超高频段RFID标签的数字电路设计

有效性和完整性，CRC校验可以保护读写器发出的RjT (reader to tag)命令和标签反向散射的TjR (tag to reader)序列。从数学角度来看，CRC校验是用将被处理的数据字节当作一个二进制多项式A ( )的系数，该系数除以发送方和接收方预先约定好的生成多项式g ( )后，将求得的余数P ( )作为CRC校验码。CRC的计算包括了要计算其CRC值的数据字节以及所有前面的数据字节的CRC值。当一个数据块被传输时，数据发送方计算此数据块的CRC校验码，并将此校验码附在数据块后一起传输。数据接收方计算所有接收数据的CRC值，其结果总是零，否则在传输过程中一定出现了传输错误。用零校验可以很容易地分析数据的完整性，避免代价很高的校验和比较过程。协议中采用线性反馈移位寄存器来实现CRC校验，CRC．5校验和CRC．16校验的电路示意图如图4所示。

图4 CRC-5和CRC-16电路

4.4 射频标签中的状态机

RFID标签所有的操作都基于由一系列逻辑控制的状态转换进行的，此为标签数字电路的核心部分。本设计采用有限状态机来实现此模块，这里用到了3类基本操作和7种典型的状态。如图5所示，当收到不同命令时，标签将会在7种状态间进行转换。选择(select)命令和盘存(inventory)命令用于从标签群中识别出特定的一个，标签所处的相应状态为ready，arbitrate，reply，acknowledged；一旦标签被识别，读写器即可发出访问(access)命令，读取标签的信息或将信息发送给标签，标签所处的相应状态为open，secured，killed。

图5 读写器对标签操作及标签的状态

识别多个标签时采用随机分槽防碰撞算法(slotted random anti．collision algorithm)解决冲突问题。读写器向读写范围内的每个标签发送包含参数Q (取值0 15)的Query命令，控制标签往各自的分槽计数器内载入一个由Q值决定的随机数(取值范围0～2Q．1)，随机数的产生主要基于线性移位反馈寄存器 。读写器再发出其他inventory命令改变随机数的值，只有当随机数的值为0时，标签才会应答。若多个标签的计数器值同时为0时，这些标签同时应答，从而造成冲突。读写器检测到冲突后，发出inventory命令让冲突标签的随机数值从0000h(十六进制数)变到7FFFh，再通过设置新的Q参数来随机散列分槽计数器值，使得发生冲突的多个标签逐一被识别，保留一个处于活动状态的标签与读写器建立无碰撞通信，这样就有效地解决了冲突问题。虽然此种方法的判别线性度比二进制数搜索法低，但读取速度高，演算机制完整，可防范多种信号碰撞的可能性，大幅降低信号碰撞的几率。

4.5 编码模块

标签反向散射给读写器的数据采用FM0编码，图6给出了FM0编码的格式。

图6 FM0编码格式

FM0编码的数据前应以前同步码开始，选择哪种前同步码由读写器所发命令中的TRext参数决定；FM0编码在每个数据边界处倒转相位，并在数据0中间倒转相位。FM0编码具有记忆功能，一序列的信号中，后一位电平必须承接上一位末尾电平，所以需要一个寄存器存放上一位末尾处的电平信号，由此来判断下一信号的起始电平。根据读器所发命令确定标签返回数据的链路频率(LF：link frequency)， 由内部时钟计数产生所需频率，以此作为标签返回数据的发送频率。为降低功耗，可以将全局时钟分频，降低时钟频率。为了准确实现编码的功能，需要在充分理解标准的基础上，严格定义该模块与状态机之间的接口时序。编码模块只有与状态机模块在时序上密切配合，双方才能正确地发送和接收信号。实现过程为：当状态机发送的使能信号有效时，编码模块进入编码状态，同时，状态机送出数据信号；编码模块被触发启动后，首先按照协议要求产生前同步码，再把要输出的数据依次编码，产生1 bit中高低各半的0信号或统一电平的1信号，串行送出；当状态机发送最后一位数据的同时，通知编码模块，状态机的数据已经发送完毕。

4.6 存储器及存储控制逻辑

RFID标签的数据信息都存储在存储器中，一般采用EEPROM，用于存储EPC代码以及password等标签的标识性信息。存储器与状态机的接口 5 J为：Di是存储器输入数据信号；Do是存储器输出数据信号；Addr是存储器输入地址信号；oen是存储器输出使能信号，高电平有效；cen是存储器芯片使能信号，高电平有效；we是存储器读写控制信号，we=1时写有效；we=0时读有效。

5 仿真结果及版图

本文采用VHDL完成了UHF RFID标签数字电路的RTL代码设计，同时对标签与读写器通讯过程进行全面的模拟和仿真，并基于0．18μm CMOS工艺标准单元库，用EDA相关工具对该电路进行了前端综合和后端物理实现。仿真结果如图7所示，