邵景陽，羅勝欽，楊立吾

（1.同濟大學電子與信息工程學院，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

射頻識別技術(shù)[1]簡稱RFID，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預，尤其可工作于各種惡劣環(huán)境。與其他自動識別技術(shù)相比，具有識別速度快、操作方便、存儲容量大、安全可靠等優(yōu)點，在國內(nèi)外已被廣泛應用于各個領域。例如近幾年來得到廣泛應用的基于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有很多應用頻段，目前應用到公共場所的多處于HF頻段，ISO/IEC15693標準就是一種針對高頻段（HF）13.56MHz無源式射頻電子標簽的設計標準，這種標簽依靠13.56MHz的線圈耦合磁場載波信號提供能量。無源電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸以能量傳輸?shù)男问竭M行，主要有全雙工（FDX）、半雙工（HDX）和時序（SEQ）三種方式。由于數(shù)據(jù)的傳輸在空間進行，因此無源電子標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、防沖突機制、加解密以及認證機制。

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；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)存儲介質(zhì)目前廣泛應用的是EEPROM技術(shù)，是整個芯片最寶貴的部分。

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兩類防沖撞機制。兩者防沖撞機制的原理不同，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采用輪尋機制、分時查詢的方式完成防沖撞機制。防沖撞機制使得同時處于讀寫區(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

射頻識別系統(tǒng)一般包括兩個部分，一個是應答器（即無源射頻標簽），一個是閱讀器。在HF頻段內(nèi)，應答器是由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有它唯一的識別編號（UID），標簽多附著在被識別的物體上；閱讀器可以讀取或者寫入（指定應用條件下）數(shù)據(jù)到應答器標簽內(nèi)，通過發(fā)送指令控制標簽內(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)射的載波信號中解調(diào)出基帶信號，并送到數(shù)字電路進行解碼處理。反過來，射頻接口電路將數(shù)字電路發(fā)送的編碼信號經(jīng)過負載調(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進行相應的還原處理。

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、時鐘提取電路、復位電路、調(diào)制和解調(diào)電路。

圖1 ISO/IEC 15693無源標簽系統(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、過流保護電路三個功能模塊組成。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。

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

ISO/IEC15693協(xié)議中規(guī)定卡片在規(guī)定的場強范圍內(nèi)能持續(xù)性地工作。因此必須有一個信號來控制后面的數(shù)字邏輯電路工作的狀態(tài)。當電源電壓達到一個特定的值時，Reset觸發(fā)數(shù)字邏輯電路上電信號讓它進行工作，即上電復位。反之，一旦電源電壓下降到某一個特定電壓以下時， Reset觸發(fā)數(shù)字邏輯電路掉電信號讓它停止工作，即下電復位，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)進行調(diào)制以及從接收到的載波信號中還原出指令數(shù)據(jù)則由調(diào)制和解調(diào)電路來實現(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，ASK/FSK調(diào)制模塊則是調(diào)制以進行基帶曼徹斯特編碼的副載波調(diào)制。

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

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、標志位寄存器進行存儲，在數(shù)據(jù)串行移入寄存器的同時，數(shù)據(jù)也串行送到CRC模塊進行校驗。當數(shù)據(jù)接受完畢，如果CRC錯誤，則Reset2將已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)清零，電子標簽不做任何響應；如果沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，電子標簽的命令處理模塊將讀取數(shù)據(jù)指令、標志位寄存器的數(shù)據(jù)，并據(jù)此來進行下一步的操作。

電子標簽要發(fā)送回復幀時，首先把要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)寫入通用移位寄存器，當計時器完成計時準許發(fā)送時，數(shù)據(jù)串行進入發(fā)送模塊，并同時送到CRC模塊進行CRC計算，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，隨時會造成鎖死狀態(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)在防沖撞機制中。

3 防沖撞控制流程

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

常用的射頻標簽防沖撞機制主要有ALOHA法和二進制搜索算法。

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

二進制搜索算法及其改進算法由一個閱讀器和多個標簽之間規(guī)定的一組命令和應答規(guī)則構(gòu)成，目的在于從多卡中選出任一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

該類算法有3個關(guān)鍵要素：（1）選用適當?shù)幕鶐Ь幋a；（2）利用標簽序列號唯一的特性；（3）設計一組有效的指令規(guī)則，高效、迅速地實現(xiàn)選卡。實現(xiàn)此類算法的必要前提是能辨認出在閱讀器中數(shù)據(jù)碰撞的比特位的準確位置。因此，必須采用合適的編碼法，為了能辨認出閱讀器中數(shù)據(jù)碰撞比特位的準確位置，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)作為錯誤被識別，當兩個或多個標簽同時返回的數(shù)位有不同值時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)生了錯誤應進一步搜索。ISO/IEC15693中無源標簽反饋信號采用的是ASK/FSK副載波調(diào)制，發(fā)送的基帶信號正是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。無源標簽數(shù)字基帶電路設計時，采用實時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簽準備接受的時候會有兩種情況，一個是真正指令到來的SOF和EOF結(jié)束，另一個就是基于防沖撞算法到來的時隙同步幀EOF，那么在無源標簽不知道所到來的指令的意思時，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)幀標志位包括4種模式，F(xiàn)lag位定義無源標簽的反饋信號格式和信息速率，結(jié)合起來考慮即可以區(qū)分到兩種不同的EOF。

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

在防沖撞時序里每當來一個EOF幀格式，即是一個slot時隙，采取解碼之前先取無源標簽UID，然后跟接收到的Mask進行比較，會產(chǎn)生一個差數(shù)，應用這個差數(shù)進行每次來臨一個slot時隙，N自減1操作，基于功耗的考慮，N的自減1比每次運行公式（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)的設計還是整個指令的控制，都需要根據(jù)協(xié)議所有指令的廣義含義設計，在滿足空中接口定義的信號要求的同時，還要了解到信號格式的確定與指令的操作意義是有很大關(guān)系的。電路的設計都可以找到其原來的數(shù)學模型，映射到電路操作方式和信號格式上，以上設計結(jié)構(gòu)和控制流程有待于具體電路驗證，在此提出前期研究結(jié)構(gòu)。

［1］張殿東.無線射頻識別（電子標簽）技術(shù)[J].電信技術(shù)，2005，2:8-9.

［2］吳春華，陳軍.動態(tài)ALOHA法在解決RFID反碰撞問題中的應用[J] .電子器件，2003，26 (6) : 173-176.

［3］王笑梅，張朝暉.智能標簽技術(shù)及其應用[J].金卡工程，2004，5:45-46.

［4］Finkenzeller K.，陳大才譯.射頻識別（RFID）技術(shù)——無線電感應的應答器和非接觸IC 卡的原理與應用[M].北京: 電子工業(yè)出版社，2001 :141-149.

［5］沈宇超，沈樹群，王海波，等.射頻識別系統(tǒng)中的防碰撞算法設計[J] .電子科學學刊，1999，21 (9):702-705.

［6］秦燕青，葛元慶. ISO15693非接觸式IC卡射頻前端電路的設計[J].中國集成電路，2008，4:39-44.

［7］劉佳，張有光.基于時隙的RFID防碰撞算法分析[J].電子技術(shù)應用，2007，5: 94-97.

［8］沈劍良.電子標簽芯片數(shù)字電路系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].國防科學技術(shù)大學研究生院工學碩士學位論文.

［9］Identification cards – Contactless integrated circuits cards– Vicinity cards – Part 2: Air interface and initialization[S].ISO/IEC FDIS 15693-3, 2000.

［10］Identification cards – Contactless integrated circuits cards– Vicinity cards – Part 3: Anticollision and transmission protocol[S]. ISO/IEC FDIS 15693-3, 2000.