超高頻段RFID標簽的數字電路設計

1 引 言

射頻識別(RFID)技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識別技術(shù)，近年來(lái)在國內外得到了迅速發(fā)展。目前，我國開(kāi)發(fā)的RFID產(chǎn)品普遍基于中低頻，如二代身份證、票證管理等。在超高頻段我國自主開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品較少，難以適應巨大的市場(chǎng)需求以及激烈的國際競爭。超高頻(UHF)標簽是指工作頻率在860～960 MHz的RFID標簽，具有可讀寫(xiě)距離長(cháng)、閱讀速度快、作用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應用于物流管理、倉儲、門(mén)禁等領(lǐng)域。為適應市場(chǎng)需求，本文以EPC C1G2協(xié)議為主，ISO／IEC18000．6為輔，設計了一種應用于超高頻標簽的數字電路。

2 UHF RFID標簽的工作原理

射頻識別系統通常由讀寫(xiě)器(Reader)和射頻標簽(RFID Tag)構成。附著(zhù)在待識別物體上的射頻標簽內存有約定格式的電子數據，作為待識別物品的標識性信息。讀寫(xiě)器可無(wú)接觸地讀出標簽中所存的電子數據或者將信息寫(xiě)入標簽，從而實(shí)現對各類(lèi)物體的自動(dòng)識別和管理。讀寫(xiě)器與射頻標簽按照約定的通信協(xié)議采用先進(jìn)的射頻技術(shù)互相通信，其基本通訊過(guò)程如下。

(1)讀寫(xiě)器作用范圍內的標簽接收讀寫(xiě)器發(fā)送的載波能量，上電復位；
(2)標簽接收讀寫(xiě)器發(fā)送的命令并進(jìn)行操作；
(3)讀寫(xiě)器發(fā)出選擇和盤(pán)存命令對標簽進(jìn)行識別，選定單個(gè)標簽進(jìn)行通訊，其余標簽暫時(shí)處于休眠狀態(tài)；
(4)被識別的標簽執行讀寫(xiě)器發(fā)送的訪(fǎng)問(wèn)命令，并通過(guò)反向散射調制方式向讀寫(xiě)器發(fā)送數據信息，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此后不再對讀寫(xiě)器應答；
(5)讀寫(xiě)器對余下標簽繼續搜索，重復(3)、(4)分別喚醒單個(gè)標簽進(jìn)行讀取，直至識別出所有標簽。

3 UHF RFID標簽的結構及系統規格

UHF RFID標簽的示意圖如圖1所示，由模擬和數字兩部分組成。模擬電路主要包括天線(xiàn)、喚醒電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、包絡(luò )檢波電路、解調電路和反射調制電路；數字部分主要實(shí)現EPC通信協(xié)議，識別讀寫(xiě)器發(fā)出的命令并執行，如實(shí)現多標簽閱讀時(shí)的防沖突方法、執行讀寫(xiě)器發(fā)送的讀寫(xiě)命令、實(shí)現讀寫(xiě)器和標簽的通訊過(guò)程以及對輸出數據進(jìn)行編碼等。協(xié)議規定的標簽系統規格如表1所示。

圖1 UHF RFID標簽的示意圖

表1 UHF RFID標簽系統規格

4 標簽數字電路的設計方法

4.1 電路的整體系統設計

經(jīng)過(guò)對協(xié)議內容的深入研究，本文采用Top．down的設計方法，首先對電路功能進(jìn)行詳細描述，按照功能對整個(gè)系統進(jìn)行模塊劃分；再用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行RTL代碼設計并進(jìn)行功能仿真；功能驗證正確后，采用EDA工具，指定工藝庫，進(jìn)行邏輯綜合優(yōu)化；最后采用自動(dòng)布局布線(xiàn)進(jìn)行版圖設計形成芯片。本文確定的系統結構框圖如圖2所示，它包括譯碼模塊、CRC (循環(huán)冗余校驗，cyclic redundancy check)校驗模塊、狀態(tài)機模塊、CRC產(chǎn)生模塊、存儲器、編碼模塊和時(shí)鐘分頻模塊。譯碼模塊接收模擬部分解調出的命令信號，根據協(xié)議中規定的命令格式將信號譯碼成標簽數字部分可識別的二進(jìn)制數據，并發(fā)送到CRC校驗模塊和狀態(tài)機模塊。CRC校驗模塊對收到的命令進(jìn)行完整性校驗，若確認為有效命令，則觸發(fā)狀態(tài)機模塊，控制標簽執行相應操作，如讀寫(xiě)存儲器、防沖突控制等。處理完成后則將要發(fā)送的數據送至CRC產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應的CRC校驗碼，然后將要發(fā)送的數據和校驗碼一起送至編碼模塊，最后由編碼模塊以特定的脈沖形式發(fā)送給模擬部分進(jìn)行處理后再采用射頻技術(shù)發(fā)送給讀寫(xiě)器。為降低功耗，時(shí)鐘分頻模塊將全局時(shí)鐘進(jìn)行分頻，分頻后的頻率可由數字部分其他模塊使用。存儲器存儲標簽的標識性信息。下面將具體介紹各模塊的實(shí)現方法。

圖2 標簽數字部分系統結構框圖