邵景陽，羅勝欽，楊立吾

（1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.中芯國際（上海）集成電路制造有限公司，上海 201203）

1 引言

射頻識(shí)別技術(shù)[1]簡稱RFID，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過程無須人工干預(yù)，尤其可工作于各種惡劣環(huán)境。與其他自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，具有識(shí)別速度快、操作方便、存儲(chǔ)容量大、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如近幾年來得到廣泛應(yīng)用的基于ISO14443 TypeA協(xié)議的非接觸式IC卡作為短距離公共交通車票，第二代身份證則用到ISO14443 TypeB協(xié)議，可見RFID市場前景極其廣闊。

RFID有很多應(yīng)用頻段，目前應(yīng)用到公共場所的多處于HF頻段，ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)就是一種針對高頻段（HF）13.56MHz無源式射頻電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)簽依靠13.56MHz的線圈耦合磁場載波信號(hào)提供能量。無源電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸以能量傳輸?shù)男问竭M(jìn)行，主要有全雙工（FDX）、半雙工（HDX）和時(shí)序（SEQ）三種方式。由于數(shù)據(jù)的傳輸在空間進(jìn)行，因此無源電子標(biāo)簽涉及信道安全技術(shù)以及信息安全技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)的編解碼、信道的編解碼、防沖突機(jī)制、加解密以及認(rèn)證機(jī)制。

非接觸式智能卡的無源載波供電方式?jīng)Q定了其芯片SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三部分：射頻前端接口電路、數(shù)字基帶協(xié)議處理電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。射頻前端接口電路包含電源電路和調(diào)制解調(diào)電路，處理來自天線的模擬信號(hào)；數(shù)字部分就是處理協(xié)議指令和數(shù)據(jù)的讀寫操作；作為數(shù)據(jù)的真正載體，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)目前廣泛應(yīng)用的是EEPROM技術(shù)，是整個(gè)芯片最寶貴的部分。

RFID的核心是防沖撞技術(shù)，這也是它和接觸式IC卡的主要區(qū)別。ISO/IEC14443-3規(guī)定了TYPE A和TYPE B兩類防沖撞機(jī)制。兩者防沖撞機(jī)制的原理不同，前者是基于“位”沖撞檢測協(xié)議，而TYPE B通過系列命令序列完成防沖撞。ISO/IEC15693采用輪尋機(jī)制、分時(shí)查詢的方式完成防沖撞機(jī)制。防沖撞機(jī)制使得同時(shí)處于讀寫區(qū)內(nèi)的多張卡的正確操作成為可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。

2 無源芯片SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

射頻識(shí)別系統(tǒng)一般包括兩個(gè)部分，一個(gè)是應(yīng)答器（即無源射頻標(biāo)簽），一個(gè)是閱讀器。在HF頻段內(nèi)，應(yīng)答器是由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有它唯一的識(shí)別編號(hào)（UID），標(biāo)簽多附著在被識(shí)別的物體上；閱讀器可以讀取或者寫入（指定應(yīng)用條件下）數(shù)據(jù)到應(yīng)答器標(biāo)簽內(nèi)，通過發(fā)送指令控制標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)更新。

RFID芯片與閱讀器之間的指令和數(shù)據(jù)交換是通過射頻接口電路來完成的。由于RFID芯片沒有電源，所以需要其片上天線通過耦合方式從讀寫器發(fā)送的電磁波中獲取能量，為RFID芯片電路正常工作提供電源電壓。此外，射頻接口電路從讀寫器發(fā)射的載波信號(hào)中解調(diào)出基帶信號(hào)，并送到數(shù)字電路進(jìn)行解碼處理。反過來，射頻接口電路將數(shù)字電路發(fā)送的編碼信號(hào)經(jīng)過負(fù)載調(diào)制通過片上天線發(fā)送給讀寫器，讀寫器再對接收到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的還原處理。

基于射頻接口電路的方框圖如圖1所示（SMIC DS/RFAG授權(quán)），主要包括電源產(chǎn)生電路、時(shí)鐘提取電路、復(fù)位電路、調(diào)制和解調(diào)電路。

圖1 ISO/IEC 15693無源標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電源產(chǎn)生電路為RFID芯片內(nèi)部電路提供正常工作時(shí)所需要的穩(wěn)定的直流電源，電源產(chǎn)生電路由整流電路、穩(wěn)壓電路、過流保護(hù)電路三個(gè)功能模塊組成。由于數(shù)字基帶電路和EEPROM Charge Pump電路對電壓要求不同，故分為兩類電壓1.2V和1.8V，數(shù)字部分和EEPROM部分電路用到1.2V電壓，Charge Pump電路用到1.8V電壓。

時(shí)鐘提取電路從載波中提取芯片數(shù)字部分和存儲(chǔ)介質(zhì)正常工作時(shí)需要的時(shí)鐘頻，此處時(shí)鐘提取電路僅僅是提取了載波頻率13.56MHz，數(shù)字電路需要的時(shí)鐘以及調(diào)制時(shí)需要的副載波都是由這個(gè)信號(hào)分頻得到的。鑒于低功耗處理方式，在數(shù)字基帶部分分頻器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中才用到4、8、16和32分頻時(shí)鐘。

ISO/IEC15693協(xié)議中規(guī)定卡片在規(guī)定的場強(qiáng)范圍內(nèi)能持續(xù)性地工作。因此必須有一個(gè)信號(hào)來控制后面的數(shù)字邏輯電路工作的狀態(tài)。當(dāng)電源電壓達(dá)到一個(gè)特定的值時(shí)，Reset觸發(fā)數(shù)字邏輯電路上電信號(hào)讓它進(jìn)行工作，即上電復(fù)位。反之，一旦電源電壓下降到某一個(gè)特定電壓以下時(shí)， Reset觸發(fā)數(shù)字邏輯電路掉電信號(hào)讓它停止工作，即下電復(fù)位，保證數(shù)字邏輯電路寄存器的狀態(tài)為暫存工作。

將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制以及從接收到的載波信號(hào)中還原出指令數(shù)據(jù)則由調(diào)制和解調(diào)電路來實(shí)現(xiàn)[3]。ASK解調(diào)模塊解調(diào)出ISO/IEC 15693協(xié)議中包含10% ASK和100% ASK信號(hào)，ASK/FSK調(diào)制模塊則是調(diào)制以進(jìn)行基帶曼徹斯特編碼的副載波調(diào)制。

基于以上考慮，在模擬前端各個(gè)端口信號(hào)清晰的情況下，可以明確到主狀態(tài)機(jī)要進(jìn)行PPM解碼、指令譯碼、CRC驗(yàn)證、防沖撞操作和EEPROM的數(shù)據(jù)讀寫操作。數(shù)字基帶部分進(jìn)行的操作類似于ISO七層網(wǎng)絡(luò)更高一層的通信協(xié)議處理，可以理解為編解碼操作和指令譯碼、執(zhí)行操作。其中隨時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)校驗(yàn)的功能。

解調(diào)后的同步數(shù)據(jù)首先經(jīng)過PPM解碼，解碼后得到一幀數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)接受模塊的控制下，一幀中的數(shù)據(jù)分別串行移入通用移位寄存器或指令、標(biāo)志位寄存器進(jìn)行存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)串行移入寄存器的同時(shí)，數(shù)據(jù)也串行送到CRC模塊進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)接受完畢，如果CRC錯(cuò)誤，則Reset2將已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)清零，電子標(biāo)簽不做任何響應(yīng)；如果沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，電子標(biāo)簽的命令處理模塊將讀取數(shù)據(jù)指令、標(biāo)志位寄存器的數(shù)據(jù)，并據(jù)此來進(jìn)行下一步的操作。

電子標(biāo)簽要發(fā)送回復(fù)幀時(shí)，首先把要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)寫入通用移位寄存器，當(dāng)計(jì)時(shí)器完成計(jì)時(shí)準(zhǔn)許發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)串行進(jìn)入發(fā)送模塊，并同時(shí)送到CRC模塊進(jìn)行CRC計(jì)算，在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊為數(shù)據(jù)加上SOF、CRC和EOF，最后通過對比特流進(jìn)行曼徹斯特編碼和一次調(diào)制（ASK或FSK）后，送入模擬部分的調(diào)制電路。

在執(zhí)行ISO/IEC15693指令流過程中，如果數(shù)字基帶電路操作順序不當(dāng)，隨時(shí)會(huì)造成鎖死狀態(tài)。因此基于指令流和譯碼過程中整體的考慮，指令的操作和PPM譯碼處理是密不可分的，這很好地體現(xiàn)在防沖撞機(jī)制中。

3 防沖撞控制流程

射頻識(shí)別系統(tǒng)工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)有多個(gè)應(yīng)答器同時(shí)處于閱讀器的工作范圍內(nèi)。當(dāng)多個(gè)應(yīng)答器同時(shí)向閱讀器發(fā)送識(shí)別信息時(shí)， 由于所有的應(yīng)答器都使用同一傳輸信道，所以在應(yīng)答器發(fā)送信息的過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生信號(hào)的混合疊加，產(chǎn)生碰撞，造成應(yīng)答器信息相互干擾，使閱讀器無法正確接收和識(shí)別應(yīng)答器[2]。

常用的射頻標(biāo)簽防沖撞機(jī)制主要有ALOHA法和二進(jìn)制搜索算法。

ALOHA法是所有多路存取方法中最簡單的。只要有一個(gè)數(shù)據(jù)包可以使用，這個(gè)數(shù)據(jù)包就從標(biāo)簽發(fā)送到讀寫器。這類標(biāo)簽通常只有一些數(shù)據(jù)（序列號(hào)）傳輸給閱讀器，并且在一個(gè)周期性的循環(huán)中將這些數(shù)據(jù)不斷地發(fā)送給閱讀器，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間只是重復(fù)時(shí)間的一小部分，以致在傳輸之間產(chǎn)生相當(dāng)長的間歇。各個(gè)標(biāo)簽的重復(fù)時(shí)間之間的差別很小，所以存在著一定的概率，兩個(gè)標(biāo)簽可以在不同的時(shí)間段上設(shè)置它們的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)包傳送時(shí)不互相發(fā)生碰撞。

二進(jìn)制搜索算法及其改進(jìn)算法由一個(gè)閱讀器和多個(gè)標(biāo)簽之間規(guī)定的一組命令和應(yīng)答規(guī)則構(gòu)成，目的在于從多卡中選出任一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

該類算法有3個(gè)關(guān)鍵要素：（1）選用適當(dāng)?shù)幕鶐Ь幋a；（2）利用標(biāo)簽序列號(hào)唯一的特性；（3）設(shè)計(jì)一組有效的指令規(guī)則，高效、迅速地實(shí)現(xiàn)選卡。實(shí)現(xiàn)此類算法的必要前提是能辨認(rèn)出在閱讀器中數(shù)據(jù)碰撞的比特位的準(zhǔn)確位置。因此，必須采用合適的編碼法，為了能辨認(rèn)出閱讀器中數(shù)據(jù)碰撞比特位的準(zhǔn)確位置，采用Manchester編碼，該編碼是用電平的改變（上升沿/下降沿）來表示數(shù)值位，這里上升沿編碼為邏輯0，下降沿編碼為邏輯1。若無狀態(tài)跳變視為非法數(shù)據(jù)作為錯(cuò)誤被識(shí)別，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)返回的數(shù)位有不同值時(shí)則上升沿和下降沿互相抵消以至無狀態(tài)跳變，閱讀器可知該位出現(xiàn)碰撞產(chǎn)生了錯(cuò)誤應(yīng)進(jìn)一步搜索。ISO/IEC15693中無源標(biāo)簽反饋信號(hào)采用的是ASK/FSK副載波調(diào)制，發(fā)送的基帶信號(hào)正是Manchester編碼。

在基于表1所示的閱讀器發(fā)送的尋卡指令，采取一種普遍化的指令譯碼操作模式。無源標(biāo)簽數(shù)字基帶電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用實(shí)時(shí)PPM解碼、指令譯碼操作算法電路。

從表1可知一條指令在無源標(biāo)簽準(zhǔn)備接受的時(shí)候會(huì)有兩種情況，一個(gè)是真正指令到來的SOF和EOF結(jié)束，另一個(gè)就是基于防沖撞算法到來的時(shí)隙同步幀EOF，那么在無源標(biāo)簽不知道所到來的指令的意思時(shí)，結(jié)合芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器和SOF、EOF，根據(jù)ISO/IEC15693協(xié)議對指令中Flag和Inventory匹配指令的定義，可以得到圖2所示的指令譯碼流程操作。

Inventory數(shù)據(jù)幀標(biāo)志位包括4種模式，F(xiàn)lag位定義無源標(biāo)簽的反饋信號(hào)格式和信息速率，結(jié)合起來考慮即可以區(qū)分到兩種不同的EOF。

當(dāng)Inventory指令標(biāo)志bit1=1時(shí)，我們就進(jìn)入防沖突序列。根據(jù)協(xié)議中采用的算法公式：

在防沖撞時(shí)序里每當(dāng)來一個(gè)EOF幀格式，即是一個(gè)slot時(shí)隙，采取解碼之前先取無源標(biāo)簽UID，然后跟接收到的Mask進(jìn)行比較，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差數(shù)，應(yīng)用這個(gè)差數(shù)進(jìn)行每次來臨一個(gè)slot時(shí)隙，N自減1操作，基于功耗的考慮，N的自減1比每次運(yùn)行公式（1）來的更快捷。具體操作流程見圖3。

4 結(jié)論

通過以上對基于ISO/IEC15693協(xié)議的無源標(biāo)簽的SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和防沖撞流程操作的分析，可知無論是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還是整個(gè)指令的控制，都需要根據(jù)協(xié)議所有指令的廣義含義設(shè)計(jì)，在滿足空中接口定義的信號(hào)要求的同時(shí)，還要了解到信號(hào)格式的確定與指令的操作意義是有很大關(guān)系的。電路的設(shè)計(jì)都可以找到其原來的數(shù)學(xué)模型，映射到電路操作方式和信號(hào)格式上，以上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和控制流程有待于具體電路驗(yàn)證，在此提出前期研究結(jié)構(gòu)。

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