系统，u h fr f i d 较为复杂。国外u h fr f i d 技术的起 步较早，已经形成了标签芯片设计、天线设计、标签封装、测试、阅读器设计和 软件平台等u h fr f i d 系统的研究和生产一整套生产流程。目前研制生产u h f r f i d 标签的国际厂商大概有3 0 余家，占有率最高的厂商是n x p ( 原飞利浦半导 体公司) 、s tm i c r o e l e c t r o n i c s 和t i 三巨头，但也有一些小公司拥有领先的u h f r f i d 标签技术，如a l i a n 、u c o d e 、日立、松下等已经推出了相关的产品。r f i d 标签芯片设计技术主要被欧美企业掌握，具有代表性的标签有基于i s o i e c l 5 6 9 3 标准的p h i l i p s 的i c o d el s i 及基于i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 的i m p i n j 的m o n z c t 2c 1g 2 标 签【3 1 。 相对于国外，国内对于r f i d 技术的研究不仅较晚，而且发展被国外先行建立 的标准以及专利所制约。但是，国家政府相关部委及各大企业都很重视r f i d 技术 的发展，譬如“射频识别技术与应用 就被科技部列为8 6 3 计划的重大项目之一， 中国r f i d 技术发展政策白皮书也于2 0 0 6 年6 月9 日推出1 4 。该白皮书除了 阐述一些政策性的支持、人才交流的培养及研发投入的加大等，重点强调了r f i d 国家标准和标准体系的建立。而经过几年的发展和推动，u h fr f i d 国家自主标准 第一章绪论 3 也已于本年度正式发布。本文正是结合自有标准的修订与验证而完成的。 无论是国内与国外，虽然r f i d 技术已经取得长足进步，但是仍然有许多问题 亟待解决。一是标准的不统一制约着r f i d 的大规模应用，使得不同产品难以兼容， 阻碍着产品的流通；二是成本问题，r f i d 大规模的商用必须依靠降低芯片的成本； 三是电子标签的功耗需要进一步降低，可靠性读写距离有待提高，识别速率需提 高；四是读写器应朝着多功能化、便携式、模块化、小型化的方向发展，应用范 围的进一步拓展，研发制造成本的进一步降低i o j 。 总之，r f i d 技术的大力发展会使得更多的行业获得好处，也将更好地服务于 民众生活，推动“物联网 从概念尽快走向现实，而具有自主知识产权的国家标 准的制定，也将进一步推动该技术在国内的发展，无须受制于国外标准与专利。 1 3 论文研究内容与贡献 本文结合u h fr f i d 国家自主标准的修订和验证，完善了从u h fr f i d 协议 标准到标签芯片实现的全流程。 本文研究的主要内容和贡献主要有以下方面： 1 、将u h fr f i d 国家自主标准与i s o i e c l 8 0 0 0 6 国际标准对比分析研究，重 点罗列出二者的不同之处、得出国家自主标准的优点与不足。 2 、设计完成标签模型，通过该模型模拟标签芯片的功能，使之与读写器配合 交互工作，完成对协议编解码方式、各条命令、防冲撞算法等的可行性验证，同 时，标签模型的提出，也为数字基带设计提供了可验证的实物平台，一定程度上 降低了流片的风险。 3 、完成u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端电路的设计与实现，基于c a d e n c e s p e c t r e 仿真器，对电路各个模块以及整体电路完成了仿真。 4 、基于t s m co 18p 聊的工艺库，利用c a d e n c ev i r t u s o 完成标签芯片射频模 拟前端电路的版图，并流片验证，得到测试结果。 1 4 论文组织结构 本文的章节内容安排如下： 第一章“绪论”主要介绍了r f i d 技术，重点是u h fr f i d 技术的发展背景、 国内外研究现状与发展方向以及本文选题研究的内容与工作。 第二章“无源u h fr f i d 系统概要与理论基础 对u h fr f i d 系统的整体架 构、工作原理和通讯过程进行研究，为后面章节的内容提供理论指导。 第三章“基于标签模型的协议可行性验证 重点从原理、架构以及最终的电 路搭建完成等方面介绍标签模型，并阐述了它在从协议标准到最终芯片设计的全 4 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 流程中所发挥的协议验证与辅助芯片设计的功能。 第四章“无源u h fr f i d 射频模拟前端电路设计实现”介绍无源u h fr f i d 标签芯片射频模拟前端具体电路的设计实现，并给出相应的电路原理图、基于 c a d e n c es p e c t r e 的仿真结果以及版图实现。 第五章“无源u h fr f i d 射频模拟前端电路测试”介绍无源u h fr f i d 标签 芯片流片之后整个标签的测试，并重点介绍射频模拟前端电路的测试，得到相关 重要的参数并且做了相应的分析。 第六章“总结与展望”总结本论文的工作，指出了其中的不足之处，并指明 未来研究工作的重心和发展方向。 第二章无源u h fr f l d 系统的系统概要和理论基础 5 第二章无源u h fr f i d 系统概要和理论基础 本章主要对无源u h fr f i d 系统的整体架构、工作原理和通讯过程等进行介 绍，对于无论是采用分离器件搭建的标签模型或者是标签芯片，它们的系统构架 和具体电路的实现都可将本章节内容作为理论指导与参考。 2 1u h fr f i d 系统架构 典型的u h fr f i d 系统架构如图2 1 所示，主要有读写器平台、标签和计算机 数据管理系统三个部分构成。 r f i d 标签 图2 1 典型u h f r f i d 系统构架 读写器平台包括读写器以及读写器天线。读写器主要完成三个功能，一是发 送信号，二是接收标签返回数据，三是将获得数据提交至数据管理系统。由于发 送与接收数据，因此读写器需要有射频电路完成这部分功能。发送数据时，射频 电路可以产生载波，将命令进行调制；接收数据时，射频电路可混频以及比较处 理，然后交由基带电路。基带电路负责处理标签返回的数据，同时，管理整个通 讯过程。读写器天线的作用是发送数据和电子标签所需要的能量。 标签由标签天线和芯片两部分构成。标签天线负责接收射频能量和数据信号， 并利用调制反向散射机制将数据返回给读写器；标签芯片有射频模拟前端与数字 基带两部分构成，完成将射频能量转换为芯片工作所需要的稳定电压，并解析和 处理所接收的命令、数据。一般标签天线是以印刷天线的形式实现。 计算机数据管理系统主要完成数据信息的存储及管理，数据管理系统可由简 单的小型数据库担当，也可以是集成了r f i d 管理模块的大型数据库管理软件【j 7 1 。 6 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 2 2u h fr f i d 系统通讯过程 从上- - d , 节系统的架构中，可以得知，整个系统的交互工作是在读写器、标 签以及数据管理系统三个部分之间完成的。事实上，无源u h fr f i d 系统的通讯 过程可以分为两个层次：一是读写器与标签之间的通讯过程，二是读写器与后台 数据库、网络和应用体系之间的通讯过程。整个过程可描述为：读写器在相应的 标准规定下，通过空气接口读取标签唯一的电子编码，然后通过网络将标签数据 发送到数据库中进行查询，获得该标签相关的详细信息，从而通过互联网，可以 在全球范围内完成对电子标签的跟踪查询和管理。 课题主要针对标签芯片进行研究，因此本文重点关注读写器与标签之间的通 讯过程。该通讯过程为半双工工作方式，数据信息的传输路径由下行链路与上行 链路两条路径组成。下行链路是指由读写器发送数据以及能量至标签，上行链路 是指标签返回数据至读写器。 在下行链路是传输过程中，首先，读写器发送连续的高频电磁波，标签获取 该部分电磁波能量并通过整流以及稳压电路的转换，得到提供标签工作的电压， 这部分属于能量传输过程；当标签上电完成之后，读写器将命令与数据发送至标 签，标签将接收这部分调制信号并通过解调及其它电路进行解调、处理直至还原 出原始命令与数据信号，交由数字基带处理。 在上行链路的传输过程中，同样是读写器发送连续高频电磁波，而标签根据 数字基带处理的信号高低电平，通过调制电路，完成天线端口的阻抗变化，从而 使得反射系数也随之变化，进而使得读写器可以通过识别反射的能量大小来区分 信号高低电平峭j 。 2 3u h fr f i d 通讯过程中的能量传输 由于是无源工作方式，标签芯片所需能量完全来自于读写器所发射的能量。 因此，在读写器和标签的通讯过程中，能量的传输也是我们所关注的一个重要因 素。依据电磁场以及天线的相关基础理论，本节将对读写器与标签通讯过程中的 能量传输做简要的介绍与推导。 为了便于分析，将读写器天线系统和标签天线系统简化如图2 2 ，其中各个参 数的意义如下： 岛：读写器的发射功率；g 硝：读写器发射天线增益； g r r ：读写器接收天线增益； g 。：标签芯片天线增益；九：电磁波的波长； r ：标签芯片和阅读器之间的距离；仃：标签天线的散射截面。 第二章无源u h fr f i d 系统的系统概要和理论基础 图2 2 阅读器和标签系统能量传递不慈图 首先研究下行链路中的能量传输，与读写器相距r 处的功率密度可以由下式 得到： s ：叮p r x g r x( 2 1 ) 4 7 缓 假设标签芯片的天线和读写器的天线能够最佳对准和正确极化的理想情况 下，与读写器相距为r 的标签从读写器的磁场中可以获得的能量由下式给出： = 警譬 ( 2 - 2 ) 这也印证了超高频射频识别系统的标签可以通过读写器发射的磁场来获取工 作能量。当标签芯片的功耗越大，标签与读写器的距离r 越小，即标签的可读写 距离越近，性能越差。 然后研究上行链路中的能量传输。标签返回的能量与它的天线散射截面成正 比，因而标签返回的能量大小由下式给出： k k = 訾o ( 2 - 3 ) 。 标签返回的上述能量中只有一部分被读写器的接收天线获得，读写器的接收 天线获得的接收功率为： 傩= 警伊去唣等 p 4 ， 上式给出了读写器接收电子标签反射的能量大d , d 9 。 由于能量的传输直接影响标签的工作正常与否，因此读写器天线与标签天线 的设计亦是无源u h fr f i d 系统的重要课题；同时，也指引了低功耗作为u h fr f i d 标签芯片设计的目标。 2 4 小结 本章首先介绍了无源u h fr f i d 系统的架构，然后对无源u h fr f i d 系统的 通讯过程做了简单的分析，重点介绍了课题所关心的标签和读写器之间的通讯过 程以及过程中涉及的能量传输问题。从系统的角度介绍了标签的通信机制和所要 8 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 完成的功能，为标签模型以及标签芯片的设计拟定了框架。 第三章基于标签模型的协议可行性验证 9 第三章基于标签模型的协议可行性验证 国家u h fr f i d 标准协议的制定以及早日推出，将会对国内r f i d 产业有巨大 的推动作用。本文作者所在课题组，有幸参与u h fr f i d 国家自主标准的部分验 证与修订工作。本章将首先比较论述国家自主标准与i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准的异 同，然后介绍对国家自主标准的可行性验证以及标签模型的设计实现和测试结果。 3 1 国家自主标准协议与i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 的对比 i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准协议自发布已经推广多年，各个方面已基本成熟，而国 家自主标准整体上基本沿袭了i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议的基本理论与体系，因此本 小节重点介绍国家自主标准与i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议的不同点。另外，由于有基 于i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议的标签芯片技术积累，对国家自主标准的可行性验证也 主要侧重于不同点之上。 3 1 1 前向链路的编码方式 符号0 0 符号o l 符号1 l 符号l o j 图3 1t p p 编码 l o 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 由第二章2 2 节可知读写器与标签之间的通讯包括上行与下行链路，涉及数据 的传输，自然会涉及编解码方式，且在协议中需明确规定。对于上行链路，两协 议都采用了f m 0 与m i l l e r 编码；对于下行链路，i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 采用p i e 编码， 国家自主标准采用了t p p 编码，编码规则如图3 1 所示。图3 1 中死的取值为 6 2 5p s 或1 2 5 s ，在一个盘存周期中，读写器应使用固定的死值【5 】【姗。 t p p 编码方式的特点是每个编码符号代表两个数据，数据o o 的持续时间为 2 t c ，数据0 1 的持续时间为3 乃，数据1 l 的持续时间为4 死，数据1 0 的持续时 间为5 死；各个编码符号的低电平长度是一样的，都为p w ( p u l s ew i d m ) ，其差 别只是高电平持续时间。 3 1 2 对存储器访问权限的控制 1 1 1 0 0 l 0 0 图3 2 国家自主标准存储器的划分 国家自主标准的存储器划分如图3 2 所示，安全区的存储内容包含读写口令， 在开启编码区、安全区和用户区的写权限前，读写器必须先发送包含3 2 b i t 写口令 的访问命令( a c c e s s ) ，在开启标签信息区和用户区的读口令前，读写器必须先发 送包含3 2 b i t 读口令的访问命令。当口令匹配时，读写器获得指定区域的读写权限， 可以进行读写操作，如果口令不匹配，则读写器能对标签进行读写操作。 在i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 协议中，读写器对标签的读写操作没有权限的限制，所 以相比之下，自主标准的安全性较6 c 协议有一定的提高。 3 1 3 句柄产生命令的响应数据包格式 单化标签的命令如q u e r y 、q u e r y r e p 、d i v i d e 、d i s p e r s e 、s h r i n k 、r e f r e s h r n 的返回数据包是由l l b i t 的随机数和由这l l b i t 的随机数计算得出的c r c 5 组成。 第三章基于标签模型的协议可行性验证 i1 11 b i t 的随机数和c r c 5 作为句柄成为读写器和标签之间的握手信号，当读写器检 测到只有一个标签返回时，把标签的返回作为后续命令的旬柄。该句柄需要保存 以便与读写器发送的后续命令进行句柄的匹配操作。在i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议中 产生的句柄只有1 6 b i t 随机数。 3 1 4 国家标准协议的安全机制 若缺乏信息安全机制，r f i d 标签中的数据信息就容易被篡改、窃取，或者容 易受到有意或者无意的干扰，若涉及到个人隐私信息或者商业机密，会造成巨大 的损失。常用的r f i d 系统安全性改进措施有以下几种，一是采用标签和读写器的 相互认证，二是加密通讯，三是后台数据管理系统加强安全防范。 在i s o a e c1 8 0 0 0 6 c 协议中存在着若干安全问题，读写器与标签之间传送数 据时，其数据通信链路是无线通信链路，无线信号本身是开放的，从标签中读取 的信息以明文方式发送，会轻易地向周围的攻击者泄露标签中保存的信息。读写 器在对标签进行写操作时会使用一个16 b i t 的随机数与待写入的数据进行异或后传 送，这样虽然避免了明文传输，但是攻击者可以很容易地截获用于异或操作的1 6 b i t 的随机数，从而分析出要写入标签的信息，甚至冒充合法读写器对标签的数据任 意篡改。 针对以上问题，在国家自主标准中，采用了读写器与标签相互认证机制及加 密算法。根据通信双方的密级，分为读写器对标签的认证，标签对读写器的认证 及读写器和标签的相互认证。 读写器对标签的单向鉴别流程如图3 3 所示，具体流程为，读写器发送安全参 数获取命令；标签返回安全参数；读写器用根密钥r k 和实体对象唯一标识生成鉴 别密钥a k ，生成随机数r n r ，发送单向加密鉴别命令g e t标签生成 会话密钥s k ，用加密得到 发送_ 给s a 读u t 写h ( r 器n ，r ) 标；a k r n r i i s ke a k ( r n r i i s k ) 签跳转到 开放状态；读写器用a k 解密e a k ( r n r lj s k ) 得到瑚岍i i s k ，比较r n r 和r n r ，如 果相等，则读写器认为标签通过鉴别，且会话密钥为s k ，如果不相等，则读写器 认为标签未通过鉴别。 1 2 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 注：e j x ( r n ，l s k ) 表示用 k 加密r n r i s k 的结果 图3 3 读写器对标签的单向鉴别 标签对读写器的单向鉴别流程如图3 4 所示，具体流程为，读写器发送安全参 数获取命令；标签发送安全参数；读写器用根密钥r k 和实体对象唯一标识生成鉴 别密钥a k ，发送请求加密鉴别命令r e qs a u t h ；标签生成随机数r n t 发送给读写 器；读写器生成会话密钥s k ，用a k 加密r n t i i s k ，发送加密鉴别命令s a u t h ( e ( r n t i i s k ) ) ；标签用a k 解密e a k ( r n t i i s k ) 得到r n t i i s k ，比较r n t 和r n t ， 如果相等，则标签认为读写器通过鉴别，且会话密钥为s k ，发送相应数据包，标 签跳转到开放状态，如果不相等，则标签认为读写器为通过鉴别，发送相应数据 包，跳转到仲裁状态。 读写器用根密钥雕和实体对象惟一标识 密钥 k ，根据安全参数中的安全功能 加密鉴别命令 读写器产生会话密钥s i 【，用 k 加密r n t l 加密鉴别命令 如果刚。和 会话密钥为 注：e “( r n t i s x ) 表示用 k 加密刖t i i s k 的结果。 图3 4 标签对读写器的单向鉴别 读写器和标签之间的双向鉴别流程如图3 5 所示，具体流程为，读写器发送安 全参数获取命令；标签返回安全参数；读写器用根密钥r k 和实体对象唯一标识生 成鉴别密钥a k ，发送请求加密鉴别命令r e qs a u t l l ；标签生成随机数发送给 r n t 读写器；读写器生成随机数r n r 和会话密钥s k ，用a k 加密r n r l i r n t l i s k 得到 e a k ( r n r l i r n t l i s k ) ，发送双向加密鉴别命令m u l _ s a u t l l ( r n r i i r n t l i s k ) ；标签用 a k 解密e a k ( r n r l i r n t i i s k ) 得到r n r i i r n t i i s k ，比较r n t 和r n t ，如果相等，则 标签认为读写器通过鉴别，将r n 发送给读写器，跳转到开放状态，且会话密钥 第三章基于标签模型的协议可行性验证 1 3 为s k ，如果不相等，则标签认为读写器未通过鉴别，发送相应数据报，跳转到仲 裁状态。读写器比较r n r 和r n r ，如果相等，则读写器认为标签通过鉴别，且会 话密钥为s k ，如果不相等，则读写器认为标签未通过鉴别。 注：e “( 烈，r n t l s k ) 表示用a k 加密r n r l r n t i s k 的结果 图3 5 读写器和标签的双向鉴别 冬 国家自主标准中所提出的r e i d 安全系统能够防止多种攻击手段，采用相互认 证机制及对称加密算法，提高了系统的安全性。防止攻击者窃听，一般读写器和 后台数据库之间的信道采用有线连接的方式，可以认为是安全信道，而读写器和 标签之间的信道可以成为攻击者窃听的对象。设计中，不安全信道上的重要数据 采用密文传送，所以安全性得到了提高。读写器未经授权，就无法对标签进行识 别以及操作，同时伪造的标签信息也将无法被识别。读写器每次发起请求时都会 首先发送一个随机数，因此可以防止攻击者截取信息并重放攻击。 3 1 5 国家自主标准的不足之处 通过上面的分析发现，国家自主标准与18 0 0 0 6 c 协议相比，在数据的可靠性 方面得到了提高。但是国家标准中只有一个会话，而1 8 0 0 0 6 c 中提供四个会话， 多个会话为多询问机访问提供了方便。在1 8 0 0 0 6 c 协议中，s e l e c t 、r e a d 、w r i t e 等命令的地址指针采用e b v ( 扩展的位向量) 格式来表示，在国家自主标准中统 一采用1 6 b i t 的值来表示，相比而言，1 8 0 0 0 6 c 协议会有更快的访问速率【5 1 。 3 2 标签模型的设计实现 当协议从提出到推广的整个过程之中，针对协议的可行性验证这一环节必不 可少，而可行性验证要同时兼顾可操作性与成本的问题。芯片的制作成本较高， 因此初始实验阶段不会通过流片来验证协议，而p c b ( p r i m e dc i r c u i tb o a r d 印刷电 1 4 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 路板) 制作成本很低，其可修改性与重复性都很高。针对国家自主标准，提出利用 标签模型模拟标签芯片，与合作单位提供的读写器相互配合，完成对协议的可行 性验证。 根据第二章对u h fr f i d 系统的介绍，标签天线负责接收射频能量和数据信 号，并利用调制反向散射机制将数据返回给读写器；标签芯片有射频模拟前端与 数字基带两部分构成，完成将射频能量转换为芯片工作所需要的稳定电压，并解 析和处理所接收的命令、数据。而对于协议的验证，本文主要针对协议中提到的 命令、数据的解析与处理，编解码方式是否可行，防冲撞算法能否实现，而在验 证的方式中，可以忽略能量的传输问题，况且无源只是针对标签芯片而言，对于 通过分离器件搭建的p c b 标签模型，在不影响验证的前提下，有接入电源可以简 化设计。 标签模型的架构与标签芯片相同，同样分为射频模拟前端与数字基带。 芯片的射频模拟前端需要完成将射频能量转换为芯片工作所需稳定电压的功 能，而标签模型的射频模拟前端忽略此项功能，只负责完成两项功能即可，一是 将射频信号中的命令转换为基带可识别的信号，二是将经过基带处理的信号返回 至读写器。 芯片的数字基带与标签模型的数字基带所需完成的功能相同，只是供电方式 有所区别。标签模型的数字基带使用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 芯片即 可完成，而且作为标准i c 设计流程重要的环节，f p g a 的使用将很有利于协议可 行性验证结束之后的后续代码验证，代码的测试与验证无需在单独的f p g a 开发 板上进行，可直接利用标签模型进行与读写器的联合测试与验证，一定程度上也 可以降低流片的风险。 一、射频模拟前端 射频模拟前端处于天线与数字基带之间，负责将从天线接收的信号转换为数 字基带所需要的数字信号。因此主要分为解调电路与模数转换信号。同时它还要 完成反向散射调制的作用。由于电路板是工作在u h f 频段内，因此采用 a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 仿真平台，但是在设计射频部分电路时，a d s 仿真 平台没有提供所采用器件的精确模型，因此采用了调试为主、仿真为辅的方式。 1 包络检波 由于协议中规定，读写器发出的是调幅波，因此采用较为简单的二极管包络 检波电路。 当输入端输入一个频率为，的正弦电压信号v i = v ls i n c oo t 时，设二极管正向 导通电阻为如，且r d r d ，放电比 较缓慢，在b 点处，放电电压与高频电压相交，此后高频电压继续增大，二极管 导通，电容充电直至c 点，二极管又处于截止状态，以上述方式重复直到二极管 截止时放电的电荷量与二极管导通充电的电荷量相同。由于充电通路上有二极管 正向电阻r d ，放电通路上有r l ，由于r l r d ，因此充电过程较快，而放电过程 较慢。动态平衡后，二极管导通时间很短，即导通角很小，电容c 上有一个脉动 的电压，脉动的频率就是载波频率1 0 。当r l 足够大时，电容c 上充的电压近似 与所接近，所以此种检波方式有时又被称为峰值包络检波【l 。 胖所而幡j vvv 性 删 图3 6 峰值包络检波不恿图 商 在峰值检波模块中，采用的是肖特基二极管，这是由于其具有与普通p n 结二 极管相比的优点。p n 结二极管电路是少子的积累，靠扩散形成电流，存在电荷存 贮效应，而金半接触的肖特基管是多子漂移，因而高频性能好；另外，相同的势 垒高度，肖特基比p n 结二极管的反向饱和电流大的多，换言之，对于相同电流， 肖特基势垒二极管的正向导通压降低，其驱动能力要强【l 2 。 电路采用了型号为h s m s 2 8 5 0 ( s u r f a c em o u n tz e r ob i a ss c h o t t k yd e t e c t o r d i o d e s ) 的肖特基二极管，在其d a t a s h e e t 中给出了其部分参数、适用要求以及应 用时的匹配形式l l 引。 1 6 基于u h fr f i d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 r f l k p u t 6 5 n h t r a n s m i s s i o nl l n e d i m e n s l o n sa r e f o r m l c r o s t r l po n 0 0 3 2 ”1 。h l c kf r 4 图3 7h s m s 2 8 5 0 匹配形式 v i d e 0 o u t 根据图3 7 的相关说明，可以得出匹配的微带线的尺寸，同时也决定了标签模 型需要采用厚度为3 2 m i l 的f r 4 单层双面板。 2 模数转换电路 包络检波完成之后，信号需要经过模数转换电路，恢复出原始的数字信号， 使得数字基带可以识别。采用跟随电路与比较器相结合的方式来实现。 跟随电路采用简单的r c 电路，将此跟随电路的输出信号当作参考电平，并且 将包络检波输出信号当作输入电平，二者加载至比较器即可恢复处原始数字信号。 比较器采用l m 3 1 1 ，其优点是输入电流小、电压源工作范围大，从标准的正 负1 5 v 运算放大器工作电压，到5 v 单电压供给，输出与r t l 、d t l 、t t l 以及 m o s 电路都能很好地匹配。 a d s 中没有该模型，但是a d s 提供s p i c e 网表文件导入的功能。因此，首先 在s p i c e 中进行仿真。其p s p i c e 模型参数从厂商网站查得1 1 3 1 。 该网表文件是将比较器的内部结构用子模块的语句描述完成，下面简单介绍 该网表文件。 c o m p a r a t o r 1 i b e ：k l m 3ll i ：n m 0 3 5 5 v 1 t t 幸c o n n e c t i o n s ：n o n - i n v e r t i n gi n p u t 木对各个端口的说明 木1 = n o n i n v e r t i n gi n p u t 2 = i n v e r t i n gi n p u t 3 = p o s i t i v ep o w e rs u p p l y 幸4 = n e g a t i v ep o w e rs u p p l y 52o p e nc o l l e c t o ro u t p u t 幸6 = o u t p u t g r o u n d 第三章基于标签模型的协议可行性验证 1 7 s u b ck i l m 3 l ll2 3456 f l9 3v 11 i e e37d c1 0 0 0 e 6 v i l2 lld c0 4 5 v 1 22 22d c0 4 5 q 1 92 17q i n q 2 82 27 q i n q 3 984q m o q 4 884q m i m o d e lq i np n p ( i s = 8 0 0 o e 一18b f = 5 0 0 ) m o d e lq m in p n ( i s = 8 0 0 0 e 18b f = 1 0 0 2 ) m o d e lq m o n p n ( i s = 8 0 0 0 e 一1 8b f = 1 0 0 0c j c = i e 一1 51 r i p l 0 2 5 e - 9 ) e 11 0694 1 v l1 0 1 1d co q 5 51 16 q o c m o d e lq o cn p n ( i s = 8 0 0 0 e 一1 8b f = 1 0 3 5 e 3c j c = 1 e 一1 5t f = 1 1 6 0 e - 1 2 t r = 4 8 19 e - 9 ) d p43d x i 冲346 6 6 7 e 3 m o d e ld xd ( i s = 8 0 0 0 e - 18 ) e n d s x a l12345ol m 3 1 1 v i n l10d c0s i n0 60 25 0 0 k v i n 220d e0 6 r53l k v c c30d c5 v s s4od c0 t r m al u s2 0 u s p l o tv ( 5 ，o ) ，“1 ，0 ) ，v ( 2 ，0 ) e n d 对上述网表文件进行简要说明：( 1 ) 子电路中用到的很多管子，在这里都用f 和e 来代替，f 表示流控电流源，e 表示压控电流源，其中f 需要利用零电压元的 电流代替控制端的两个节点。( 2 ) r 是输出上拉电阻。( 3 ) e n d s 是子电路模块描述 的结束。x n a m e 是调用子电路 1 8 基于u h fi 江d 自主标准的协议验证及芯片前端设计 的语句，端口要求跟子电路的端口顺序一一对应。( 4 ) 仿真条件是将5 0 0 k h z 的正 弦波和直流电平做比较，观察其输出值。其中频率的选择是根据解调输出波形的 频率得出。 在s p i c e 中a v a n w