（微电子学与固体电子学专业论文）射频识别标签芯片数字部分的电路设计.pdf

摘要 摘要 随着社会经济和科技的发展，射频技术越来越广泛地应用于各种行业，特别 是公共交通、无线通信、身份识别、金融交易和安全防卫等行业过去，智能卡应 用领域常采用磁卡或接触式i c 卡，但由于读写速度慢、易磨损、使用寿命短，无 法保证系统长期运行的可靠性和方便性。射频技术的出现弥补了这些不足。 该文主要说明了射频标签的数字电路部分的设计。该文首先介绍了射频识别 技术的工作原理和主要技术，以及阅读器和射频标签的通讯原理：然后详细说明 射频标签数字部分的电路结构和功能，以及射频标签完成阅读器的各种命令的具 体时序，并且列举了典型命令的仿真实例；紧接着论文介绍了电路的综合，编写 了t c l 模式的综合脚本，使用d e s i g nc o m p i l e 工具对数字部分进行了电路综合； 最后，论文进行总结并给出项目还需要改进的地方。 关键词：射频数字电路设计硬件电路芯片电路综合 a b s t r a c t 一一_ a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n ds c i e n c e ，r f t e c h n o l o g yh a sb e e n w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sp u b l i ct r a f f i c ，w i r e l e s s 馏a n s m i s s i o n ，i d v e r i f i c a t i o n ，f i n a n c i a lt r a n s a c t i o n sa n ds a f e t yc o n t r 0 1 t h ef i e l d su s e db ys m a r tc a r d s w e r ed o m i n a t e d b ym a g n e t i cc a r da n dc o n t a c tc a r di nt h ep a s t a st h em a g n e t i cc a r da n d c o n t a c tc a r da r es l o w e rs p e e do fr e a d i n ga n d w r i t i n g ，h a r dp r e s e r v a t i o n ，s h o r t e ru s e 舢 l i f ep e r i o d s ，i tw o u l dn o tm a k es u r et h e r e l i a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c eo fs y s t e mf o r1 0 n g t e r mu s e r ft a gt e c h n o l o g yc a ns o l v et h o s e p r o b l e m s t h i sp a s s a g em a i n l yi n t r o d u c e sr f t a gd i g i t a lc i r c u i td e s i g n a tf i r s t ，i td e s c r i b e s o p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n dm a i nt e c h n o l o g yo f 盯t a g ；s e c o n d ，i td i s c u s s e s c o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e sb e t w e e nt a ga n dt a gr e a d e r ；t h i r d ，i tt a l k sm o r ed e t a i l so nt h e c o n s t r u c t i o no fc i r c u i t , c i r c u i tf u n c t i o na n dt h et i m i n go f o p e r a t i o n sb e t w e e nt a ga n dt a g r e a d e r ：i ta l s og i v e ss o m es i m u l a t i o ne x a m p l e so ft y p i c a lc o m m a n d s a n dt h e ni tt a l k s a b o u tt h ec i r c u i ts y n t h e s i s ，t c ls y n t h e s i sf i l eh a sb e e nm a d ei no r d e rt od oc i r c u i t s y n t h e s i sw i t ht h eh e l po fd e s i g nc o m p i l et o o l ； f i n a l l y ，t h ep a p e rm a k e st h e c o n c l u s i o n s ，i ta l s og i v e st h ea d v i c e sf o ri m p r o v i n g p o i n t so ft h ep r o j e c t k e y w o r d s ： r f s y n t h e s i s d i g i t a lc i r c u i td e s i g nh a r d w a r ec i r c u i ti cc i r c u i t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：幻市1 1 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：爱匡 导师签名：雌 日期： 日期： 酗7 。| j ，o 第一章绪论 第一章绪论 本章是论文的概述，首先介绍课题的来源以及研究意义，然后简要地介绍了 本文所做的工作。 1 1 射频识别技术简介 射频识别技术起源于上世纪8 0 年代中期，与条码、磁条等同期或早期识别技 术相比，射频识别技术具有无接触、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷及 较好的应用环境适应性等一系列优点，在近年来获得了极为迅速的发展。目前， 射频识别技术广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领 域。 一射频识别系统的特点 一个典型的射频识别系统由两部分组成，一是阅读器，另一个是被称为射频 识别标志的应答器。其中阅读器的主要组成部分是无线收发机，在应答器内装有 感应线圈( 天线) 及有关应用标识信息的存储器，因为基于不同应用，对应答器的 体积、性能等的要求各不相同，所以应答器是射频标识技术的关键。 1 应答器的工作过程为： ( 1 ) 阅读器发射无线激励信号及有关询问信号； ( 2 ) 应答器进入阅读器工作区域内，被阅读器信号激活并发射应答信息： ( 3 ) 阅读器接收应答器的应答信息，进行进一步处理。 2 应答器的主要组成、功能及其应用特点如下： ( 1 ) 具有信息存储、处理能力； ( 2 ) 可接收、发射无线信号，外围部件少，功耗低，能在低电压下工作； ( 3 ) 依据不同需要具有天线、射频微波探测器、调制器、解调器、控制逻辑 及存储器等部件； ( 4 ) 有些应答器具有电池，有些则省去了电源而由阅读器通过无线方式对其供 电； ( 5 ) 体积小巧、结构多样化( 有圆形、方形等) ，适合不同应用； ( 6 ) 多种工作距离。 其中，无内部电源的应答器在射频卡上应用较多。目前，国际上有多家厂商 致力于射频识别技术的研究及市场开发，其中较为著名的如美国德州仪器公司 ( t i ) 、荷兰飞利浦公司( p h i l i p s ) 等。现以美国t i 公司生产的一种无源应答器为 射频识别标签芯片数字部分的电路设计 例说明其工作原理，此种应答器主要由一个a d s 集成电路、一根天线及2 个片状 电容组成。 3 系统工作时的具体过程为： ( 1 ) 应答器进入阅读器工作区域后，接收到阅读器发射的脉冲信号： ( 2 ) 此信号经桥式整流之后对电容器进行充电，稳压器使电容器两端的电压维 持在2 v 左右，以便给集成电路提供工作电压； ( 3 ) 集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的脉冲信号进行解码； ( 4 ) 根据解码信息判断阅读器的命令要求。若仅仅是读取信息，则控制逻辑电 路从存储器中读取有关信息：若是修改信息，则有关控制逻辑启动内部电压泵从 而将2 v 工作电压提升到1 5 v ，以便对存储器( e p r o m ) 中内容进行重新写入编程； ( 5 ) 当电容放电时，发射电路将从存储器中读取的数据信息及相关响应信息发 射给阅读器； ( 6 ) 阅读器( 或应用终端) 对接收到的信息进行处理。 目前，射频识别系统使用的频段分为低频及高频两类。其中，低频段的频率 为1 2 5 k h z ，高频段的频率有9 0 8 k - 9 2 0 k h z ，1 8 g h z ，2 4 g h z 及5 8 g h z 等。当然， 工作频率越高，应答器和阅读器之间的通讯速率就越快，系统的工作时间就越短， 但功耗越大。 二射频识别系统的组成 射频识别系统一般由两部分组成： 1 标签：标签应放置在要识别的物体上 标签是射频识别系统真正的数据载体。通常，标签由耦合元件以及微电子芯片 组成。在阅读器的响应范围之外，标签处于无源状态。通常标签没有自己的供电 电源( 电池) 。只是在阅读器的响应范围之内，标签才是有源的。标签工作所需的 能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元( 非接触的) 传输给标签的。 2 阅读器：阅读器可以对标签进行读或写操作的装置 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及与标签 连接的耦合元件。此外，许多阅读器还都有附加的接口，以便将所获得的数据进 一步传输给另外的系统( 个人计算机、机器人控制装置等) 。 如果再进一步对r f i d 系统进行分类，一个最基本的r f i d 系统一般包括以下几 个部份： 1 一个载有目标物相关信息的r f i d 单元( 应答机或卡、标签等) ； 2 在阅读器及r f i d 单元间传输r f 信号的天线；一个产生r f 信号的r f 阅读 器： 3 一个接收从r f i d 单元上返回的r f 信号并将解码的数据传输到主机系统以 供处理的阅读器。 第一章绪论 3 一 天线、阅读器及主机可局部或全部集成为一个整体，或集成为少数的部件。 不同制造商有各自不同的集成方法。射频识别系统由主机系统和射频识别设备( 阅 读器和标签) 组成。主机系统主要是运行应用程序，该程序是用来控制射频识别 的程序。射频识别设备是由阅读器和标签组成，标签已经是附着在希望管理的目 标物体上的，标签上可以存储标签的i d 号和其它的关于目标物体的信息及和阅读 器通讯的信息。阅读器也是和标签进行通讯的设备，发送命令给标签和接收标签 的反馈信号。另外，阅读器以载频信号向标签提供电源，标签是一个无源设备。 阅读器和标签的通讯是通过天线进行的，阅读器可以对标签进行数据的读写。 电子标签按返回信号的不同可以分为主动式标签和被动式标签。我们将主动传 输r f 信号的r f i d 单元称为”主动式”标签，而将仅进行r f 信号反射或反向散射传 输的r f i d 单元称为”被动式”标签。通常，”主动式”标签需要专用电池支持其传输 器及接收器的工作。为避免干扰，主动式的标签要求能接收与转发多个频点的信 号，卡的组成复杂，而且功耗也大。由此，”主动式”标签一般比”被动式”标签在 形体上要大一些而且价格也更昂贵。另外，主动式”标签的使用寿命都与其电池 寿命直接相关。- 被动式”标签根据其应用的不同，也可以分为”有电源”和”无电源 工作模式。”被动式”标签将从阅读器或传输接收机( 阅读器) 传来的r f 信号反向 因素并可通过调制解码将相关信息加入到其所反射的r f 信号中。对于”被动式”标 签而言，它无需电池来放大反向信号的载波能量。有的”被动式”标签使用电池仅 是用于支持标签中存储器的工作或支持标签中的对反射信号进行调制解码的元件 的工作。 标签载有可用于认证识别其所附着的目标物的相关信息数据。标签可以是只 读的、读写兼具的或写一个读多个的形式； 任一r f i d 系统至少应包含一根天线( 不管是内置还是外置) 以发射和接收r f 信号。有些r f i d 系统是由一根天线来同时完成发射和接收；而另一些r f i d 系统 则是由一根天线来完成发射而另一根天线来承担接收。系统中所采用天线的形式 及数量应视具体应用而定。 r f 阅读器是r f 能量之源。它产生r f 信号及r f 能量激活并支持( 供能给) ”被 动式”r f i d 标签的工作。r f 阅读器可以集成封装于在阅读器内，也可以作为独立 设备存在。当作为独立设备时，一般被列为r f 模块。r f 阅读器的任务是对由天 线发射和接收的电频进行控制及调制解码以及对从”被动式”r f i d 标签上反射或 后向散射来的r f 信号进行过滤及放大。 r f i d 阅读器的任务是控制r f 阅读器发射r f 信号：通过r f 阅读器接收来自 标签上的已编码r f 信号，对标签的认证识别信息进行解码；将认证识别信息连带 标签上其它相关信息传输到主机以供处理。有些阅读器还具备其它功能。如在 e t c ( 电子收费) 应用中，就包含采集车辆检测器、与驱动道闸、交通灯等其它设备 4 射频识别标签芯片数字部分的电路设计 的数字输入输出信息。阅读器中的硬件部份控制着阅读器的工作。用户可以通过 相关控制主机或本地终端发布命令以改变或订制其工作模式适应具体应用的需 求。 三射频识别技术的应用 目前，在国外射频技术的主要应用有工厂生产产品的自动跟踪，试验动物跟 踪，商品分类管理，汽车防盗，航空公司的机场管理等等。下面以汽车防盗应用 为例，介绍射频识别技术的应用特点。应答器放置在汽车点火钥匙中，阅读器放 置在汽车驾驶杆等部件中。当要点火启动汽车时，如果阅读器没有接收应答器发 射的标志信号，则禁止启动汽车。同样的系统，若将应答器放置在车门钥匙中， 阅读器放置在车门内，射频技术应用于汽车防盗大大提高了汽车的安全性。目前， 越来越多的汽车公司将射频技术应用于汽车防盗系统。在最近的几年中，美国福 特汽车公司在其销往欧洲的5 0 万辆汽车中安装射频识别系统，价值达2 5 0 万美元。 从1 9 5 年开始，德国也要求所有新出厂的汽车都安装这种安全系统。 四课题研究背景与意义 。 公共安全一直是社会关注的焦点，近十几年来，随着中国经济建设的快速发 展，人民的生活水平获得了前所未有的提高，但是随之也带来许多问题。例如， 在我国食品、药品的市场管理方面，假冒伪劣现象仍然比较严重，不但侵犯了产 权，扰乱市场秩序，而且对公众的身心健康和生命安全构成严重的威胁。另外， 在大型住宅小区、别墅和校园里的安全防盗方面，经常发生社会上的不法之徒混 入高档小区、别墅和校园进行图财害命等犯罪行为。这些问题频频发生的原因之 一是防伪技术和识别技术不够先进，使得食品，药品容易被仿冒，而顾客又不容 易识别真伪。对于大型住宅小区、别墅和校园的安全防盗方面，是因为这些场所 人口密集且流动性大，而门禁系统和住户管理系统不够完善，从而给不法之徒可 乘之机。如果采用一种被称为“无线射频识别 的技术可以很容易地解决上述问 题。射频识别芯片即为其中的关键器件，本论文就在阐述射频芯片的数字电路部 分设计。 五国内外研究的动态 射频识别技术的应用潜力十分巨大。据a b i r e s e a r c h 公司的调研，2 0 0 3 年射频 识别标签市场规模为8 5 亿美元，今后将以每年平均2 2 的速度增长，2 0 0 8 年可 望达2 1 1 亿美元。据i d c 预测，到2 0 0 8 年，仅用于在零售供应链中跟踪货物的 射频识别市场的规模就将接近1 3 亿美元。标签芯片的产量将从2 0 0 2 年的3 5 亿片 快速提升到2 0 0 8 年3 2 1 亿片，同期平均单价将从o 4 4 美元下降到0 0 9 美元，射 频识别的应用将会有诱人的前景。 射频识别在我国同样引起了重视，中国国家标准化管理委员会已正式宣布成 立电子标签国家标准化工作组，负责起草制订我国有关的电子标签标准的同时， 第一章绪论 5 一 我国企业还加入了电子标签的全球化标准组织e p c g l o b a l ，成立了e p cg l o b a lc h i n a 。 我国在加速自己的射频识别标准化进程中，还积极地进行技术研发和产业化准备。 射频识别将是未来一个新的经济增长点。我国处于一个刚刚起步的阶段，但 它的发展潜力是巨大的，前景非常诱人。 用于采用射频识别技术的对象如食品包装、药品包装、小区人员的射频卡等 均需要采用一个存放识别信息的射频标签芯片，因此射频标签芯片既是射频识别 技术的关键，也是射频识别技术中用量最大的元器件。 1 2 射频识别系统的工作原理 r f i d 系统的目的就是从射频标签中获取被识别对象的相关信息，并且，射频 标签可以从阅读器的射频场中获取能量，可为其它部分或全部电路提供电源。因 此，基于射频标签在r f i d 系统中的功能，射频标签电路必须含有天线用于接收和 发射电磁能量：必须含有检波电路用于将高频电磁能量转换成为直流电源，并且 可以存储或管理能量；必须要有一定的数字电路部分用于存储被识别对象的信息 内容，并可在外部供电的情况下，进行必要的数据处理及输出相关的数据信息。 另外，射频标签必须含有调制电路可以把存储在射频标签内部的被识别对象的相 关数字信息调制到反射的电磁波上。因此，典型的射频标签电路由以下几部分组 成：天线、模拟电路、数字电路以及存储器等。天线用于发射和接收电磁波；模 拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直流能量并将相关信息通过 调制发送出去；数字电路是射频标签的大脑，用于控制相关协议、指令及处理功 能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能。下面将分别说明各部分电 路的特点 一天线 射频标签的天线主要用于接收射频标签的射频能量及信息，并发射射频标签 的相关信息，它是射频标签和阅读器进行数据交换的桥梁，是整个r f i d 系统的源 泉。 按照r f i d 系统的工作方式或工作频段的不同，射频标签的天线一般可分为近 场感应线圈天线和远场辐射天线。 1 近场感应线圈天线通常由多匝电感线圈所组成，电感线圈和与其相并联的 电容构成并联谐振回路以耦合最大的射频能量。一般来讲，感应线圈获取的能量 与线圈的匝数成正比。 2 远场辐射天线主要由电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线所组成。 当使用圆极化天线时常采用微带天线形式实现。远场辐射天线通常是谐振式的， 一般取为半波长。因此，工作频率的大小决定着天线尺寸的大小；天线的大小又 6射频识别标签芯片数字部分的电路设计 常常决定着射频标签的大小：较高的工作频率具有较小的射频标签尺寸。与近场 感应线圈天线相比，其辐射效率较高。作者制作的射频标签阅读器采用近场感应 线圈天线。 二模拟电路部分 模拟电路部分通常包括检波电路和调制电路。检波电路可以将射频能量转换 成直流能量，可获取阅读器发来的相关指令信息；调制电路则是将射频标签的相 关应答信息调制到射频标签接收到的射频信号上，并反射回阅读器。因此，模拟 电路部分主要为数字电路部分提供相关数据( 阅读器指令) 信息和能量源泉，并将射 频标签的应答信息发送给阅读器。 三数字电路部分 射频标签的数字电路部分通常是一个数字电路芯片。其内部包含控制逻辑、 加密逻辑、微处理器( c p u ) 以及数字存储器等组成。数字存储器一般又可分为如下 三类：r o m 只读存储器用于存储操作系统以及为保障其顺利工作所必需的其它指 令；r a m 随机存取存储器用于保存射频标签的唯一序号和存储密码之类的机制； e e p r o m 电可擦除可编程只读存储器用于存储被识别的相关信息，其存储时间可 长达几十年，并且在没有供电的情况下，其数据信息不会丢失。e e p r o m 的主要 缺点是写入信息时需要较高的供电电压，正有被r a m 或f r a m 闪存取代的趋势。 与e e p r o m 相比，f r a m 闪存具有更加适合于r f i d 系统的优良性能。 四阅读器 阅读器终端在射频标签系统中起着桥梁纽带的作用。它通过射频接口对射频 标签进行读写，完成持卡人的认证和交易。如上所述，阅读器与控制器之间通信， 执行控制器的命令，完成数据的上传或下载。阅读器一般还连接有执行器，如门 锁的开关，这时阅读器还要对执行器发出信息命令，使之动作。对于一个非接触 式数据载体的读写操作，一般是严格按照“主从”原则来进行数据交换，这意 味着阅读器和射频标签的所有动作均应有通信协议或软件来控制。因此，在实际 系统中，应用软件作为主动方，而阅读器则作为从动方只对应用软件的读写指令 做出反应，而不自主活动。因此，阅读器的基本任务是启动数据载体( 射频标签) 与其进行数据交换来实现非接触的无线通信，防冲突及身份验证均由阅读器自动 完成。 通常，r f i d 系统的阅读器由以下几部分组成：电源部分、微波信号源、高频 信号处理部分( 包括放大、调制等) 、收发通信、中央处理器以及天线等。所有r f i d 系统的阅读器均可简化为三大基本功能模块：由收发系统组成的高频接口、控制 系统以及和外界其它设备通信用的各种标准接口，如u s b 接口、r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口、与i n t e m e t 连接的网口以及与打印机相连的并口等。在这些部分中，关键的 是射频接口。 第一章绪论 7 一 1 阅读器终端的射频接口部分完成下列任务： ( 1 ) 产生射频发射功率，以启动射频标签电路并为它提供能量； ( 2 ) 对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频标签； ( 3 ) 接受并解调来自射频标签的射频信号。在整个系统的射频接口中有两个分 隔开的信号通道，分别用于射频标签的两个方向的数据流。传送到射频标签中去 的数据通过发送器分支，而来自射频标签的数据通过接收器( 即阅读器) 分支来接 收。 2 阅读器终端的控制单元担负着以下任务： ( 1 ) 与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令； ( 2 ) 控制与射频标签的通信过程( 主一从原则) ； ( 3 ) 信号的编码与解码。 3 对于复杂的系统还有下列附加的功能： ( 1 ) 执行防碰撞算法； ( 2 ) 对射频标签与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密； ( 3 ) 进行射频标签和阅读器之间的身份验证； ( 4 ) 发命令给执行机构，进行相应的动作。 为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为 核心部件。加密逻辑过程，如射频标签与阅读器之间的数据流加密、还有信号编 码，常常是交由附加的a s i c 组件来完成的，以减轻处理器计算密集型过程的负担。 基于性能上的原因，对a s i c 的访问是通过微处理器总线( 面向寄存器的) 实现的。 应用系统软件与阅读器之间的数据交换通常是通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 串口来进 行的。同普通的p c 机一样可以使用n r z 编码( 8 位异步) 。波特率为标准的1 2 0 bd 的倍数。作为通信协议使用的是各不相同的、常常是自定义的协议。也可以采用 网络通信的方式进行上述串口的通信。射频接口与控制单元之间的接口将射频接 口的状态以二进制的形式表示出来。对于a s k 调制的系统，据此可利用射频接口 调制输入端的逻辑“1 来表示“有射频信号 状态，用逻辑“0 来表示“无射 频信号”的状态。 阅读器终端的天线部分用于产生磁通量中，而磁通量用于向射频标签提供电 源并在阅读器和射频标签之间传送信息。因此，对阅读器天线的构造就有了三个 基本的要求： 1 使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量中； 2 功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；、 3 足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波信号。 根据频率范围，使用不同的方法将天线线圈连接到阅读器发送器的输出端， 通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级，或通过同轴电缆来馈送到天线 射频识别标签芯片数字部分的电路设计 线圈。 1 3 射频标签涉及的主要技术 一射频标签的能量供应及防止冲突技术 由于标签的内部不带电池，需要由读写设备通过电磁耦合方式向标签供电， 经过标签内的稳压电路产生芯片工作所需的直流电压，因而标签内的天线需要特 殊设计，以便在交易进行过程中能为标签提供稳定可靠的能量。 作为非接触式标签使用时，当多张射频标签同时进入读卡机的有效操作区时， 可能就会出现误读现象。因而只能允许一张射频标签进入有效状态而使其它的标 签处于休眠方式，再逐一唤醒处理。当一张标签完成操作并且未离开操作区或另 一标签进入时，应该不会对已进入操作区的其它卡有影响。 二信息安全技术 射频标签系统的信息安全体系是系统中极为重要的部分。它涉及通信的安全 和保密、存储数据的安全及工作状态的控制三个方面。射频标签的安全性能的高 低将决定其可在何种场合下的应用。 通信的安全就是要保证信息交换过程数据的机密性、完整性、有效性和真实 性。数据的完整性，可以通过校验和纠错的方法实现：而数据的机密性和有效性 是通过对数据的加解密来实现的，考虑到射频标签的应用所需的安全级别的要求、 硬件可行性，并对实现的难度和保密程度综合考虑后，在射频标签的设计中采用 了流加密的算法；数据的真实性是通过相互认证技术实现的。在交易进行前，阅 读器和射频标签必须首先确认对方的身份，即双方需要进行身份合法性的认证， 然后才能进一步操作。认证是通过阅读器和射频标签双方同时对任意一个相同的 随机数进行某种相同的加密运算，然后判断双方运算结果的一致性来达到认证的 目的。 存储数据的安全是指数据的持久性。数据的持久性是通过存储区域的访问条 件控制和冗余存储实现的。存储区域的访问条件控制防止非法操作出现时对存储 数据的破坏。射频标签在执行阅读器的指令时，首先需要对指令指定的操作对象 的访问条件进行判断，符合条件时，才能执行指令，否则做出错处理。 工作状态指射频标签完成上电复位或执行完某条指令后所处的一种状态，通 过对该工作状态的控制可以使射频标签在执行指令时有更高的安全性。工作状态 可以用标签当前己经满足的条件的集合来表示。如果指令的属性与当前的工作状 态一致，可以对该指令处理，反之按出错处理。 第一章绪论 1 4 本人所做的主要研究工作 9 一 首先对射频标签与阅读器的通讯协议进行了研究，然后对数字电路部分进行 了合理的系统划分，将系统化分为：解码电路，编码电路，c r c 效验电路，存储 单元电路，综合控制电路，以及输出电路等部分。紧接着，根据各个电路实现的 不同功能，完成了各部分电路的设计。同时，对各部分的电路编写了测试代码， 进行了仿真，验证了电路实现的功能。最后，使用了d e s i g nc o m p i l e 进行了电路 的综合，综合所得到的电路全部由标准单元电路构成，不含有锁存器。从而验证 了射频识别卡数字电路部分的设计不仅具有正确的逻辑功能，并且电路设计使用 的代码是可综合的。 l o 射频识别标签芯片数字部分的电路设计 第二章射频标签芯片的系统设计 本章主要介绍射频标签芯片的系统架构，系统状态机制，以及各部分组成电 路的功能。 2 1 系统整体构架及系统状态机制 一系统的构架： 下面是整个系统的整体设计框图： 内部寄存器堆 一厂 厂 二! = 。= ：一= = 0 2 = = = = = 墨= 竺2 ：二2 = = ? 二二- = 图2 1 系统整体框图 为了使框图不过于复杂，图2 1 中省略了一些输入信号和一些连线。例如：存 储单元电路的5 m h z 高速驱动时钟由于功能极其简单，没有在图中画出。又例如中 央控制模块c o n t r o ll o g i c 实际上控制了所有模块和输出信号，不再连线，默认所 有模块的工作都有c o n t r o ll o g i c 模块的参与。所有类似情形下面都将详细说明。 1 数字电路与模拟电路间共有6 个接口。它们是： ( 1 ) 系统初始化信号r s t ( 图中未画出) 。该信号用于将系统中所有的寄存器置位， 使系统开始工作。 ( 2 ) 输入数据d i n 。该信号是天线接受到的信号的包络。有三种波形：连续三个 妻 一祧溉一训 一一姚一训 第二章射频标签芯片的系统设计 脉冲，连续两个脉冲以及单独脉冲，分别表示数字信号1 ，数字信号o 以及 帧信号( 实际上就是纯时钟) 。前两种信号组成命令帧和数据帧，后一种信号用于 在系统无数据输入状态下工作的时钟驱动。其中每个脉冲脉宽约为l u s ，两个相邻 脉冲间隔约l u s ，每4 0 u s 出现一组脉冲。 ( 3 ) 时钟信号c l k 。该信号类似将d i n 通过低通后得到的包络图，每接收到一个 d i n 信号，无论是何种形式的脉冲，c l k 信号都会有一个脉冲。该信号是系统同步 工作的主时钟，其脉宽为数百纳秒，周期约为4 0 u s 。该信号控制绝大部分寄存器 的翻转。 ( 4 ) 辅助时钟信号e l kd ( 图中未画出) 。该信号是时钟信号延时数百纳秒得到， 用于在每个c l k 周期中增加一个子周期，使得系统的在一个时钟周期内可以依次进 行两个步骤的工作，保证系统工作愈输入信号同步。 ( 5 ) 高频时钟信号c l k5 m 。这是一个频率为5 m h z 的高频时钟，在e e p r o m 模块中，电荷泵和读写逻辑都要用高速时钟驱动。 ( 6 ) 输出控制信号d e x 。该信号是数字电路部分唯一的输出信号，用于控制模 拟电路中的调制模块工作。 2 子电路包括： ( 1 ) 校验电路c r c 。协议中规定，一帧数据包括5 位的c r c 校验和一位偶校验。 该子电路主要功能就是在发送数据时给发送数据增加校验位，在接收数据时检验 接受到数据的校验位。 ( 2 ) 存储单元电路。e e p r o m 的读写是一个非常复杂的过程。为此专门设计 了e e p r o m 接口电路，只需给出读写命令、地址以及相关几个参数，就可以完成 对e e p r o m 的读写操作。控制组合逻辑则涉及到了设计中的所有模块。 二系统状态机制 系统以状态机形式工作。对指令的执行通常分成以下三个步骤进行： 1 读入命令帧( 1 7 位) 。此时读卡机发送1 7 位命令帧； 2 读入可选数据字帧( 2 2 位) ( 此步骤可选，仅在某些指令操作过程中需要 出现) 。此时读卡机发送2 2 位数据帧； 3 处理命令和可选数据字。需要的话，发回一定的数据，此时根据需要，读 卡机将发送1 个或者多个帧脉冲。 由于芯片有防碰撞功能，该功能的执行与通常情形的命令处理方式不同。因此， 这里把防碰撞过程也设计为一个独立的工作步骤。 在对芯片进行完所有处理后，允许通过一条命令使得芯片休眠，不再对任何指 令产生反应，为此，设计了一个休眠状态。 每个状态的工作都需要一定的时钟周期进行。其中命令解码状态需要1 9 个周 期，数据解码需要2 2 个周期，防碰撞状态需要1 9 个周期，根据具体情况，指令 1 2射频识别标签芯片数字部分的电路设计 执行状态需要1 到7 2 个周期。寄存器e l kc o u n t e r 用于工作周期计数，在每个状态 开始时，e l kc o u n t e r 被设定为某个值，在时钟上升沿累加l ，经过预定周期后， c l kc o u n t e r 增加到1 2 7 ，系统进入下一状态。信号d a t ac o u n t e r ，c m dc o u n t e r ， n c l ka n t i ，w o r kc o u n t e r 分别记录系统数据解码状态、命令解码状态，防碰撞状 态以及指令执行状态时c l kc o u n t e r 的预设值。过程pc l k c o u n t e r 中对寄存器 pc l kc o u n t e r 进行相关处理。 这样就形成了两层状态机的状态机机制以执行一条指令的工作模式。如图2 2 所示： 图2 2 系统的状态机制 系统共有五个状态分别是指令解码状态( e x p l a i no r d e r ) ，数据解码状态( w a i t d a t a ) ，防碰撞状态( s t a m ic 0 1 ) ，指令执行状态( e x e c u t eo r d e r ) 以及休眠状态 ( s l e e p ) 。图2 3 是系统状态转移图： 图2 3 系统状态转移图 寄存器s t a t e 存储系统的当前状态，信号n e x ts t a t e 标记系统下一状态。在过程 ps t a t e 中对系统工作的状态转移进行处理。 第二章射频标签芯片的系统设计 在各个非休眠状态下的任何错误都会导致系统进入命令解码状态。这样，刚刚 进入读卡机工作范围的卡在读到不完整的命令或者数据帧时，或者因某种原因离 开正常的指令执行状态时，最终都可以回到初始状态而不至于死锁。 2 2 各个部分电路的功能 一解码电路 图2 4 是解码电路输入的四个输入信号。r s t 代表系统重置信号，d i n 为连续的 脉冲输入，c l k 为系统的工作的时钟，c l k d 为c l k 延时数百纳秒的信号。解码指的 是将d i n 信号的连续脉冲数解码为相对应的数据位1 ，0 或者帧标识。 r s t d i n c l k c l k _ d l 一l j _ 一一1 厂一一。l 一一 图2 4 输入信号时序 设计使用寄存器d i nc o u n t e r 对连续脉冲计数，使用信号d i nb i t 标志解码结果。 当时钟和延时时钟都为低时，d i nc o u n t e r 对输入数据d i n 上升沿计数，同时d i nb i t 对d i nc o u n t e r 计数值解码。系统在e l k 上升沿时对解码结果处理，同时将d i nc o u n t e r 清零。在过程pd i nc o u n t e r 中可以看到相关操作。 面2 ，4 定义了输入脉冲计数器d i nc o u n t e r ，以及脉冲计数器解码对应数据位 d i n b i t 。 d i nc o u n t e r 是设计中唯一使用e l k ，e l kd 之外信号触发的寄存器。对于 d i nc o u n t e r 而言，e l k ，e l kd 不是时钟而是清零信号。其原因不难从图3 3 看出。 事实上，可能使用c l kd 作为清零信号就足够了。这里主要担心的是e l kd 延时过 长，以致淹没了d i n 的第一个上升沿。但是c l kd = l 的条件是必须有的，因为 d i nc o u n t e r 必须保留到c l kd 上升沿到来的时刻。图2 5 是一个信号解码的波形。 前面连续三个脉冲表示信号“1 ”，后面连续两个表示“o 。 1 4 射频识别标签芯片数字部分的电路设计 d i n 鞭一几几厂 几厂一 c 瞅 | 1 l 一厂 厂一 非 | 1 | | llil d i n c o u n t e r | 0 = 艇 正二二二二二二二碰二 d i nb i l川 图2 5 输入信号与d i nc o u n t e r 的时序关系 二编码电路 系统在三种情况下会反射脉冲： 1 读数据命令会使得系统反射脉冲； 2 发送1 命令会使得在满足要求时反射脉冲； 3 防碰撞命令会使得系统按照一定方式发送脉冲； 鉴于无论发送任何数据字，其时序完全一致，设计采用的方法是用将要发送的 数据位( 1 或者o ) 与时钟最后一位异或而获得的信号来控制模拟电路是否反射脉 冲。信号d o u tr e a d 就是编码得到的信号，bf i r s tb i t 是一个控制信号，在执行r e a d 指令状态下的第一个时钟脉冲仅仅向c r c 子电路输入一位数据，而不需要编码输 出。c l kc o u n t e r 是时钟计数信号。d o u t 是c r c 电路的输出，r e a d 指令执行时，就 是将这个输出数据编码发送。 上面设计bl a s tc l k 在任何状态的最后一个时钟周期后和解码错误后变为0 ， 这实际上使得该信号在任何状态下的第一个时钟周期内保持为o 。虽然不是所有的 状态第一个时钟周期内该信号必须保持为o ，但这是无害的，不会影响其它状态的 工作。 三c r c 校验电路 一帧数据包括5 位的c r c 校验和一位偶校验。该子电路主要功能就是在发送 数据时给发送数据增加校验位，在接收数据时检验接受到数据的校验位进行效验。 解码在命令解码和数据解码状态下进行。在这两个状态中，串行输入的数据 经过解码存入相应的数据寄存器r e g _ d a t a 和命令寄存r e g _ c m d 中。在数据解码和 命令解码过程中，可以看到相关操作。所谓解码，主要是指帧的最后5 位c r c 校 验码和最后1 位奇偶校验码。图2 6 是校验电路，该电路既可用于编码也可用于解 码。 第二章射频标签芯片的系统设计 ，j r ，一：。：。：? ：；= ：= 孑= _ ：ij - ：一一( m 盈咆队r j ：善0 ”石_ 尹1 ”i _ ：? 。_ ：尹i 6 一i 雾”3 簟：i f | 手4 l 一“- ，：- 1 d ! ，e 园a 矗 i j ：2 0 r 。 一 苎 0 。石，0i 。圣 j 。：，二一一n ! + 一j 一；一一 ； 1 一 一 一，- 一 ：一 韶。f r 一- + 。一一一- ： s e l l e + - - 一- - - ， 一：、一一一石寸否一： ：。 一：5 ，：_ 一”曼嘤芝。二坩 尘， ：一。 l 1 5 图2 6 校验，编解码电路示意图 四存储单元电路 e e p r o m 的读写是一个非常复杂的过程。为此专门设计了e e p r o m 接口电 路，只需给出读写命令、地址以及相关几个参数，就可以完成对e e p r o m 的读写 操作。 本次流片使用的是1 6 位并行e e p r o m ，其使用有以下几个方面的特点： 1 由于设计中需要使用的是1 7 位数据块结构，因此使用两个1 6 位数据字记 录一个1 7 位数据块。因此，任何读操作都需要分两次进行。 2 本次使用的e e p r o m 的写操作需要分两步进行，首先将原有数据擦除， 然后才能将数据写入。这样，写指令执行给定的7 0 个时钟周期将不够用，为此， 在综合控制逻辑中要求对任何位的写操作首先必须写入全零，此时，芯片内部逻 辑会自动地把写入全零的指令解析为擦除操作，然后就可以正常写入期望的数据。 这种安排对写入全零的操作也不会影响，因为在擦除数据后，该数据字的值就是 全零。 3 由于实际上写保护位是用了一个1 6 位数据字来存储的，因此实际上对它 的擦、写操作也必须要7 0 个周期来完成，而给出的9 个时钟脉冲是远远不够的。 为此，在执行对改为的擦、写操作后，必须执行一些与e e p i 的m 操作无关的指令 或者给出足够的帧脉冲( 单个脉冲) 使之完成正常工作。 4 对任何数据位的写操作，必须首先读出该位的写保护位，只有当写保护位 为o 时才允许进行进一步的操作。因此在写指令执行的开始需要进行对写保护位 的读操作。 5 e e p r o m 的前6 个( o 5 ) 数据块为非用户定义数据块，这里存储了卡号 1 6 射频识别标签芯片数字部分的电路设计 和生产厂商信息等重要不可更改信息，但这些数据块与其它数据块的结构形式完 全一致，为此专门设计了对这些数据块的写操作逻辑。设计逻辑当e e p r o m 第0 个数据块数据为0 x 0 0 f f 时，前6 个数据块均不可写，为此，在对这些数据块的写 操作时，会自动增加对第0 个数据块的读操作。 6 读操作的时间为1 9 个时钟周期，但是实际上本次使用的e e p r o m 在一个 时钟内就可以全部读出1 6 位数据。为此，将多余的时钟周期空置，预留给之后可 能会使用到的串行e e p r o m 。 根据e e p r o m 接口电路设计文档，e e p r o m 接口电路控制信号主要有如下几 个： 表2 1e e p r o m 接口电路 名称i o功能 e e _ d a t ai n ( 1 5 ：0 ) i 写入数据，1 6 b i t s e e _ d a t a _ o u t ( 15 ：0 1 o 读出数据，1 6 b i t s e er e a di 读信号 e ew r i t ei 写信号 e ea d d r ( 7 ：0 )i 地址信号，其中每个地址对应一个1 6 b i t s 数据单元，以及 一个标志位单元( 1 6 b i t s ) w r i t e _ s t a t e ( 1 ：0 1 i 读