（微电子学与固体电子学专业论文）超高频无源rfid标签数字电路后端设计.pdf

摘要 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 ) 技术，即射频识别技术是随着大规模集 成电路技术的发展与成熟而逐渐兴起的一项自动识别技术。它是集计算机技术、 信息采集处理技术、无线数据传输技术和自动控制技术等多学科综合应用为一体 的系统。r f i d 芯片具有体积小、容量大、成本低、抗干扰能力强、识别时间短 等诸多优点，随着该技术的不断发展，其应用领域正日益扩大，已成为当前的热 点研究领域，具有广泛的应用前景。 本文主要是对符合i s o i e c18 0 0 0 6t y p e c 标准的u h fr f i d 电子标签数字 电路进行了后端设计。首先系统论述了r f i d 的系统组成及其基本工作原理，并 对相关协议标准进行了简单的介绍。然后详细的论述了标签数字电路的布局布线 和验证。其中布局布线采用s y n o p s y s 公司的a s t r o ，具体包括：布局规划、电源 规划、时序约束设置、时钟树综合和布线等。验证部分主要论述了基于s t a r - r c x t 的寄生参数抽取，以及后续的静态时序分析和形式验证。此外，本文还论述了 r f i d 不同版本布局布线之后的动态仿真。向f o u h d r y 提交g d s i i 版图文件之前， 对版图进行了d r c 、l v s 验证，确保提交数据的准确无误。 分别采用c h a r t e r e d0 3 5 i t r nc m o s 工艺和c h a r t e r e d0 18 1 a mc m o s 工艺进行 流片，最终完成了符合i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p e c 标准的低功耗高性能无源u h f r f i d 标签芯片，并对基于c h a r t e r e d0 3 5 1 a mc m o s 工艺流片之后的标签芯片进 行了性能测试，其中数字部分面积为6 7 2 6 7 0 u m 2 ，测试结果表明，该超高频射 频识别标签芯片工作在9 1 5 m i - i z ，芯片数字部分的测试结果与仿真结果基本一 致，很好的满足了设计指标的要求。 关键词：射频识别，标签芯片，物理设计，布局布线，静态时序分析 a b s t r a c t 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 ) t e c h n o l o g y , a sa na u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , i sd e v e l o p e dw i t ht h em a t u r i t yo fl a r g es c a l ei n t e g r a t i o no fc i r c u i t s i ti sa s y s t e mt h a ti n t e g r a t e ss o m el a t e s tt e c h n o l o g y , s u c ha sc o m p u t e rs c i e n c e ，i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a u t o m a t i cm e c h a n i c sa n de r e r f i dc h i p sh a v e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，h i g hv o l u m e ，l o wc o s t , h i g hi n t e r f e r e n c er e s i s t a n c e ，s h o r t r e c o g n i t i o nt i m ea n ds oo n ，s ow i t ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，i t sa p p l i c a t i o n sa r e m u l t i p l y i n gr a p i d l y r f i di sb e c o m i n gah o tt o p i c ，a n dh a sv e r yw i d ea p p l i c a t i o n f i e l d s t h eb a c k e n dd 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 ) r f i dt a gd i g i t a l p a r tt h a tb a s e do ns t a n d a r do fi s o i e c18 0 0 0 - 6t y p e ci sr e s e a r c h e di n t h i s d i s s e r t a t i o n f i r s t , t h er f i 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 sa r ed i s c u s s e d ，a n d t h er e l e v a n tp r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ep l a c ea n dr o u t ea n dv e r i f i c a t i o no f t h ed i g i t a lc i r c u i ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h e d i g i t a lc i r c u i t sp l a c ea n dr o u t e i s i m p l e m e n t e dw i t hs y n o p s y sa s t r o ，i n c l u d i n gf l o o r p l a n n i n g ，p o w e rp l a n n i n g ，t i m i n g s e t u p ，c t s ，r o u t i n ga n de t c t h ev e r i f i c a t i o na f t e rp l a c ea n dr o u t eo ft h ed i g i t a lc i r c u i t i n c l u d e sp a r a s i t i ce x t r a c t i o nw i t hs t a r - r c x t , s t a t i ct i m i n ga n a l y s i sw i t hp r i m e t i m e ， f o r m a lv e r i f i c a t i o nw i t hf o r m a l i t y i na d d i t i o n ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ed i g i t a l c i r c u i ta f t e rp l a c ea n dr o u t ei sa l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r b e f o r es i g n i n go f f , t h e d r ca n dl v sc h e c ki sd o n ef o rt h el a y o u tf i l e t h eu h fr f i dt r a n s p o n d e ri ci sf a b r i c a t e dw i t hc h a r t e r e d0 35 9 r nc m o s p r o c e s sa n dc h a r t e r e d0 18 r t mc m o sp r o c e s sr e s p e c t i v e l y , w h i c hi sc o m p a t i b l ew i t h t h ei s o i e c18 0 0 0 - 6t y p e cs t a n d a r d t h ea r e ao ft h ed i g i t a lp a r ti s6 7 2 6 7 0 u m 2 t h et e s t i n gr e s u l t sf o r0 3 5 u mt a gc h i ps h o wt h a tt h ec h i pw o r k sa t9 15m h z ，t h e d i g i t a lp a r t sa r e ai s6 7 2 6 7 0 u m 2 ，i t sf u n c t i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，m e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s k e yw o r d 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 n ，t r a n s p o n d e rc h i p ，p h y s i c a ld e s i g n ， p l a c ea n d r o u t e ，s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s 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，也不包含为获得鑫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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：召宁日冈竭 签字日期：叩7 年厂月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗基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：研即晦 签字日期：加7 年厂月夕日 导师签名： 签字日期：州年月多日 l 第一章绪论 1 1 射频识别概述 第一章绪论 r f i d 是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 的缩写，即射频识别，俗称电子标签。 r f i d 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标 对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。r f i d 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。它是一种简单 的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一 个询问器( 或阅读器) ，天线和很多应答器( 或标签) 组成。 不同频段的r f i d 产品会有不同的特性，目前定义r f i d 产品的工作频率有 低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品，而且不同频段 的r f i d 产品会有不同的特性。其中标签有无源和有源两种方式。 射频识别技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面它的成功应用 反过来又极大地促进了应用需求的扩展。从应用角度来说，射频识别技术的发展 目的在于不断满足日益增涨的应用需求；从技术角度说，射频识别技术的发展体 现在若干关键技术的突破，所涉及的关键技术包括芯片技术、天线技术、无线收 发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性等。随着技术的不断进步，射频识 别产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计，在未来的几年中， 射频识别技术将持续保持高速发展的势头，其将在射频标签、识读器、系统种类 等多方面不断取得新进展。 1 2 射频识别技术的工作频段与主要应用 电子标签作为数据载体，能起到标识识别、物品跟踪、信息采集的作用。电 子标签、读写器、天线和应用软件构成的r f i d 系统直接与相应的信息管理系统 相连。每一件物品都可以被准确地跟踪，这种全面的信息管理系统能为其应用者 带来诸多的利益，包括实时数据的自由采集、安全的数据存取通道、离线状态下 就可以获得所有产品信息等等。电子标签基于低成本的设计和制造工艺，可广泛 用于工业生产和日常生活的各个方面【引。射频识别作为一种新兴的自动识别技 术，在中国拥有巨大的发展潜力。 一、低频( 从1 2 5 k h z 到1 3 4 k h z ，该频段的波长大概为2 5 0 0 m ) 1 4 其实r f i d 技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感 第一章绪论 耦合( 图l 一1 ) 的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压 器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作 供电电压使用。磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。 图1 1 电感耦合 主要应用： 1 畜牧业的管理系统。 2 汽车防盗和无钥匙开门系统的应用。 3 马拉松赛跑系统的应用。 4 自动停车场收费和车辆管理系统。 5 自动加油系统的应用。 6 酒店门锁系统的应用。 二、高频( 工作频率为1 3 5 6 m h z ，该频率的波长大概为2 2 m ) 在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制 作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载 电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天 线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些 数据就能够从感应器传输到读写器。 主要应用： 1 图书管理系统的应用。 2 瓦斯钢瓶的管理应用。 3 服装生产线和物流系统的管理和应用。 4 三表预收费系统。 5 酒店门锁的管理和应用。 6 大型会议人员通道系统。 7 固定资产的管理系统。 三、超高频( 工作频率为8 6 0 m h z 到9 6 0 m h z 之间，该频段的波长大概为3 0 c m 左右1 2 第一章绪论 超高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的 区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10 m 左右。主要是 通过电磁反向散射( 如图1 - 2 所示) 的方式进行实现。 图1 2 电磁耦合 主要应用： 1 供应链上的管理和应用。 2 生产线自动化的管理和应用。 3 航空包裹的管理和应用。 4 集装箱的管理和应用。 5 铁路包裹的管理和应用。 6 后勤管理系统的应用。 1 3 射频识别技术的历史、现状与发展前景 尽管r f i d 技术在近几年才逐步开始实现广泛应用，其技术本身还在不断发 展与完善之中，但该技术的历史却可以追溯到二十世纪四十年代。1 9 4 8 年，h a r r y s t o c k m a n 发表的“c o m m u n i c a i t o nb ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r ”旧。一文奠定了 r f i d 的理论基础。在此后的半个多世纪中，射频识别技术的发展经历了以下几 个阶段1 6 j ： 1 9 4 0 - - 1 9 5 0 在对雷达进行改进和应用的基础上产生r f i d 技术，1 9 8 4 年 h a r r ys t o c k m a n 发表了“c o m m u n i c a i t o nb ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r ”一文奠定 了r f i d 技术的理论基础。 1 9 5 0 1 9 6 0r f i d 技术的早期探索阶段，主要处于进行实验室研究方面。 1 9 6 0 1 9 7 0r f i d 技术的理论获得了进一步发展，开始进行基础的应用实 验。 1 9 7 0 1 9 8 0r f i d 技术进一步发展，加速进行有关测试与实验，并开始出 现早期的r f i d 应用。 第一章绪论 1 9 8 0 - - , - 1 9 9 0r f i d 技术及产品进入主流商业应用阶段，开始出现成规模的 商用。 1 9 9 0 - - 2 0 0 0r f i d 技术的相关标准开始出现，广泛开发r f i d 产品，r f i d 产品开始逐渐进入人们生活的每个领域。 2 0 0 0 目前r f i d 标准化问题日趋为人们所重视，对r f i d 技术进行进一 步的开发与研究，r f i d 产品种类日益丰富，其成本不断降低，应用规模与领域 不断扩大，r f i d 进入快速发展时期。 在发达国家，由于r f i d 工作起步比较早，在标准、技术、产业链以及应用 方面都已相当完备并且仍在不断发展中。在核心技术，尤其是芯片技术上，发达 国家目前已提供了相对完备的产品线，并且由于技术的不断进步，电子标签工艺 的提升，其成本不断降低，应用发展进入了一个良性循环。 目前国际上r f i d 应用以l f ( 低频) 和h f ( 高频) 标签产品为主，m w ( 微波频 段) 标签在部分国家已经得到应用。u h f ( 超高频) r f i d 技术则因为其识别距离 远、识别速度快、有较强的防冲突能力而被主要用于物流和供应链管理上，并且 得到了沃尔玛、麦德隆、i b m 等国际大公司大力推动，发展十分迅速。这个频 段的r f i d 技术无疑是所有频段的r f i d 中使用最广泛，用量最大的领域。因此， 尽管u h f 标签刚刚开始规模应用，但由于其具有可远距离识别和低成本的优势， 有望在未来五年内应用于需求量巨大的物流领域，从而最终成为r f i d 的主流。 r f i d 系统的全球销售额在2 0 世纪末已超过2 0 亿美元，并且这一市场正在 不断地扩大。我国每年在r f i d 技术方面的生产和销售总额已经超过4 0 亿元人 民币，年增长率超过3 0 。r f i d 技术和产品市场在未来几年的时间内仍将处于 高速成长期，随着r f i d 标签成本的不断降低，国内外r f i d 设计公司不断加大 力度进行研制，它在许多领域将获得更加广泛的应用，其市场容量会急剧扩大。 目前，u h fr f i d 产品在国内市场应用主要集中在停车场、公交、路桥收费和烟 草物流等中高端项目。但是，我国在u h fr f i d 技术应用方面的基础仍很薄弱， 应用较为分散，缺乏规模优势。不过，我国食品药品管理局、解放军总后勤部和 总装备部、各大零售公司等各个政府部门及企业都对u h fr f i d 产品相当关注。 作为全球制造基地，我国每年都有大量的产品出口，沃尔玛每年有6 0 的产品在 我国采购，还在深圳建立了全球采购中心，其他的零售巨头如家乐福、麦德龙、 特易购( t e s c o ) 等都在我国建立了采购中心，而这些零售业巨头又均是u h fr f i d 技术的极力推崇者，必将会率先在全球采用u h fr f i d 技术。易观国际发布的 ( ( 2 0 0 6 年第4 季度中国r f i d 市场季度监测显示，2 0 0 6 年第4 季度国内r f i d 市场整体规模达到了8 7 2 亿人民币，与2 0 0 5 年同期相比增长4 1 3 。据市场调 查公司i dt e c h e x 发布的报告预测，r f i d 市场将迎来新一轮的发展高峰，到2 0 0 8 4 第一章绪论 年，u h fr f i d 标签需求量预计将达到2 0 0 5 年的3 6 4 倍，市场规模将会超过7 0 亿美元【刀。 在过去十年间，全世界共申请了超过6 0 0 0 项关于r f i d 技术的专利，大部 分集中在美、欧、日等发达国家和地区。目前r f i d 的核心技术主要掌握在美国、 瑞典、韩国、德国、日本等国家的一些大型企业集团手中，如c h e c k p o i n t 、i b m 、 微软、飞利浦、n o k i a 、a v e r yd e n n s i o n 、富士、东芝等，国际大公司纷纷加入 r f i d 相关技术的研究、开发、应用及专利申请之中。在已公开授权的r f i d 相 关技术专利中，国内申请的比较少，只占大约1 7 。目前，一些科研院所和大学 已开始r f i d 技术的相关研究，中科院、复旦大学、清华大学、天津大学等单位 已经进行了有关r f i d 产品和技术的研制和开发工作1 & 1 1 】。 1 4 射频识别技术的发展所面临的挑战 近年来，随着r f i d 技术在全世界应用范围的不断扩大，其一方面受到应用 需求的驱动，另一方面该技术的成功应用反过来又极大地促进了应用领域的不断 扩展。因而，其自身发展也面临着日益增加的诸多挑战： ( 1 ) 应用环境的影响： r f i d 技术的应用受其周边环境的影响很大，例如水和金属会影响信号的通 讯，水对r f 信号有着极强的吸收作用，而金属则对r f 信号有着很强的反射作 用。因此，不同种类的产品和r f 信号之间的交互作用是不同的。例如，一货盘 金属易拉罐饮料与一货盘面包，其对r f i d 标签的影响作用是完全不同的，开发 人员必须为不同种类的产品设计和选择最为适合的r f i d 技术解决方案。此外， 标签的摆放位置也会对其自身极化方向产生影响，进而对识别距离产生极大影 响。 ( 2 ) 信息安全与隐私保护： 从理论上讲，任何人都可以实现对r f i d 标签的远距离识别和信息阅读，甚 至是信息写入，这就直接导致了信息安全与隐私保护问题。目前，针对这一问题， e p c g l o b a l 和i s o 已经在其最新制定的r f i d 标准中包含有“k i l l ”命令，通过使 用该命令可以使r f i d 丧失功能，使得阅读器无法对标签内的数据信息进行操作。 i b m 公司也开发出一种称为“裁剪标签”( c l i p p e dt a g ) 的技术，消费者可以将 r f i d 标签的天线扯掉或刮除，使得标签不能被随意读取，从而使得信息受到保 护。在我国正在推广使用的第二代公民身份证( 符合i s o1 4 4 4 3 标准) 中则采取 了加密模块保护的方式，通过专用阅读器才能读取身份证中的公民信息，从而使 公民的隐私获得保护。在未来，随着r f i d 应用范围的不断扩展，信息安全与隐 私保护问题将变得愈来愈重要。 第一章绪论 ( 3 ) 低功耗问题： 开发低功耗的r f i d 标签不仅可以扩展标签的使用距离，还可以延长标签的 使用寿命，进而降低整个系统的成本。随着低功耗i c 技术的进一步发展，必将 推动低功耗小型无源r f i d 标签的研发。 h ) 快速多标签读写性能 在物流领域内，经常会出现大量物品需要同时进行识别的情况，这是就需要 采用适合于多标签快速同时读写的系统通信协议，以便实现多标签快速读写。 6 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 2 1r f i d 系统的组成与工作原理 2 1 1r f i d 系统的组成 一套完整的r f 系统，是由阅读器( r e a d e r ) 与电子标签( t a g ) 也就是 所谓的应答器( t r a n s p o n d e r ) 厦应用软件系统三个部分构成，其工作原理是： r e a d e r 发射特定频率的无线电波能量给t r a n s p o n d e r ，用以驱动t r a n s p o n d e r 电 路，将内部的数据送出，此时r e a d e r 便依序接收解读数据，送给应用程序做相 应的处理。如图2 - l 所示。 釜是匿 、 嚣蟹什弛。， 图2 - ir f i d 基本模型圉i i q 一电子标签 标签( 即应答器) 是r f i d 系统的核心部分，其主要作用是存储相关的识别 信息，并与阅读器之间实现通信，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。 l 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 甚至可以达到几十米【”l ，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：内部没有电她，主要通过接收阅读器发出的r f 信号，将r f 电磁渡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 方式与阅读器实现通信。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 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 理、仓储管理、零售业等领域有着广泛的应用，其工作距离般不会超过 1 0 m t l 4 - 1 6 1 。 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 1 。7 1 ，可以有效替代有源标签， 成为r f i d 电子标签一个新的研究领域。 二阅读器 阅读器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。阅读器读出的标签 信息可以通过计算机以及应用软件系统进行管理和信息传输。阅读器根据使用的 结构和技术不同可以是读或读写装置，是r f i d 系统信息控制和处理中心。阅读 器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间 一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供 能量和时序。在实际应用中，可进一步通过i n t e r n e t 或w l a n 等实现对物体识 别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是r f i d 系统的信息载体， 目前应答器大多是由耦合原件( 线圈、微带天线等) 和微芯片组成无源单元。 阅读器通常包含( 图2 2 ) ： 夭线切换 l 一凰一一一! ? 二_ 二_ 二_ 三= 三= 三= 三i 图2 - 2 阅读器系统原理图 天线：用来发送无线信号给t a g ，并接收由t a g 反射回来的资料。 系统频率产生器：产生系统的工作频率。 相位锁定回路( p l l ) ：产生射频所需的载波信号。 调制电路：把要送给t a g 的信号加载到载波并送给射频电路发射。 微处理器：产生要送给t a g 的信号给调制电路，同时译码t a g 回送的信号， 并把所得的资料回传给应用程序，若是加密的系统还必须做加解密操作。 回 第二章r f i d 的工作原理与协议介招 内存：存储用户程序和资料。 解调电路：解调t a g 送过来的微弱信号，再送给微处理器处理。 外设接口：用来和计算机联机。 三应用软件系统 在射频识别系统中，应用软件系统通常用于对资料进行管理，完成通信传输 功能。阅读器可以通过标准接口与计算机连接，以便实现通讯和数据传输功能。 应用软件系统通常包含：硬件驱动程序( 连接、显示及处理卡片阅读器操作) 、 控制应用程序( 控制卡片阅读机的运作，接收读卡器所回传的资料，并做出相应 的处理，如开门、结帐、派遣、记录等) 、数据库( 储存所有t a g 相关的数据， 供控制程序使用) 。 2 12 r f i d 的工作原理 r f i d 的基本工作原理是：标签进入磁场后。如果接收到阅读器发出的特殊 射频信号就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息( 即 p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号( 即a c t i v e t a g 有源标签或主动标签) ，阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的 电子数据从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射 频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息， 被阅读器读取并解码后进行有关处理。 j 一一i 二 凳r 霪：颂堑 = 晦簪 1 ；_ p 书錾二 国2 - 3 负载调制和反向散射调制 射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现，按照通 信距离，可以划分为近场和远场。相应地读写器和电子标签之间的资料交换方 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 式也被划分为负载调制和反向散射调制( 如图2 3 所示) 。 一负载调制 近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。在这种情况下， 读写器和电子标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型，称之为负载调 制。负载调制实际是通过改变电子标签天线上的负载电阻的接通和断开，来使读 写器天线上的电压发生变化，实现用近距离电子标签对天线电压进行振幅调制。 如果通过数据来控制负载电压的接通和断开，那么这些资料就能够从电子标签传 输到读写器了。这种调制方式在1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 射频识别系统中得到了广 泛应用，识别作用距离小于l m ，典型作用距离为1 0 - - - - 2 0 c m 。 二反向散射调制 在典型的远场，如9 1 5 m h z 和2 4 5 g h z 的射频识别系统中，读写器和电子 标签之间的距离有几米，而载波波长仅有几到几十厘米。读写器和电子标签之间 的能量传递方式为反向散射调制。识别作用距离大于l m ，典型作用距离为3 1 0 m 。 反向散射调制是指无源射频识别系统中电子标签将资料发送回读写器时所 采用的通信方式。电子标签返回资料的方式是控制天线的阻抗，控制电子标签天 线阻抗的方法有很多种，都是一种基于“阻抗开关”的方法。 在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来 实现数据的交换。因此，在r f i d 工作的空间通道中存在三种事件模型：以能量 提供为基础的事件模型，以时序方式实现数据交换的事件模型，以数据交换为目 的的事件模型。下面分别给以说明。 读卡器向电子标签提供工作能量。对于无源标签( 被动标签) 来讲，当标签离 开射频识别场时，标签由于没有能量的激活而处于休眠状态。当标签进入射频识 别场时。读卡器发射出来的射频波激活标签电路，标签通过整流的方法将射频波 转换为电能存储在标签中的电容里，从而为标签的工作提供能量，完成数据的交 换。对于半有源标签来讲，射频场只起到了激活的作用。有源标签( 主动标签) 始 终处于激活状态，处于主动工作状态，和读卡器发射出的射频波相互作用，具有 较远的识读距离。 时序指的是读卡器和标签的工作次序问题。也就是读卡器主动唤醒标签( 相 当于读卡器发出“你在哪里，你在哪里? ”的询问。( r e a d e rt a l kf i r s t ，r t f ) ， 这时标签首先自报家门( 相当于标签一直在呼唤“我在这里，我在这里。”t a gt a l k f i r s t ，r r f ) 。对于无源标签来讲，般是读卡器先讲的形式；对于多标签同时识 别来讲，可以采用读卡器先讲的形式，也可以是标签先讲的形式。对于多标签同 时识别，“同时”也只是相对的概念。为了实现多标签无冲撞同时识别，对于读 1 0 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 卡器先讲的方式，读卡器先对一批标签发出隔离指令，使得读卡器识别范围内的 多个电子标签被隔离，最后只保留一个标签处于激活状态与读卡器建立无冲撞的 通信联系；通信结束后命令该标签进入体眠，指定一个新的标签执行无冲撞通信 指令，如此重复。完成多标签同时识读。对于标签先讲的方式，标签随机地反复 发送自己的识别i d ，不同的标签可在不同的时间段被读卡器正确读取，完成多 标签的同时识读。 读卡器和标签之间的数据通信包括读卡器向标签的数据通信和标签向读卡 器的数据通信。 在读卡器向标签的数据通信中，又包括离线数据写入和在线数据写入。无论 是只读射频标签还是可读写的射频标签，都存在离线写入的情况，这是因为，对 于任何一只射频电子标签来讲，都具有惟一的i d 号，这个i d 号对于一只标签 来讲，是不可更改的。这样的i d 号码可以在标签制造时由工厂固化写入( 工厂编 程) ，终身不变。但是，无论哪种写入方式，i d 号一旦写入，就不能在r f i d 系 统中更改。i d 号的写入也可以是非接触方式的写入。对于数据的在线写入来讲， 指的是可写标签。射频标签的可写性能对系统提出了很高的技术要求，要求具有 较大的能量、较短的写入距离、较慢的写入速度、较低的数据写入速率、较复杂 的写入校验过程等。这样就在较大程度上提高了射频标签的成本，也在某种程度 上增加了标签数据的安全隐患。从目前市场上的射频系统来看，可读写的标签系 统并不多，而且写入性能也不是很高。因此，在大多数应用场合，使用的都是只 读r f i d 系统，都是运用后台来支持标签的数据属性的。 对于标签向读卡器的数据通信过程，其工作方式包括以下两种： ( 1 ) 标签收到读卡器的射频能量时，即被激活并向读卡器反射标签存储的数 据信息； ( 2 ) 标签被激活后，根据读卡器指令转人数据发送状态或体眠状态。 在这两种工作方式中，前者属于单向通信，后者属于半双工双向通信。 电子标签与阅读器构成的射频识别系统是为应用服务的，应用的需求可能多 种多样，各不相同。阅读器与应用系统之间的接口通常用一组可由应用系统开发 工具调用的标准接口函数来表示。 2 2u i - i fr f i d 标准简介 目前，国际上已形成e p c g l o b a l 、日本的泛在识别中心( u b i q u i t o u si dc e n t e r ， u i d ) 、i s o a e c 、a i m g l o b a l 以及i p x 等五个r f i d 技术标准组织，分别代表了 不同国家或团体的利益，其中以e p c g l o b a l 、u i d 和i s o d e c 为三个最主要的r f i d 技术标准体系组织。 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 一e p c g l o b a i 标准分析 e p c g l o b a l 是由北美产品统一编码组织( u c c ) 和欧洲产品标准组织( e a n ) 联合成立的，在全球拥有上百家成员，获得了多家跨国公司的支持。e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ，即电子产品编码) 是指给每个商品提供一个唯一的编 码，来对所有的货品和物品进行标识。e p c 采用一组编码来代表制造商及其产品， 并采用另外一组数字来唯一地标识单个商品。e p c 是唯一存储在r f i d 标签芯片 内的信息，这样一来可以简单地实现对商品进行追踪和追溯，并能够保持低廉的 成本和灵活性。通过e p c 识别商品后，获得与之有关的数据，并建立起用户驱 动的供应链网络，通过互联网对其进行检索，从而在供应链管理领域降低缺货率、 减少产品和原材料库存，以及对产品供求进行预测等【1 8 】。 二i s o f l e c 标准分析 国际标准化组织( i s o ) 是世界最大、最有权威的非政府性国际标准化专门 机构，其成立于1 9 4 7 年，该组织是一个由国家标准化机构组成的、世界范围的 标准联合体。而国际电工委员会( i e c ) 成立于1 9 0 6 年，是世界上成立最早的 国际性电工标准化机构，总部设在日内瓦，主要负责有关电气工程和电子工程领 域中的国际标准化工作。根据1 9 7 6 年i s o 与i e c 的协议，两组织都是法律上独 立的组织，i e c 主要负责有关电工、电子领域的国际标准化工作，其他领域则由 i s o 负责。目前，i s o i e c 已经制定了一系列r f i d 标准，可分为技术标准、数 据结构标准、性能标准以及应用标准等。 i s o f i e c1 8 0 0 0 是当前比较新的一系列r f i d 标准，可用于商品的供应链， 其包含了有源和无源r f i d 标准，主要规定了基于物品管理的r f i d 空中接口技 术，但对数据内容和数据结构未作限制。该标准包括了标签和阅读器之间的信号 形式、多标签防碰撞协议、命令格式等，为所有标签和阅读器之间的通信命令提 供了全面的定义。空中接口通信协议定义了阅读器与标签之间进行命令和数据交 换的机制，即阅读器向标签发送的命令和标签返回给阅读器的响应。i s o d e c 1 8 0 0 0 系列标准涵盖了常见的r f i d 应用频段，如1 2 5 1 3 4 2 k h z 、1 3 5 6 m h z 、 4 3 3 m h z 、8 6 0 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。其中i s o h e c1 8 0 0 0 6 定义了 8 6 0 9 6 0 m h z 的空中接口通信协议参数，规定了时序参数、信号特性、标签与阅 读器之间通信的物理层架构、协议和指令，以及多标签读取时的防碰撞方法。目 前已有t y p ea 、b 、c 三种标准。本文标签的设计就是基于i s o f l e c18 0 0 0 6t y p e c 标准。 国内r f i d 技术与应用的标准化工作比国际上晚4 5 年的时间，2 0 0 4 年2 月中国国家标准化管理委员会宣布成立电子标签国家标准工作组，负责起草、制 定中国相关的电子标签国家标准。经过几年的工作，于2 0 0 7 年4 月公布了 1 2 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 8 0 0 9 0 0 m h z 频段的相关频率标准，规定工作频率为8 4 0 8 4 5 m h z 和 9 2 0 9 2 5 m h z ，对发射功率( e r p ) 的规定8 4 0 5 8 4 4 5 m h z 、9 2 0 5 9 2 4 5 m h z 为2 w ，8 4 0 8 4 5 m h z 、9 2 0 9 2 5 m h z 为1 0 0 r o w ，从而解决了最为重要的工作频 率问题，但尚需进一步制定更为详细的空中接口通信协议参数。 2 3i s o i e c18 0 0 0 6t y p ec 标准简介 i s o h e c18 0 0 0 6t y r p ec 标准具有以下几个特点：符合全球各国超高频段的 规范，标签工作频率在8 6 0 9 6 0 m h z 范围内；可靠性强，不管标签是先来还是后 到，都能立刻辨认；可迅速适应变化无常的标签群；可在密集的读写器环境里工 作；标签的单选( s i n g u l a t i o n ) 速度高：单选率在北美可达每秒1 5 0 0 个标签；在 欧洲可达每秒6 0 0 个标签；安全性和保密性强，协议允许两个3 2b i t 的密码，一 个用来控制标签的读写权，一个用来控制标签的禁用销毁权，并且读写器与标 签的单向通信采用加密；标签内存采用可延伸性记忆。原则上用户可有无限的内 存。 2 3 1 读卡器与标签之间的数据交换过程 一个读卡器通过以下三种操作对标签群进行管理( 图2 4 ) - 读出器标签 杖吾 就绪 经裁 应答 确认 开欣 保护 第巧 图2 4 询问机标签操作和标签状态 选择( s e l e c t ) ：读卡器从标签群里选择出一个标签进行盘存和访问。选择命 令集由一个命令构成，即：s e l e c t 。 盘存( i n v e n t o r y ) ：在一个s e s s o i n 里，读卡器通过发送一个q u e r y 命令来开 始一个盘存周期，可能会有多个标签应答，但是阅读器只探测一个标签的应答， 并要求该标签返回其存储器中的 p c ，u i i ，c r c - 1 6 。盘存命令为：q u e r y ， q u e r y a d j u s t ，q u e r y r e p ，a c k 和n a k 。 访问( a c c e s s ) ：这一过程完成对标签内容的读写。在访问标签之前，这个 标签必须已经被唯一的识别。访问包括多条命令，其中有一些命令采用加密措施。 第二章r f i d 的工作原理与协议介绍 访问命令为：r e q _ r n ，r e a d ，w r i t e ，k i l l ，l o c k ，a c c e s s ，b l o c k w r i t e 和b l o c k e r a s e 。 诲问执 标签 r 订馆闫撬发送口娜籼仃删档 一 致驰椭龠令 l ! l 瓣8 的 r 习询霹机发逐包舍栩两脯6 豹 - k l 瑚膏令 口莩嚣黧皴各访目命令以訇i 魄参数 连： 一一杀藿韩参中显彖c 嚣一1 6 一一翦关螽令的潮混晚溏参见靠令，应番表 两个可就产生的结集： 团i ) t t l = 0 ：标签以啪6 应簪 2 憎 o ：无应蔷 。两竹驰铲蝴集： u ”育铍e 1 1 1 6 ：标釜以漩玳】昭 2 ) 是效1 1 1 1 1 6 ：无匿善 _ 两个可i 翻尊【生目挞曩： 凹1 ) 有皴勰1 6 ：标签以 句i 丙 皮答 2 无皴 q p 6 ：无应答 团旌授验铺釉断哦， 程忽略h 令 图2 5 标签的盘存和访问 如上图2 5 所示，表示一次完整的读卡器与标签的数据交换过程，首先标签 进入射频场后处于就绪状态并保持其就绪状态直至收到其已盘参数( q u e r y 命令 规定的通话的已盘参数) 和s e l 参数与其当前标记值匹配的q u e r y 命令。匹配标签 应从其r n g 中抽出q 位数，将该数字载入其槽