1 電子標(biāo)簽及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 電子標(biāo)簽
    RFID系統(tǒng)主要由3部分組成：電子標(biāo)簽、天線、閱讀器(如圖1所示)。

    電子標(biāo)簽(Tag，應(yīng)答器)由耦合元件及芯片組成，是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，放在需要識(shí)別的物體上，存儲(chǔ)目標(biāo)信息如功能特性、性能指標(biāo)等。閱讀器(Reader)是讀取電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，包括高頻模塊(發(fā)送接收器)、控制模塊、以及與應(yīng)答器連接的耦合元件(收發(fā)天線)。天線在應(yīng)答器和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)，應(yīng)答器和閱讀器之間采用無(wú)線通信方式。
    RFID電子標(biāo)簽種類(lèi)很多，分類(lèi)方式多樣，按供電方式可分為有源和無(wú)源電子標(biāo)簽；按載波頻率可分為低頻(125 kHz和134．2 kHz)、高頻(13．56 MHz)、超高頻(860～960 MHz)，以及微波電子標(biāo)簽(2．45 GHz以上)；按作用距離可分為密耦合(<1 cm)、近耦合(<15 cm)、疏耦合(<1 m)，和遠(yuǎn)距離(1～10 m)四種。在此研究的是基于ISO／IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的高頻疏耦合無(wú)源電子標(biāo)簽，提出了其低功耗、低成本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，探討了各個(gè)功能模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1．2 電子標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    電子標(biāo)簽芯片可劃分為諧振回路、射頻接口電路、數(shù)字控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體4部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    諧振回路是電子標(biāo)簽與外界的通信接口，它耦合閱讀器天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，為電子標(biāo)簽提供能量和數(shù)據(jù)。射頻接口將外接天線和內(nèi)部數(shù)字控制電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體聯(lián)系起來(lái)，射頻接口電路接收天線耦合的閱讀器信號(hào)，使內(nèi)部電路從中獲得能量、時(shí)序和數(shù)據(jù)。數(shù)字控制電路主要包括狀態(tài)機(jī)、譯碼編碼、加密校驗(yàn)、防沖突等模塊，實(shí)現(xiàn)命令編解碼、數(shù)據(jù)校驗(yàn)，完成對(duì)射頻接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體的控制操作，完成協(xié)議所要求的功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體采用E2RPOM，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)的存放，可以根據(jù)具體要求進(jìn)行讀／寫(xiě)操作。

2 射頻接口電路設(shè)計(jì)
    射頻接口電路包括電源產(chǎn)生電路、調(diào)制解調(diào)電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路和復(fù)位電路。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    電源產(chǎn)生電路 是射頻接口電路部分的最關(guān)鍵技術(shù)，它從閱讀器所發(fā)射的電磁波中提取電源電壓，給電子標(biāo)簽芯片內(nèi)各個(gè)部分電路提供工作時(shí)所需要的能量，成功地解決了電子標(biāo)簽內(nèi)電路正常工作所需要的電源電壓?jiǎn)栴}。主要由電感諧振網(wǎng)絡(luò)、全波整流電路、限幅穩(wěn)幅電路和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路組成。整流出的直流電壓幅度抖動(dòng)仍較大，需要再進(jìn)行穩(wěn)壓和限幅，才能提供給內(nèi)部電路使用。設(shè)計(jì)中采用串聯(lián)穩(wěn)壓、融合并聯(lián)分流限幅、低壓檢測(cè)復(fù)位等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖4。

    調(diào)制解調(diào)電路 電子標(biāo)簽通過(guò)將要發(fā)送的信號(hào)調(diào)制向閱讀器發(fā)出的載波信號(hào)上或者解調(diào)閱讀器發(fā)來(lái)的信號(hào)完成與閱讀器的通信。ISO／IEC 15693協(xié)議規(guī)定了閱讀器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸采用ASK調(diào)制方式，調(diào)制系數(shù)為10％和100％；電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用負(fù)載調(diào)制方式。當(dāng)閱讀器采用100％ASK調(diào)制方式，由于調(diào)制模式的特殊性，電磁場(chǎng)能量中間有中斷；采用10％ASK調(diào)制方式，電磁場(chǎng)能量連續(xù)傳送。調(diào)制方式與射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫(xiě)距離相關(guān)，一般情況下近距離工作時(shí)優(yōu)先采用100％ASK調(diào)制方式，遠(yuǎn)距離工作時(shí)優(yōu)先采用10% ASK調(diào)制方式。
    時(shí)鐘提取和復(fù)位電路 電子標(biāo)簽與閱讀器能夠正常通信，依賴(lài)于電子標(biāo)簽上的時(shí)鐘能夠和閱讀器上的時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。從載波中提取出時(shí)序，以保證通信的可靠性，對(duì)提取出的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，按照數(shù)字部分的工作要求提供合適的分頻時(shí)鐘，完成對(duì)解調(diào)出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理等功能。復(fù)位電路有上電復(fù)位和下電復(fù)位2種，上電復(fù)位是當(dāng)電子標(biāo)簽獲得足夠的能量開(kāi)始工作時(shí)，將卡內(nèi)時(shí)序電路設(shè)定為一個(gè)合適的初始狀態(tài)，以防止出現(xiàn)邏輯混亂。下電復(fù)位則是為系統(tǒng)有可能出現(xiàn)的意外情況而采取的一種保護(hù)措施。

3 數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)
    數(shù)字控制電路是整個(gè)芯片的重要的功能模塊，它接收來(lái)自射頻接口電路的解調(diào)后的信號(hào)以及13．56 MHz的時(shí)鐘信號(hào)．對(duì)解調(diào)信號(hào)解碼并進(jìn)行處理。在數(shù)字控制電路的控制下，對(duì)E2PROM進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼后送人射頻接口電路。數(shù)字控制電路系統(tǒng)由收發(fā)控制模塊(編解碼子模塊、CRC子模塊和移位寄存器)、映射模塊、狀態(tài)機(jī)等組成。整個(gè)數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

    收發(fā)控制模塊完成對(duì)模擬電路接收并處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼或者把要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，同樣為了保證數(shù)據(jù)的正確性，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。狀態(tài)機(jī)只負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)和命令的分離以及相應(yīng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)存放位置的確定則由映射模塊完成，映射模塊的功能就是實(shí)現(xiàn)接收到的存放在移位寄存器中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)機(jī)以及E2PROM中的數(shù)據(jù)映射。
3．1 收發(fā)控制模塊設(shè)計(jì)
    收發(fā)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，由編解碼子模塊、CRC子模塊和移位寄存器等組成。還包括一些延時(shí)單元，它們將負(fù)責(zé)對(duì)接收數(shù)據(jù)去起止位，保證狀態(tài)機(jī)收到的數(shù)據(jù)是沒(méi)有其他冗余位的數(shù)據(jù)，同時(shí)，延時(shí)單元也負(fù)責(zé)為發(fā)送數(shù)據(jù)添加起始位，保證讀寫(xiě)設(shè)備能夠正確接收數(shù)據(jù)。編解碼子模塊由PPM(脈沖位置編碼)解碼模塊和曼徹斯特編碼模塊組成，PPM解碼模塊完成對(duì)解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，曼徹斯特編碼模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼；移位寄存器用來(lái)存儲(chǔ)解碼后的數(shù)據(jù)和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；CRC子模塊完成對(duì)接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，同時(shí)也為電子標(biāo)簽需要發(fā)送的數(shù)據(jù)生成校驗(yàn)碼。
    編解碼模塊 根據(jù)ISO／IEC15693協(xié)議，電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，而從閱讀器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)采用脈沖位置編碼(PPM)。所以在芯片設(shè)計(jì)中需要包含曼徹斯特編碼模塊和PPM解碼模塊。在ISO/IEC15693協(xié)議中，曼徹斯特編碼定義如下：在半個(gè)比特周期時(shí)的負(fù)邊沿表示二進(jìn)制‘1’，正邊沿表示二進(jìn)制‘O’。由于在調(diào)制模式選擇時(shí)有單負(fù)載調(diào)制和雙負(fù)載調(diào)制，因而在不同模式下定義有所不同。曼徹斯特編碼過(guò)程比較容易實(shí)現(xiàn)，只需將時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行異或即可實(shí)現(xiàn)此功能。由于信息的傳輸是以幀為單位的，要在數(shù)據(jù)前后分別加上SOF(起始位)和EOF(停止位)。
    在ISO/IEC 15693協(xié)議中，有256選1和4選1兩種脈沖位置編碼方式。在PPM編碼中，信息是由脈沖所在的位置來(lái)表示的。PPM幀的時(shí)隙劃分為M個(gè)時(shí)隙，每log 2M位的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)化為1幀中某特定位置的1個(gè)脈沖，在解碼端通過(guò)檢測(cè)判決脈沖在幀中的位置，從而還原成二進(jìn)制信息。因而PPM解碼電路實(shí)現(xiàn)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)于256-PPM和4一PPM只要使用相應(yīng)的循環(huán)計(jì)數(shù)器以及配合電路工作的時(shí)鐘，就能夠順利還原數(shù)據(jù)信息。
    移位寄存器在接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)出方式為串入并出，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)出方式變?yōu)椴⑷氪?，其與一般的移位寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)出的方式不同。在接收時(shí)因數(shù)據(jù)無(wú)論是從解碼電路還是CRC校驗(yàn)?zāi)K輸出，要進(jìn)入移位寄存器都是串行傳輸，而當(dāng)移位寄存器中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)完畢準(zhǔn)備傳給狀態(tài)機(jī)時(shí)，因內(nèi)部處理速度很快，所以數(shù)據(jù)可以并行送出，故在接收數(shù)據(jù)時(shí)，移位寄存器數(shù)據(jù)的進(jìn)出方式為串入并出；同理，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也存在類(lèi)似原因，只是數(shù)據(jù)流向剛好相反，此時(shí)移位寄存器數(shù)據(jù)的進(jìn)出方式變?yōu)椴⑷氪?。收發(fā)移位寄存器進(jìn)出方式的切換通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)關(guān)來(lái)控制。
    CRC校驗(yàn)?zāi)K 用于保證數(shù)據(jù)交換過(guò)程的完整性。在接收數(shù)據(jù)時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)處理，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則為編碼數(shù)據(jù)添加CRC校驗(yàn)碼，給讀寫(xiě)設(shè)備驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤創(chuàng)造條件。CRC校驗(yàn)的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的CRC碼r位，并附在信息后邊，構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共(k+r)位，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)。CRC校驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)過(guò)程中，選取多項(xiàng)式x16+x12+x2+1對(duì)其進(jìn)行電路實(shí)現(xiàn)。
3．2 狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)
    數(shù)字控制邏輯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠根據(jù)條件的變化控制并觸發(fā)正確的操作，這就涉及到狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。狀態(tài)機(jī)具有核心的地位和作用，它控制著電子標(biāo)簽和閱讀器的通信過(guò)程。狀態(tài)機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)映射模塊對(duì)通用移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，同時(shí)通過(guò)專(zhuān)用移位寄存器和E2PROM接口模塊完成對(duì)閱讀器指令的響應(yīng)。在電子標(biāo)簽工作過(guò)程中，主要有未上電、就緒、休眠和選中4種工作狀態(tài)。為精簡(jiǎn)電子標(biāo)簽芯片電路，在一般的認(rèn)證的基礎(chǔ)上，將對(duì)閱讀器進(jìn)行認(rèn)證的算法交給閱讀器完成，而只把預(yù)先加密好的認(rèn)證碼放于芯片內(nèi)。
    狀態(tài)機(jī)主要分正常工作模式和測(cè)試狀態(tài)2種工作模式，具體處于何種狀態(tài)由E2PROM中模式控制位確定。在正常工作模式下，首先電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器天線的磁場(chǎng)，被激活，并接收閱讀器的尋卡請(qǐng)求，向它回發(fā)自己的UID，閱讀器開(kāi)始確認(rèn)所接收到的UID是否正確。如果正確，電子標(biāo)簽開(kāi)始進(jìn)入等待閱讀器命令狀態(tài)。閱讀器開(kāi)始給電子標(biāo)簽發(fā)送認(rèn)證命令，電子標(biāo)簽收到認(rèn)證碼后，對(duì)認(rèn)證碼進(jìn)行校驗(yàn)，正確則回饋?zhàn)约旱恼J(rèn)證碼，錯(cuò)誤則返回錯(cuò)誤的應(yīng)答命令。電子標(biāo)簽會(huì)給閱讀器3次認(rèn)證機(jī)會(huì)，否則進(jìn)入停息狀態(tài)。當(dāng)然在閱讀器收到電子標(biāo)簽的認(rèn)證碼后，同樣要進(jìn)行檢驗(yàn)，在電子標(biāo)簽收到閱讀器的正確回饋后，即進(jìn)人選中狀態(tài)，可以接收閱讀器的讀或者寫(xiě)的命令。在測(cè)試模式下，電子標(biāo)簽執(zhí)行閱讀器的命令是隨機(jī)的，沒(méi)有順序要求，主要用于測(cè)試電子標(biāo)簽相應(yīng)的命令能否正常執(zhí)行，以及與E2PROM通信是否正常等。
3．3 映射模塊的設(shè)計(jì)
    映射模塊實(shí)質(zhì)上是一些特殊的數(shù)據(jù)通道，它將狀態(tài)機(jī)、收發(fā)移位寄存器以及存儲(chǔ)器分別對(duì)應(yīng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的分離。映射模塊功能示意如圖6所示。

    在狀態(tài)機(jī)和收發(fā)移位寄存器的映射過(guò)程中，在發(fā)送情況下，把狀態(tài)機(jī)中送出的數(shù)據(jù)或者E2PROM中讀出的數(shù)據(jù)放置到移位寄存器中，數(shù)據(jù)保持功能由移位寄存器實(shí)現(xiàn)，從而節(jié)省芯片面積；當(dāng)處于接收狀態(tài)時(shí)，由于移位寄存器己將接收到的命令和數(shù)據(jù)做分離處理，映射模塊只需根據(jù)狀態(tài)機(jī)要求從中取出相關(guān)內(nèi)容。
    對(duì)于狀態(tài)機(jī)和存儲(chǔ)區(qū)的映射，無(wú)論是UID號(hào)，認(rèn)證碼，密鑰以及實(shí)際的物品信息，對(duì)映射模塊來(lái)說(shuō)，都是根據(jù)狀態(tài)機(jī)所指地址到存儲(chǔ)區(qū)中讀出或?qū)懭雰?nèi)容信息。

4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體設(shè)計(jì)
    電子標(biāo)簽芯片要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用的辦法有：電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)以及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)。E2PROM的寫(xiě)入電壓高，高電壓產(chǎn)生難以控制，操作速度慢，讀寫(xiě)次數(shù)少等缺點(diǎn)在相當(dāng)程度上制約了RFID芯片的發(fā)展。鐵電存儲(chǔ)器具有工作電壓低，操作速度快，讀寫(xiě)次數(shù)多，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的可以替代E2PROM的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，但由于是利用熱釋電晶體中自發(fā)極化可以在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生反向的原理，使得FRAM在生產(chǎn)工藝中遇到了更大的問(wèn)題，這阻礙了它贏得市場(chǎng)。SRAM主要用于微波系統(tǒng)，需要用輔助電池不斷供電，才能永久性保存數(shù)據(jù)，不適用于無(wú)源電子標(biāo)簽芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。E2PROM目前生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)成熟，在存儲(chǔ)速度、成本等方面都能滿(mǎn)足電子標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)要求，E2PROM要達(dá)到應(yīng)用的要求，需要采用全定制設(shè)計(jì)，其中較多的是模擬電路，如何設(shè)計(jì)成功是電子標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。E2PROM存儲(chǔ)器主要由存儲(chǔ)陣列、地址(字線)譯碼模塊、高壓控制電路、讀寫(xiě)控制模塊、數(shù)據(jù)移位寄存器和電荷泵等組成。總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。電荷泵產(chǎn)生E2PROM寫(xiě)操作時(shí)的高壓，高壓控制模塊對(duì)E2PROM寫(xiě)時(shí)的高壓進(jìn)行控制，讀寫(xiě)控制模塊控制位線讀或?qū)憰r(shí)的電壓，移位寄存器用于對(duì)E2PR()M進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)數(shù)據(jù)的串行移位輸出或輸入。

    在此所設(shè)計(jì)的E2PROM存儲(chǔ)體包括64塊用戶(hù)數(shù)據(jù)塊(BLoCK0一BLOCK63)，4塊特殊數(shù)據(jù)塊，用于存儲(chǔ)AFI，DSFID，UID，IC信息等。用戶(hù)數(shù)據(jù)塊分左右兩體，由頁(yè)地址信號(hào)PAGE來(lái)控制選擇，具體讀寫(xiě)哪個(gè)塊或多個(gè)塊由地址信號(hào)ADDR<O：4>控制。E2PROM的最小操作單位是塊，對(duì)E2PROM讀或?qū)懚际且詨K為單位進(jìn)行的。

5 版圖設(shè)計(jì)
    版圖設(shè)計(jì)主要包括模塊設(shè)計(jì)、芯片規(guī)劃、布局、布線等，是一個(gè)組合規(guī)劃和巧拼圖形的工作，是從邏輯信息向幾何信息的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中采用SMIC0．35μmE2PROM CMOS工藝，E2PROM采用4個(gè)存儲(chǔ)單元。版圖規(guī)劃時(shí)要考慮好單元間的走線，降低布線難度，另外注意有特殊要求的單元模塊的處理，如把噪聲敏感的模塊隔離起來(lái)，版圖設(shè)計(jì)如圖8所示，左邊是射頻接口電路，左上和左下是儲(chǔ)能電容，右中上部分是數(shù)字控制電路，右中下部分是E2PROM電路。

6 結(jié) 語(yǔ)
    目前，RFID電子標(biāo)簽技術(shù)是一項(xiàng)最近幾年才發(fā)展起來(lái)和正在發(fā)展的新技術(shù)。具有海量的市場(chǎng)規(guī)模，對(duì)提升社會(huì)信息化水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量、增強(qiáng)公共安全與國(guó)防安全等方面有著深遠(yuǎn)影響。RFID技術(shù)國(guó)外發(fā)展較快，主要核心技術(shù)由歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家掌握。中國(guó)在高頻、超高頻RFID技術(shù)和應(yīng)用上還只是處于發(fā)展初期，沒(méi)有掌握芯片設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、封裝技術(shù)及裝備等關(guān)鍵核心技術(shù)。
    這里介紹了RFID系統(tǒng)組成，提出了基于ISO／IEC15693協(xié)議無(wú)源電子標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于低功耗、低成本實(shí)現(xiàn)原理。給出了芯片射頻接口電路、數(shù)字控制電路和E2PROM各個(gè)模塊的研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并給出了版圖設(shè)計(jì)的布局圖。已成功應(yīng)用到基于ISO／IEC 15693協(xié)議無(wú)源電子標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)中，在SMIC 0．35 μm E2PROMCMOS工藝條件下流片成功，芯片面積1．86mm2，各項(xiàng)測(cè)試和設(shè)計(jì)指標(biāo)滿(mǎn)足電子標(biāo)簽的性能要求。