超高频段RFID标签的数字电路设计

1 引 言

射频识别(RFID)技术作为一种新兴的自动识别技术，近年来在国内外得到了迅速发展。目前，我国开发的RFID产品普遍基于中低频，如二代身份证、票证管理等。在超高频段我国自主开发的产品较少，难以适应巨大的市场需求以及激烈的国际竞争。超高频(UHF)标签是指工作频率在860～960 MHz的RFID标签，具有可读写距离长、阅读速度快、作用范围广等优点，可广泛应用于物流管理、仓储、门禁等领域。为适应市场需求，本文以EPC C1G2协议为主，ISO／IEC18000．6为辅，设计了一种应用于超高频标签的数字电路。

2 UHF RFID标签的工作原理

射频识别系统通常由读写器(Reader)和射频标签(RFID Tag)构成。附着在待识别物体上的射频标签内存有约定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息。读写器可无接触地读出标签中所存的电子数据或者将信息写入标签，从而实现对各类物体的自动识别和管理。读写器与射频标签按照约定的通信协议采用先进的射频技术互相通信，其基本通讯过程如下。

(1)读写器作用范围内的标签接收读写器发送的载波能量，上电复位；
(2)标签接收读写器发送的命令并进行操作；
(3)读写器发出选择和盘存命令对标签进行识别，选定单个标签进行通讯，其余标签暂时处于休眠状态；
(4)被识别的标签执行读写器发送的访问命令，并通过反向散射调制方式向读写器发送数据信息，进入睡眠状态，此后不再对读写器应答；
(5)读写器对余下标签继续搜索，重复(3)、(4)分别唤醒单个标签进行读取，直至识别出所有标签。

3 UHF RFID标签的结构及系统规格

UHF RFID标签的示意图如图1所示，由模拟和数字两部分组成。模拟电路主要包括天线、唤醒电路、时钟产生电路、包络检波电路、解调电路和反射调制电路；数字部分主要实现EPC通信协议，识别读写器发出的命令并执行，如实现多标签阅读时的防冲突方法、执行读写器发送的读写命令、实现读写器和标签的通讯过程以及对输出数据进行编码等。协议规定的标签系统规格如表1所示。

图1 UHF RFID标签的示意图

表1 UHF RFID标签系统规格

4 标签数字电路的设计方法

4.1 电路的整体系统设计

经过对协议内容的深入研究，本文采用Top．down的设计方法，首先对电路功能进行详细描述，按照功能对整个系统进行模块划分；再用VHDL硬件描述语言进行RTL代码设计并进行功能仿真；功能验证正确后，采用EDA工具，指定工艺库，进行逻辑综合优化；最后采用自动布局布线进行版图设计形成芯片。本文确定的系统结构框图如图2所示，它包括译码模块、CRC (循环冗余校验，cyclic redundancy check)校验模块、状态机模块、CRC产生模块、存储器、编码模块和时钟分频模块。译码模块接收模拟部分解调出的命令信号，根据协议中规定的命令格式将信号译码成标签数字部分可识别的二进制数据，并发送到CRC校验模块和状态机模块。CRC校验模块对收到的命令进行完整性校验，若确认为有效命令，则触发状态机模块，控制标签执行相应操作，如读写存储器、防冲突控制等。处理完成后则将要发送的数据送至CRC产生模块产生相应的CRC校验码，然后将要发送的数据和校验码一起送至编码模块，最后由编码模块以特定的脉冲形式发送给模拟部分进行处理后再采用射频技术发送给读写器。为降低功耗，时钟分频模块将全局时钟进行分频，分频后的频率可由数字部分其他模块使用。存储器存储标签的标识性信息。下面将具体介绍各模块的实现方法。

图2 标签数字部分系统结构框图

4.2 译码模块具体实现方法

读写器发出的命令采用PIE (pulse．interval encoding)格式，命令以同步头(preamble)开始，如图3所示。译码模块的实现方法为：首先判断同步头，标签对输入信号进行检测，一旦检测到下降沿说明可能是一条新命令的定界符(delimiter)，马上计数低电平，将计数值存人寄存器count0中，同时检测输入信号是否有上升沿跳变，若发现上升沿跳变，则数据清零重新计数，并把delimiter之后的计数值存入寄存器count中，不断比较寄存器count0和count的值，依据图3所示的关系依次判断出delimiter， 数据0，RTcal(reader to tag calibration)，TRcal (tag to reader calibration)， 确认同步头；然后把同步头之后的数据比RTcal／2短的作为数据0，比RTtcal／2长的作为数据1，从一系列高低电平中恢复出真正的1信号和0信号，依次存入命令寄存器，并提供控制状态机及校验模块的相关标志位。

图3 PIE格式，R=>T(reader to rag)同步

4.3 CRC校验和产生模块

UHF RFID系统采用循环冗余校验(CRC校验)来判断数据的