（电子科学与技术专业论文）电子标签芯片射频接口电路研究与设计.pdf

国防科学技术大学研究生院丁学硕十学位论文 a b s t r a c t 1 1 他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 ) i so n e o f t h em o s tc o n l i n o nt e c h n o l o g y o fa u t o i d e n t i f i c a t i o n i th a st h ea d v a n t a g e so fn o n - c o n t a c t , e a s yo p e r a t i o n , r a p i d r e a d w r i t es p e e da n dh i g hs e c u r i t y a n di ti sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h er f i dh a s e n o r m o u sm a r k e tv a l u e ，b u to l l l r f i dt e c h n o l o g yf a l l sb e h i n d ，t h er e s e a r c ha n dd e s i g n o f t h er f i dt a gi sv a l u e a b l e t h er fi n t e r f a c ec i r c u i ts t u d i e di nt h i st h e s i ss t a d i e si st h eb r i d g eo fd i g i t a lp a r to f t h er f i dc h i pc o m m u n i c a t i o n 谢t ht h ee x t e r n a ie n v i r o n m e n t t h ed e s i g no ft h er f i n t e r f a c ec i r c u i to f h i g hr e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c ei sap r e r e q u i s i t ew h e t h e rr f l dc h i p w o r kn o r m a l l y0 1 n o t t h et h e s i sd e s i g n sa l lr fi n t e r f a c ec i r c u i t i ti so p t i m i z e df r o mm u l t i l e v e l so f s t a n d a r d , p r i n c i p l e ，l o g i cs t r u c t u r o , c i r c u i tp a r a m e t e r sa n dp h y s i c a ll a y o u t ，a n dg a i n s h i g hp e r f o r m a n c eu s i n go 3 5 岫e e p r o mt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m ew ec r e a t a s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ea n t e n n ai n t e r f a c e ，w h i c hp l a y sa r ti m p o r t a n tr o l ei n t h e s i m u l a t i o no ft h er fi n t e r f a c ec i r c u i t b yc o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o n w e 石n dl h a tt h e r fi n t e r f a e ec i r c u i tc o m p l i e sc o m p l e t e l yw i t ht h ei s o i e c1 5 6 9 3s t a n d a r d sa n dh a s h i g hp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y t h er e s e a r c hr e s u l t so f t l l et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 、r e s e a r c h e so nt h er e l e v a n tp a r to ft h ei s o i e c1 5 6 9 3r f i ds t a n d a r dt or f i n t e r f a c ec a r e f u l l y , a n da n a l y z e se n e r g yt r a n s m i ta n ds i g n a li n t e r f a c eo f t h er f i n t e r f a c ec i r c u i t 2 1e s t a b l i s h e sa na n t e n n as i m u l a t i o nm o d e lo fr e m o t e r f i ds y s t e mb y r e s e a r c h i n go ne q u i v a l e n tc i r c u i to fr fa n t e n n ai n t e r f a c e , a n da n a l y z e st h e e n r r e n to nr e a d c ra n t e n n a 砸l em o d e lh a sa c c u r a t e , h i g h - e f l j c i e n ta d v a n t a g e s ， i n s ta sr e v e a l e da ts u b s e q u e n tv e r i f i c a t i o no nr f i n t e r f a c cc i r c u i t s 3 1a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no f r fi n t e r f a c e ，w ed i v i d et h er f i di n t e r f a c ec i r c u i t i n t of i v ep a r t s ：a n t e n n ai n t e r f a c e , e n e r g yg e n e r a t i o nm o d u l e ，d a t am o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o n ，d o e kr e s t o r a t i o na n dr e s e tm o d u l e ，a n di n t e r f a c eo fa n a l o g a n dd i g i t a lp a r t t h e nd e s i g no fe a c hm o d u l ei so p t i m i z e dt oe n s u r eh i g h p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y 钔低p r e l i m i n a r yg e n e r a t i o nc i r c u i to fa n a l o gp o w e rs o l l r c 七d e s i g n e dh a sa s h o r t c o m i n go fh i g l lp o w e rc o n s u m p t i o n ；w ea d dad i o d ei nt h ev o l t a g e n e g a t i v ef e e d b a c kt ol i m i tt h ef l o w s t h es i m u l a t i o nr u l tp r o v e st h a ti tc a n d e c r e a s ep o w e rc o n s u m p t i o no f t h ec i r c u i te f f e c t i v e l y 5 1d u et ot h ei m p o r t a n c eo fr fi n t e r f a c et ot l l cf i l nc h i p ，w es h o u l dc o n s i d e ra i l k i n d so ft h ef a c t o r si nl a y o u ls u c ha sf l o o r p l a n n i n g , a r e a , n o i s ea n d s y m m e t r i c a l f i r s t e a c hm o d u l eo f r fi n t e r f a c ei sa l l o c a t e di nt h el a y o u t ，a n d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 t h e nc a r r yo nt h em o d u l el a y o u t ，t h ew h o l el a y o u ti so p t i m i z e di nt h el a s t i n t h et h e s i s ，w ep r e s e n tc a p a c i t a n c eo ft h r e el a y e r sa st h ee n e r g ys t o r a g e c o m p o n e n t , a n de n h a n c et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo f t h ec h i pa r e ag r e a t l y 6 ) b e c a u s eo fc h a r a c t e r i s t i c so ft h er fi n t e r f a c ec i r c u i t ，t h ev a r i a t i o no ft h e t e c h n o l o g ya n dt e m p e r a t u r es h o u l db ec o n s i d e r e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o n p r o v e st h a tt h er fi n t e r f a c ed e s i g n e dh a sh i g h e rr e s i s t i n gp tc h a r a c t e r i s t i c k e yw o l d s ：r f i d ，r fi n t e r f a c ec i r c u i t , i s o 1 e c1 5 6 9 3 ，m o d e lo f a n t e n n a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表2 1v i c c 到v c d 通信的数据传输率_ 1 3 表2 2 电感耦合系统不同距离下的耦合系数关系1 6 表4 1 电路模拟p v t 设置3 4 表4 2 n c 、b c 和w c 条件下，阅读器和电子标签的天线电压。3 7 表4 3 不同模拟条件下，模拟电压的变化4 7 表5 1 在n c 模拟条件下，射频接口电路和版图模拟的电压值6 3 第页 国防科学技术大学研究生院下学硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 强3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图目录 射频识别系统组成结构6 电子标签内部结构框图8 1 0 0 a s k 调制信号图。9 1 0 a s k 调制信号图。l o p p m 编码的下跳沿脉冲l o 2 5 6 选l 编码模式：。1l 4 选1 编码模式1 1 4 选l 编码举例1 2 2 5 6 选1 编码模式的起始帧。o 1 2 4 选l 编码模式的起始帧1 2 各种编码的结束帧：1 3 射频识别系统的天线接口等效电路1 4 射频接口功能结构示意图1 8 能量产生模块图1 9 天线限幅电路2 0 改进后的天线限幅电路2 0 限幅电路整体电路图2 l 桥式整流电路及其m o s 管实现2 l 改进后的整流结构2 2 串联稳压器2 3 模拟电源v c c 产生电路2 4 具有限流稳压功能的模拟电压v c c 生成电路2 4 设计中采用的模拟电源产生电路2 5 数字电源产生电路2 5 倍压器结构图2 6 十级级联倍压器2 6 低通滤波器2 7 1 0 0 a s k 调带4 信号解调电路2 8 i ( f o a s k 数据边沿检测电路 l o a s k 信号解讽电路 调制电路 ：1 8 2 9 时钟提取3 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院：f 学硕士学位论文 图3 2 1 时钟产生电路3 l 图3 2 2 二分频器。 图3 2 3 时钟选择电路3 l 图3 2 41 0 0 a s k 解调数据同步电路3 2 图3 2 51 0 解调数据同步3 2 图4 1 未限幅时阅读器和电子标签的天线电压3 5 图4 2 限幅后阅读器和电子标签的天线电压3 5 图4 3n c 条件下阅读器和电子标签的天线电压3 6 图4 4b c 条件下阅读器和电子标签的天线电压3 6 图4 5w c 条件下阅读器和电子标签的天线电压3 7 图4 6n c 、b c 、w c 下的整流电压3 8 图4 7 带通滤波器结构储能电容的电压波形3 8 图4 8n c 模拟条件下的模拟电源产生电路波形3 9 图4 9 改进后的模拟电源产生电路3 9 图4 1 0n c 条件下，改进后的模拟电源产生电路波形：4 0 图4 1 1b c 条件下，改进后的模拟电源电路波形4 0 图4 1 2w c 条件下，改进后的模拟电源电路波形4 l 图4 1 3 低压保护模拟波形4 l 图4 1 4 数字电源在三种模拟条件下的波形4 2 图4 1 5 高压电源产生电路模拟4 2 图4 1 61 0 0 a s k 调制解调电路模拟。钙 图4 1 71 0 0 a s k 调制解调时能量、时序的变化波形。4 4 图4 1 81 0 a s k 信号解调电路取包络4 4 图4 1 91 0 a s k 信号解调电路模拟波形4 5 图4 2 0l o a s k 信号解调电路功耗和电流曲线4 5 图4 2 1n c 模拟条件下负载调制波形。4 6 图4 2 2b c 模拟条件下负载调制波形4 6 图4 2 3n c 模拟条件下负载调制波形4 7 图4 2 4 不同模拟条件下的时钟波形镐 图4 2 5 时钟分频电路模拟4 8 图4 2 61 0 0 a s k 解调数据的同步波形。4 9 图4 2 71 0 解调数据同步波形。4 9 图4 2 8n c 模拟条件下，电子标签收发数据模拟波形5 0 图4 2 9n c 模拟条件下，电子标签能量、时序模拟波形5 l 第页 国防科学技术大学研究生院j i ：学硕士学位论文 图5 1 模拟集成电路设计流程5 2 图5 2p 口电容电压特性 5 4 图5 3 射频接口版图规划 图5 4 接口晶体管版图5 6 图5 5 叉指管结构的晶体管5 6 图5 6n - w e l l 多晶电阻5 6 图5 7 d u m m y 管5 7 图5 8p l p 电容5 7 图5 9e e p l m 沟道氧化层电容5 7 图5 1 0p i p + m o s 三层电容。5 8 图5 1 1 射频接口的版图设计实现5 8 图5 1 2n c 模拟条件下，电子标签数据收发模拟波形5 9 图5 1 3n c 模拟条件下，电子标签内部产生电源电压波形6 0 图5 1 4b c 模拟条件下，电子标签数据收发模拟波形6 l 图5 1 5b c 模拟条件下，电子标签内部产生电源电压波形6 1 图5 1 6w c 模拟条件下的阅读器和电子标签的天线电压6 2 图5 1 7w c 模拟条件下，电子标签内部产生电源电压波形6 2 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 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谢意。 学位论文题目：鱼i 握签蓝盐魁蕴接望皇壁哑窒盏遮i 土 学位论文作者签名：4 塾互勤日期：二咖多年月尹日学位论文作者签名：4 垒益勤 日期：二o o 莎年 月尹日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅：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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：堑王运筌益丘蕴叛接望垫整叠峦复遮i 土 学位论文作者签名：4 垒堡戳日期：磊彩年7 月争日 作者舯蝴檄是貔兹五：魄朋年。f 月稿 国防科学技术大学研究生院二j ：学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 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 ) 射频识别是一种非接触式的自动识别技 术，是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识别物体的、 自动识别【l l 。射频识别系统主要由阅读器和电子标签两部分组成，数据存储在电子 标签中，当电子标签进入阅读器有效作用距离内，双方即可按照一定的协议进行 通信【2 】。 射频识别技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个电子标签，操作快捷 方便，是一项易于操控、简单实用，且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技 术，其所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。它既可支持只读工作模 式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下； 可进行高度的数据集成。另外，由于该技术很难被仿冒、侵入，使电子标签具备 了极高的安全防护能力1 3 1 4 1 。 射频识别技术与传统条形码相比具有以下的优势f 5 】嘲： 1 ) 不需要光源，甚至可以透过外部材料读取数据； 使用寿命长，能在恶劣环境下工作； 3 ) 能够轻易嵌入或附着在不同形状、类型的产品上； 钔读取距离更远； 5 ) 可以写入及存取数据，写入时间比打印条形码更少； 6 ) 电子标签的内容可以动态改变； 乃能够同时处理多个电子标签； 8 ) 电子标签的数据存取有密码保护，安全性更高； 可以对电子标签所附着的物体进行追踪定位。 在应用领域，以w a l m a r t 、u p s 、g i l l e t t e 等为代表的大批企业已经开始准备 采用电子标签技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率，并为客户提供 各种增值服务【7 1 。在国内电子标签应用也相当广泛，到2 0 0 5 年为止，我国已经发 行了一亿一千万枚m 卡，预计2 0 0 8 年发行8 亿枚i d 卡。现行的第二代身份证也 采用了p d ：i d 技术。最近广深铁路集团与芬兰公司c o n f i d e x 共同签署了一份为期5 年总量高达l 亿2 千5 百万张的r f i d 票据供货合同网。 p d ：i d 电子标签种类很多，分类方式多样 9 1 。按照供电方式可分为有源和无源 的电子标签；按照载波频率可分为低频( 1 2 5 k _ i - i z 和1 3 4 2 1 d a z ) 、高频0 3 5 6 m h z ) 、 超高频( 4 3 3 m h z 和9 1 5 m h z ) ，以及微波电子标签( 2 4 5 g i - i z 以上) ；按照作用距离可 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 分为密耦合( l e n a ) 、近耦合( 1 5 c m ) 、疏耦合( o 圃刊薹l ：型 之l 涵圳蒌h ! 竺l 图2 2 电子标签内部结构框图 谐振回路是电子标签与外界的通讯接口，它将阅读器天线产生的磁场信号耦 合进来，为电子标签提供能量和数据。 射频接口包括电源产生、数据调制解调、时钟产生电路1 2 2 1 1 2 4 1 。其中电源产生 电路实现能量的交直流转换，为内部电路提供稳定的直流电源；数据调制解调电 路是对传输数据进行调制解调，从而完成阅读器和标签之间的数据通讯；时钟产 生电路保证阅读器与标签的通讯同步。 数字控制电路主要包括状态机、译码编码、加密校验、防冲突等模块，实现 命令解码、数据校验，完成对射频接口、e e p r o m 的控制操作，从而完成协议所 要求的功能。 存储体一般采用e e r p o m 或f r a m 组成，实现对用户数据的存放，可以根据 具体要求进行读写操作。 2 2i s o i e c1 5 6 9 3 接口协议分析 i s o i e c1 5 6 9 3 一疏耦合i c 卡协议主要包括四部分：物理特性、射频接口及初 始化、反碰撞和传输协议，以及扩展命令集和安全特征瞄1 鲫。本节主要分析与标 签射频模块相关的射频接口及初始化。 阅读器和电子标签另称之为v c d 和v i c c ，v c d 和v l c c 之间的通讯通过以 下连续的操作进行： 1 ) v c d 的射频工作场激活v i c c ； 2 ) v i c c 等待v c d 发送命令； 3 ) v c d 传输命令； 4 ) v i c c 进行应答。 阅读器和电子标签之间的操作通过能量传送和通讯信号接口进行信息传递， 且参照i s o i e c1 5 6 9 3 3 协议执行。 2 2 i 能量传送 第8 页 国防科学技术大学研究生院 ：学硕士学位论文 阅读器产生耦合到电子标签的r f 电磁场，用以传送能量和数据( 需要经过调 制和解调) 。电子标签获得能量后，将其转化为直流电压。 r f 场的频率f c = 1 3 5 6 m h z 7 k h z 。 r f 场的h 值( 磁场强度) 在1 5 0 m a m 和5 a m ( 有效值) 之间，在此范围内 电子标签能不间断地工作。在制造商指定的工作空间内阅读器产生的磁场强度至 少为1 5 0 m a m ，且不超过5 a m ( 有效值) 。 2 2 2 信号接口 2 2 2 1v c d 到v i c c 的通讯信号接口 1 1 调制 v c d 和v i c c 之间的通讯采用振幅偏移键控( a s k ) 调制方法，有两种调制 指数：1 0 和1 0 0 。调制指数= 竺量1 0 0 ，其中a 和b 分别是波峰和波谷的 a + 6 振幅。v i c c 应能对这两种指数进行解调，由v c d 确定使用哪种调制类型。 在l o 解调模式中，v i c c 应对调制系数从1 0 到3 0 之间的a s k 信号进行 解调。对于1 0 0 和1 0 两种解调模式所产生的“间隙”分别见图2 3 和图2 4 。 淼i 划i| i l 坛、r l ，lli 一 八川。， 【一 、。k ；： f ； i j 一 卜一，j f ，j l l 八 ll m i n x “| h i 1 1 l6 0i9 “i i虹i毛nj i bo i4 5 k 一 l “o io f 8 时钟的建立时间必须大于t i 的最大僵 图2 31 0 0 a s k 调制信号图 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 c n 钟 l f | n n 璺 i 芹。 皓 。l l ；l ，l | l 图2 5p p m 编码的下跳沿脉冲 图2 5 为p p m 编码的脉冲示意图。当有数据编码时，则在对应时间周期( 图2 5 中对应周期i ) 位置的半周期出现下跳变脉冲。 第1 0 页 | | i | | i 。一一j 。一一 | | | | | | | | | | 。| | j j j 。一 | | i | | i | | 国防科学技术大学研究生院 ：学硕士学位论文 图2 6 为2 5 6 选l 的p p m 编码举例。 脉冲 位置 编码 图2 62 5 6 选i 编码模式 图2 6 可以发现，在连续2 5 6 个时间周期的第2 2 5 个位置出现了下跳变脉冲， 所以传送的数据是n 1 1 0 0 0 0 1 ) b = ( 2 2 5 ) 。 连续2 5 6 个时间周期可以传送一个字节的数据，即传送8 b i t 数据需要4 8 8 3 m s ， 由此可计算出2 5 6 选l 的编码模式的数据传输率为1 6 5 k b i t s s ( f e 8 1 9 2 ) 。 b 4 选l 模式 4 选lp p m 编码的时阿周期也是1 8 8 8 u s ，数据由在连续4 个时间周期的位置 来确定。与前面分析类似，每次能传2 位，数据传输率是2 6 4 8 k b i t s s ( f 5 1 2 ) ， 编码方式和举例见图2 7 和图2 8 。 图2 7 为4 选1p p m 的各种编码。 曲臆冲位置喧丹 i o ，的脉冲位置昭玛 图2 74 选l 编码模式 图2 8 为所传数据( 1 1 1 0 0 0 0 1 ) b = ( 2 2 5 ) 的例子。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图2 84 选1 编码举例 从图2 8 中可以看出，4 选1p p m 传送一个字节的数据需要3 0 2 8 8 p s ，数据传 输率是2 5 6 选1p p m 编码的1 6 倍。 从图2 7 和2 8 中可以看出，两个p a u s e 之间相隔最短时间就是9 4 4 螂，而这 个时间对v i c c 来说，已经足够它从上面一个p a i n e 中恢复过来了。对v i c c 的模 拟前端来说，当它被激活后( v c d 此时发出不含任何p a u s e 的固定脉冲) ，在一 个p a u s e 阶段的表现就可以反映它在整个接受数据过程中的工作流程【3 0 1 。 3 ) v c d 到v i c c 的传输帧 为了解决同步问题，信息的传输是以数据帧为单位的。数据帧由起始帧( s o f ) 和结束帧( e o f ) 来界定，协议中对起始帧和结束帧的格式都做了说明。 v i c c 应在被激活后的l m s 内，做好接收数据帧的准备。 v i c c 应在向v c d 发送一个数据帧后的3 0 0 u s 内，做好接收数据帧的准备。 下面介绍2 5 6 选1 和4 选1 编码模式的起始帧和数据帧。 a 采用2 5 6 选1 编码模式的s o f 2 5 6 选1 编码模式的s o f 见图2 9 。 图2 , 92 5 6 选1 编码模式的起始帧 b 采用4 选1 编码模式的s o f 4 选1 编码模式的s o f 见图2 1 0 。 ju 掣积。： 7 。7 。 a 7 , 7 6 p 。 。 图2 1 04 选1 编码模式的起始帧 c 各种编码模式的e o f 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院i 学硕士学位论文 各种编码模式的e o f 见图2 1 1 。 l 9 。4 4 “s 。- 9 。4 4 i t s 。 3 7 ，7 6h s r 7 图2 1 1 各种编码的结束帧 2 2 2 2v i c c 到v c d 的通讯信号接口 1 负载调制 v i c c 通过电感耦合方式与v c d 进行通信。负载调制( 1 0 a dm o d u l a t i o n ) 是 v i c c 通过控制负载调制电阻的导通或关断来改变天线电流，使v c d 的磁场发生 改变，从而实现数据的传送。 负载调制的幅度按照1 0 3 7 3 - - 7 协议中描述的测试方法，至少为1 0 m v 。 2 副载波 v i c c 利用v c d 发射的载波产生副载波( 频率为t s ) ，用来控制负载调制电 阻的导通或关断，即为使用副载波的负载调制。 由v c d 发给v i c c 的请求命令来选择采用一种还是两种副载波( 见i s o i e c 1 5 6 9 3 3 ) ，v i c c 应该支持这两种模式。 若采用一种副载波，负载调制的副载波频率为矗l = f e 3 2 ( 4 2 3 ，7 5 k h z ) 若采用两种副载波，则盘l = f c 3 2 ，f s 2 = f c 2 8 ( 4 8 4 2 8 k h z ) 。 采用两种副载波时，二者应有连续的相位关系。 3 数据传输率 v i c c 到v c d 的通信可以采用高速和低速两种数据传输速率，由v c d 进行选 择。i s o i e c1 5 6 9 3 3 规定由请求命令的标志位确定采用哪种数据传输速率。电子 标签能够支持如表2 1 所示的数据传输率： 表2 iv i c c 到v c d 通信的数据传输率 l 数据传输率单个副载波双副载波 低 6 6 2 k b i t s s f f j 2 0 4 8 ) 6 6 7 k b i t s s f f j 2 0 3 2 ) 【高 2 6 4 8 k b i t s s ( f e 5 1 2 ) 2 6 6 9 k b i t s s ( f 4 5 0 8 ) 2 - 3 接口天线模型设计 与i s 0 1 4 4 4 3 协议的近耦合卡十几厘米的工作距离相比，i s o i e c1 5 6 9 3 协议 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕+ 学位论文 的疏耦合卡能达到i m 左右的工作距离。二者除了数据传送和编码方式的不同外， 最重要的区别是阅读器的发射功率和天线性能差别很大，下面对i s o i e c1 5 6 9 3 协 议的天线模型进行分析，并建立后续射频接口所需要的模拟模型。 2 3 1 射频天线接口等效电路 射频识别系统原理中已提出，符合i s o i e c1 5 6 9 3 协议的电感耦合电子标签系 统类似于疏耦合的变压器结构，并且大多是无源的，所以电子标签只能从阅读器 的电磁场中获得工作所需的能量。为了提高电感耦合系统的能量传输效率，阅读 器和电子标签天线部分采用谐振电路结构【2 1 。对于阅读器，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；电子标签天线 采用并联谐振回路，谐振时产生一个无限大的阻抗，从而获得最大化的电压驱动 内部电路瞄j ，见图2 1 2 。 上l 图2 1 2 射频识9 0 系统的天线接e l 等效电路 阅读器天线通过同轴电缆与高频发射模块相连，需通过无源的匹配电路进行 阻抗变换。 下面对等效电路中的各元件参数做出说明。 阅读器：匝数n l - l ，天线等效半径r l = 6 0 0 m m ，电感值l l - - 6 2 1 1 j h ，欧姆损 耗r l = 1 5 0 ： 电子标签：n f - - - 7 ，r 2 = 3 2 e m ，l 2 = 9 8 t t h ，r 2 = 6 0 7 0 1 谐振频率 = 丽1= 习蓊1 删6 z ； 电子标签上电后，负载电阻一般为几千欧姆 2 9 1 。 2 3 2 阅读器天线电流 可用圆形线圈的场强计算公式计算阅读器天线产生的场强2 】； 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院- 丁学硕十学位论文 础卜东 仁。 式中，n 为线圈匝数、r 为线圈等效半径，x 为沿x 方向与线圈中心的距离。 在阅读器天线的中心处，公式( 2 一1 ) 可简化为( 2 2 ) 日：iin(2-2) 2 r 此时阅读器产生的场强最大。 符合i s o i e c1 5 6 9 3 协议的阅读器天线产生的磁场强度工作范围在1 5 0 m a m 和5 a m 之间，利用公式( 2 - 2 ) ，可计算所采用的读写器的工作电流范围为 o 18 a i 6 a 。 2 3 3 射频接口的模拟模型 由于电感耦合的射频识别系统类似于变压器系统，所以可以采用耦合系数对 射频接口进行模拟【2 2 卯。耦合系数定义如下： 后。面l i l 2 ( 2 3 ) 公式( 2 3 ) 中，l l 、k 分剐为初次线圈和次级线圈的电感，l 1 2 为初级线圈和次 级线圈和互感。 耦合系数总是在两个极限情况0 k 1 之间变化。 k = o ：由于距离太远或屏蔽导致完全去藕； k = l ：全耦合。两个线圈处于相同的磁通量? 中。 精确计算两个实际天线之间的耦合系数，是非常复杂和困难的。只有很简单 的天线配置才能计算。两个平行的、在x 轴上同芯的线圈的耦合系数可以用公式( 2 4 ) 近似计算( 假定电子标签天线半径小于阅读器的天线半径) 。 ，2 ， 2 露b ) 卫叠篁一兰幽l i 州厄忑f 乒瓦了 3 g 卸 按照公式( 2 棚计算得到的耦合系数值是很理想化的，因为在实际的应用中， 电子标签天线和阅读器天线不可能完全平行，也不可能在x 轴上完全同芯，而且 还会受周围环境的影响。 在进行射频接口电路设计时，根据特定的阅读器，采用耦合系数值来模拟实 际的工作距离，考察射频接口电路的性能，还是具有一定意义的。电子标签的实 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 际读写距离需要在投片、封装天线进行测试后才能确定。 对于所设计的射频识别系统，阅读器天线等效半径r l = 6 0 0 m m 、电子标签天 线等效半径r 2 = 3 2 m m 。根据公式( 2 4 ) 可计算出不同距离下对应的耦合系数，见表 2 2 。 表2 2 电感耦含系统不同距离下的耦合系数关系 距离x耦合系数距离x耦合系数 o 0 0 3 4 85 0 c mo 。0 0 4 7 1 0 e m0 0 2 9 76 0 c m0 0 0 3 l 2 0 e r ao 0 2 0 17 0 c n l0 0 0 2 1 3 0 c i i lo 0 1 2 38 0 c n n 0 0 0 1 5 4 0 c m0 0 0 7 59 0 锄0 0 0 1 l 验证时，取x = 6 0 0 - a 的耦合系数，对电子标签射频接口电路进行模拟，考察射 频接口电路和版图设计的性能。 2 4 本章小结 本章主要介绍了射频识别系统的工作原理，研究了i s o i e c1 5 6 9 3 协议，并建 立射频接口电路模拟的天线接口模型。射频设计系统主要包括阅读器和电子标签 两部分，电子标签一般是无源的，需要从电磁场中获得能量；阅读器一般采用调 制系数为1 0 和1 0 0 的a s k 调制进行数据传输，而电子标签贝q 通过带副载波的 负载调制返回数据，数据的传输都采用帧格式以便于同步。符合i s o i e c1 5 6 9 3 标 准的射频识别系统的载波频率为1 3 5 6 m h z ，读写距离在l m 左右，远小于载波的 波长。认为工作在电磁场的近场区，可等效为电感耦合系统，因此可采用耦合系 数进行射频接口模拟验证。采用耦合系数的近似计算公式，本章列出了特定阅读 器在不同距离下的耦合系数，对电子标签射频接口进行模拟验证。 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院 ：学硕士学位论文 第三章射频接口电路设计 电子标签射频接口将外接天线和内部数字控制电路、e e p r o m 数据存储体联 系起来，它包括能量产生、数据解调调制、时钟提取，以及模数接口四部分，主 要实现的功能如下1 2 5 】1 3 0 j ： 从天线耦合得到的电磁场能量中获得标签内部各部分电路工作时所需要 的直流电源，这是通过电源产生电路和稳压调节电路完成的； 将调制在载波上的指令和数据解调出来送往数字部分处理，以及将待发送 的数据进行调制，这由解调和调制电路来实现； 从载波中提取电路正常工作所需要的时钟，这部分由时钟提取电路实现： 对提取的时钟进行分频，并同步解调出的数据，然后送往数字控制单元和 e e p r 例进行处理，该部分由模数接口来实现。 图3 1 给出了电子标签射频接口功能结构图。信号流程如下： 并联谐振回路将阅读器发来的交流信号耦合进来，由整流电路转换成直流 电源v h d o ，再通过滤波稳压电路生成内部电路工作所需的直流电源v c c 和v d d ： 采样比较电路对天线上的信号幅度进行采样，并与参考电压v t 进行比较， 当超过参考电压v t 时，控制泻流管导通，对天线电流进行分流，降低天 线两端的等效电阻，从而使电子标签天线的感应电压降低。 1 0 、1 0 0 a s k 解调电路对阅读器发来的调制信号进行解调，再经同步 电路送往数字模块。d e m o d u8 为数字电路输出的解调电路选择信号，当 d e m o d u $ 为0 时，1 0 0 a s k 解调电路正常工作；当d e m o d u $ 为1 ， 1 0 a s k 解调电路正常工作。 调制电路通过控制天线两端的负载变化进行数据传送，称之为负载调制。 时钟提取电路提取出与载波信号同频率的时钟信号f o ，再经分频电路产生 ff， 内部电路工作所需的时钟，输出的分频时钟信号有且4 、血3 2 、嚣、盎。 因为谐振电路在谐振点附近感应电压很高，为防止烧坏内部电路，所以必须对 电子标签天线电压进行限幅。 为了降低模拟部分和数字部分之闻的干扰，设计了模拟电源v c c 和数字电源 ) d ，分剔为e e p r o m _ 耜数字部分提供工作电流。 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院：i ：学硕十学