疏耦合电子标签研究与实现

0 引 言

    RFID(Radio Frequency Identification)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。RFID技术成功地结合了射频识别技术和IC卡技术，解决了卡内能量来源和信号的无线传输两大难题，是电子器件领域的一大突破。RFID技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包括通信原理和半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。

1 电子标签及其系统结构

1．1 电子标签

    RFID系统主要由3部分组成：电子标签、天线、阅读器(如图1所示)。 

    电子标签(Tag，应答器)由耦合元件及芯片组成，是射频识别系统真正的数据载体，放在需要识别的物体上，存储目标信息如功能特性、性能指标等。阅读器(Reader)是读取电子标签信息的设备，包括高频模块(发送接收器)、控制模块、以及与应答器连接的耦合元件(收发天线)。天线在应答器和阅读器间传递射频信号，应答器和阅读器之间采用无线通信方式。

    RFID电子标签种类很多，分类方式多样，按供电方式可分为有源和无源电子标签；按载波频率可分为低频(125 kHz和134．2 kHz)、高频(13．56 MHz)、超高频(860～960 MHz)，以及微波电子标签(2．45 GHz以上)；按作用距离可分为密耦合(<1 cm)、近耦合(<15 cm)、疏耦合(<1 m)，和远距离(1～10 m)四种。在此研究的是基于ISO／IEC 15693标准的高频疏耦合无源电子标签，提出了其低功耗、低成本实现结构，探讨了各个功能模块的优化设计。

1．2 电子标签系统结构

    电子标签芯片可划分为谐振回路、射频接口电路、数字控制和数据存储体4部分，其内部结构如图2所示。 

    谐振回路是电子标签与外界的通信接口，它耦合阅读器天线产生的磁场信号，为电子标签提供能量和数据。射频接口将外接天线和内部数字控制电路、E2PROM数据存储体联系起来，射频接口电路接收天线耦合的阅读器信号，使内部电路从中获得能量、时序和数据。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，实现命令编解码、数据校验，完成对射频接口、数据存储体的控制操作，完成协议所要求的功能。数据存储体采用E2RPOM，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 射频接口电路设计

    射频接口电路包括电源产生电路、调制解调电路、时钟产生电路和复位电路。结构如图3所示。 

    电源产生电路 是射频接口电路部分的最关键技术，它从阅读器所发射的电磁波中提取电源电压，给电子标签芯片内各个部分电路提供工作时所需要的能量，成功地解决了电子标签内电路正常工作所需要的电源电压问题。主要由电感谐振网络、全波整流电路、限幅稳幅电路和稳压调节电路组成。整流出的直流电压幅度抖动仍较大，需要再进行稳压和限幅，才能提供给内部电路使用。设计中采用串联稳压、融合并联分流限幅、低压检测复位等关键技术实现，结构原理见图4。 

    调制解调电路 电子标签通过将要发送的信号调制向阅读器发出的载波信号上或者解调阅读器发来的信号完成与阅读器的通信。ISO／IEC 15693协议规定了阅读器到电子标签的数据传输采用ASK调制方式，调制系数为10％和100％；电子标签到阅读器的数据传输采用负载调制方式。当阅读器采用100％ASK调制方式，由于调制模式的特殊性，电磁场能量中间有中断；采用10％ASK调制方式，电磁场能量连续传送。调制方式与射频识别系统的读写距离相关，一般情况下近距离工作时优先采用100％ASK调制方式，远距离工作时优先采用10% ASK调制方式。

    时钟提取和复位电路 电子标签与阅读器能够正常通信，依赖于电子标签上的时钟能够和阅读器上的时钟实现同步。从载波中提取出时序，以保证通信的可靠性，对提取出的时钟进行分频，按照数字部分的工作要求提供合适的分频时钟，完成对解调出的信号进行预处理等功能。复位电路有上电复位和下电复位2种，上电复位是当电子标签获得足够的能量开始工作时，将卡内时序电路设定为一个合适的初始状态，以防止出现逻辑混乱。下电复位则是为系统有可能出现的意外情况而采取的一种保护措施。

3 数字控制电路设计

    数字控制电路是整个芯片的重要的功能模块，它接收来自射频接口电路的解调后的信号以及13．56 MHz的时钟信号．对解调信号解码并进行处理。在数字控制电路的控制下，对E2PROM进行读写操作，并对返回数据进行编码后送人射频接口电路。数字控制电路系统由收发控制模块(编解码子模块、CRC子模块和移位寄存器)、映射模块、状态机等组成。整个数字控制电路结构框图如图5所示。 

    收发控制模块完成对模拟电路接收并处理过的数据进行解码或者把要发送的数据进行编码，同样为了保证数据的正确性，对接收到的数据进行CRC校验。状态机只负责处理数据和执行通信协议，数据和命令的分离以及相应状态下数据存放位置的确定则由映射模块完成，映射模块的功能就是实现接收到的存放在移位寄存器中的数据、状态机以及E2PROM中的数据映射。

3．1 收发控制模块设计

    收发控制模块主要实现对数据接收和发送功能，由编解码子模块、CRC子模块和移位寄存器等组成。还包括一些延时单元，它们将负责对接收数据去起止位，保证状态机收到的数据是没有其他冗余位的数据，同时，延时单元也负责为发送数据添加起始位，保证读写设备能够正确接收数据。编解码子模块由PPM(脉冲位置编码)解码模块和曼彻斯特编码模块组成，PPM解码模块完成对解调后的数据进行解码，曼彻斯特编码模块实现对发送数据的编码；移位寄存器用来存储解码后的数据和将要发送的数据；CRC子模块完成对接收数据的校验，同时也为电子标签需要发送的数据生成校验码。

    编解码模块 根据ISO／IEC15693协议，电子标签到阅读器的数据采用曼彻斯特编码，而从阅读器到电子标签的数据采用脉冲位置编码(PPM)。所以在芯片设计中需要包含曼彻斯特编码模块和PPM解码模块。在ISO/IEC15693协议中，曼彻斯特编码定义如下：在半个比特周期时的负边沿表示二进制‘1’，正边沿表示二进制‘O’。由于在调制模式选择时有单负载调制和双负载调制，因而在不同模式下定义有所不同。曼彻斯特编码过程比较容易实现，只需将时钟信号和数据信号进行异或即可实现此功能。由于信息的传输是以帧为单位的，要在数据前后分别加上SOF(起始位)和EOF(停止位)。

    在ISO/IEC 15693协议中，有256选1和4选1两种脉冲位置编码方式。在PPM编码中，信息是由脉冲所在的位置来表示的。PPM帧的时隙划分为M个时隙，每log 2M位的二进制信息转化为1帧中某特定位置的1个脉冲，在解码端通过检测判决脉冲在帧中的位置，从而还原成二进制信息。因而PPM解码电路实现也相对比较简单，对于256-PPM和4一PPM只要使用相应的循环计数器以及配合电路工作的时钟，就能够顺利还原数据信息。

    移位寄存器在接收数据时，数据进出方式为串入并出，在发送数据时，数据进出方式变为并入串出，其与一般的移位寄存器数据进出的方式不同。在接收时因数据无论是从解码电路还是CRC校验模块输出，要进入移位寄存器都是串行传输，而当移位寄存器中的数据校验完毕准备传给状态机时，因内部处理速度很快，所以数据可以并行送出，故在接收数据时，移位寄存器数据的进出方式为串入并出；同理，在发送数据时，也存在类似原因，只是数据流向刚好相反，此时移位寄存器数据的进出方式变为并入串出。收发移位寄存器进出方式的切换通过专门开关来控制。

    CRC校验模块 用于保证数据交换过程的完整性。在接收数据时可对数据进行检错和纠错处理，在发送数据时，则为编码数据添加CRC校验码，给读写设备验证数据传输无误创造条件。CRC校验的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的CRC码r位，并附在信息后边，构成一个新的二进制码序列数共(k+r)位，最后发送出去。在接收端，则根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。CRC校验模块设计过程中，选取多项式x16+x12+x2+1对其进行电路实现。

3．2 状态机的设计

    数字控制逻辑设计的关键是能够根据条件的变化控制并触发正确的操作，这就涉及到状态机的设计。状态机具有核心的地位和作用，它控制着电子标签和阅读器的通信过程。状态机通过数据映射模块对通用移位寄存器进行数据操作，同时通过专用移位寄存器和E2PROM接口模块完成对阅读器指令的响应。在电子标签工作过程中，主要有未上电、就绪、休眠和选中4种工作状态。为精简电子标签芯片电路，在一般的认证的基础上，将对阅读器进行认证的算法交给阅读器完成，而只把预先加密好的认证码放于芯片内。

    状态机主要分正常工作模式和测试状态2种工作模式，具体处于何种状态由E2PROM中模式控制位确定。在正常工作模式下，首先电子标签进入阅读器天线的磁场，被激活，并接收阅读器的寻卡请求，向它回发自己的UID，阅读器开始确认所接收到的UID是否正确。如果正确，电子标签开始进入等待阅读器命令状态。阅读器开始给电子标签发送认证命令，电子标签收到认证码后，对认证码进行校验，正确则回馈自己的认证码，错误则返回错误的应答命令。电子标签会给阅读器3次认证机会，否则进入停息状态。当然在阅读器收到电子标签的认证码后，同样要进行检验，在电子标签收到阅读器的正确回馈后，即进人选中状态，可以接收阅读器的读或者写的命令。在测试模式下，电子标签执行阅读器的命令是随机的，没有顺序要求，主要用于测试电子标签相应的命令能否正常执行，以及与E2PROM通信是否正常等。

3．3 映射模块的设计

    映射模块实质上是一些特殊的数据通道，它将状态机、收发移位寄存器以及存储器分别对应连接起来，实现数据和命令的分离。映射模块功能示意如图6所示。 

    在状态机和收发移位寄存器的映射过程中，在发送情况下，把状态机中送出的数据或者E2PROM中读出的数据放置到移位寄存器中，数据保持功能由移位寄存器实现，从而节省芯片面积；当处于接收状态时，由于移位寄存器己将接收到的命令和数据做分离处理，映射模块只需根据状态机要求从中取出相关内容。

    对于状态机和存储区的映射，无论是UID号，认证码，密钥以及实际的物品信息，对映射模块来说，都是根据状态机所指地址到存储区中读出或写入内容信息。

4 数据存储体设计

    电子标签芯片要存储数据，采用的办法有：电可擦可编程只读存储器(E2PROM)、铁电随机存取存储器(FRAM)以及静态随机存取存储器(SRAM)。E2PROM的写入电压高，高电压产生难以控制，操作速度慢，读写次数少等缺点在相当程度上制约了RFID芯片的发展。铁电存储器具有工作电压低，操作速度快，读写次数多，功耗低等优点，是一种非常理想的可以替代E2PROM的非挥发性存储器，但由于是利用热释电晶体中自发极化可以在外加电场的作用下发生反向的原理，使得FRAM在生产工艺中遇到了更大的问题，这阻碍了它赢得市场。SRAM主要用于微波系统，需要用辅助电池不断供电，才能永久性保存数据，不适用于无源电子标签芯片存储数据。E2PROM目前生产工艺和设计技术相对成熟，在存储速度、成本等方面都能满足电子标签芯片设计要求，E2PROM要达到应用的要求，需要采用全定制设计，其中较多的是模拟电路，如何设计成功是电子标签芯片实现的关键。E2PROM存储器主要由存储阵列、地址(字线)译码模块、高压控制电路、读写控制模块、数据移位寄存器和电荷泵等组成。总体结构如图7所示。电荷泵产生E2PROM写操作时的高压，高压控制模块对E2PROM写时的高压进行控制，读写控制模块控制位线读或写时的电压，移位寄存器用于对E2PR()M进行读写操作时数据的串行移位输出或输入。 

    在此所设计的E2PROM存储体包括64块用户数据块(BLoCK0一BLOCK63)，4块特殊数据块，用于存储AFI，DSFID，UID，IC信息等。用户数据块分左右两体，由页地址信号PAGE来控制选择，具体读写哪个块或多个块由地址信号ADDR控制。E2PROM的最小操作单位是块，对E2PROM读或写都是以块为单位进行的。

5 版图设计

    版图设计主要包括模块设计、芯片规划、布局、布线等，是一个组合规划和巧拼图形的工作，是从逻辑信息向几何信息的转换。设计中采用SMIC0．35μmE2PROM CMOS工艺，E2PROM采用4个存储单元。版图规划时要考虑好单元间的走线，降低布线难度，另外注意有特殊要求的单元模块的处理，如把噪声敏感的模块隔离起来，版图设计如图8所示，左边是射频接口电路，左上和左下是储能电容，右中上部分是数字控制电路，右中下部分是E2PROM电路。

6 结 语

    目前，RFID电子标签技术是一项最近几年才发展起来和正在发展的新技术。具有海量的市场规模，对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面有着深远影响。RFID技术国外发展较快，主要核心技术由欧美、日本等发达国家掌握。中国在高频、超高频RFID技术和应用上还只是处于发展初期，没有掌握芯片设计、天线设计、封装技术及装备等关键核心技术。

    这里介绍了RFID系统组成，提出了基于ISO／IEC15693协议无源电子标签系统结构，基于低功耗、低成本实现原理。给出了芯片射频接口电路、数字控制电路和E2PROM各个模块的研究与设计实现，并给出了版图设计的布局图。已成功应用到基于ISO／IEC 15693协议无源电子标签芯片设计中，在SMIC 0．35 μm E2PROMCMOS工艺条件下流片成功，芯片面积1．86mm2，各项测试和设计指标满足电子标签的性能要求。