（微电子学与固体电子学专业论文）基于isoiec+180003协议rfid芯片的模拟前端设计.pdf

摘要 射频识别系统是由无线电技术和互联网技术发展而来的自动识别技术，目前 广泛地应用于交通、金融等流域。其中以半导体集成电路为基础的电子标签是该 系统的核心元件，该元件由模拟前端电路和数字处理电路所组成，而模拟前端电 路又是影响电子标签性能的关键部分。由于目前电子标签的核心技术还掌握在国 外少数几个大公司的手中，所以研究出高性能、低成本的电子标签是该领域发展 的目标。 本文阐述了射频识别技术及电磁场的相关理论，提出了基于i s o i e c l 8 0 0 3 协议电子标签的模拟前端架构。在此基础上，设计了电子标签模拟前端所需的模 块。由基准电压源、模拟模块供电和数字模块供电电路组成的电源管理模块，提 高了能量转化的效率和电源的精度，提高电子标签的工作距离。由1 0 解调电路 和1 0 0 解调电路组成的解调模块的灵敏度有明显的提高，解调的误码率明显下 降。复位信号和低电压检测模块，将电源管理模块的性能进一步提升，以辅助数 字模块工作。 本文采用c h a r t e r e d0 3 5 u r ne e p r o m 工艺对以上模块电路进行了仿真验证， 并进行了版图的布局布线设计。对以上设计反复调整和优化后，基于该工艺上进 行了流片试制。在完成各项工作后，搭建了由f p g a 和读卡器组成的射频识别环 境，对该模拟前端电路进行了详细的测试。结果表明，该设计符合相关协议的规 定，并且在性能上有明显提高。 关键词：射频识别读卡器电子标签i s o i e c 18 0 0 0 3 协议 a b s t r a c t t h er f i ds y s t e mw h i c hi sd e v e l o p e df r o mt h er a d i oa n di n t e r n e tt e c h n o l o g yi s a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dn o wi sw i d e l yu s e di nt r a n s p o r t a t i o n ，f i n a n c e a n do t h e r s i nt h er f i ds y s t e m ，t a g sa r et h ek e yp a r t sb a s e do ns e m i c o n d u c t o ra n d i n t e g r a t e dc i r c u i t s ( i t s ) i nat a g ，t h e r ea r em i x e d s i g n a lc i r c u i t sc o m b i n e db yb o t h d i g i t a la n da n a l o gc i r c u i t s ，a n d t h ea n a l o go n ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n p e r f o r m a n c e so f t h ew h o l et a g s i n c et h ec o r et e c h n i q u eo fc u r r e n tr f i di se x c l u s i v e t oaf e wl a r g e f o r e i g nc o m p a n i e s ，t h eo b j e c t i v e b e c o m e ss ou r g e n tt h a th i i g h p e r f o r m a n c e a n dl o wc o s te l e c t r o n i ct a g ss h o u l db ef o c u s e do ni nf u t u r er e s e a r c h e s t h i sp a p e rd e s c r i b e dr f i dt e c h n o l o g ya n dt h et h e o r yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， a n dp r o p o s e dt h ep a r to ft h ea n a l o gc i r c u i tb a s e do ni s o i e c18 0 0 0 - 3p r o t o c 0 1 b e s i d e s ，t h ee x t r ab l o c k sr e q u i r e db ya n a l o gb l o c kw e r ea l s od e s i g n e d t h ep o w e r m a n a g e m e n tm o d u l ei n c l u d i n ga r e f e r e n c ev o l t a g es o u r c e ，a n a l o gm o d u l e sa n dd i g i t a l m o d u l e sp o w e rs u p p l yc i r c u i ti m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n v e r s i o na n d p o w e ro ft h ea c c u r a c yo fe l e c t r o n i ct a g s t oe x t e n dt h ew o r k i n gd i s t a n c e t h e s e n s i t i v i t yo fd e m o d u l a t i o nb l o c kw a si m p r o v e db y 10 a n d10 0 d e m o d u l a t i o n c i r c u i tw h i c hc o u l dh e l pd e c r e a s eb i te r r o r s t h er e s e ta n dl o w - v o l t a g ed e t e c t i o nb l o c k e n h a n c e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rm a n a g e m e n tb l o c ki no r d e rt os u p p o r td i g i t a l b l o c k t h eb l o c k sw e r es i m u l a t e di nc h a r t e r t e d0 3 5 u me e p r o mp r o c e s s ，a n dw e r e p l a c e da n dr o u t e di nl a y o u td e s i g n t h e i cw a st a p e do u ta f t e rr e d e s i g na n d o p t i m i z a t i o n a f t e rt h ec o m p l e t i o n o ft h ew o r k ，is e t u pt h et e s t e n v i r o n m e n t i n c l u d i n gf p g aa n dr e a d e r ，a n dt e s t e dt h ea n a l o gi c t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e d e s i g nc o m p l i e sw i t ht h er e l e v a n tp r o v i s i o n so f t h ea g r e e m e n t ，a n dt h ep e r f o r m a n c e w a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：r f i d ，r e a d e r ，t a g , i s o i e c 18 0 0 0 3p r o t o c o l 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一旱珀形 r f i d 即射频识别，它是目前应用广泛的一种自动识别技术，是集半导体芯 片技术及互联网技术为一体的综合管理系统。它具有无需人工干预、能够在恶劣 环境下工作的优点。与条码技术相比，它能够一次性读写多个标签，极大的提高 了效率，方便了应用。 射频识别系统就是一个简单的无线电系统，它的两个重要组成部分就是读卡 器( r e a d e r ) 和若干个电子标签( t a g ) 。电子标签的重要组成部分是一颗集成 电路芯片，它存储有唯一的编码和读卡器写入的数据，并且被封装在塑料或金属 等载体中。读卡器即阅读器，是移动式或固定式的读写设备，可以对电子标签内 的存储器进行读写并做相应的处理。 射频识别技术的发展可以追溯到19 世纪4 0 年代，人们根据雷达技术的原理 提出了射频识别技术的构想，并且在而后的几年里做了大量的研究，奠定了它的 理论基础。5 0 年代，该种系统还处于实验室研究、探索阶段。6 0 、7 0 年代，随 着理论技术的快速发展，射频识别产品走出实验室，研发出各种各样产品，出现 了最早的应用。8 0 年代，随着工业和商业的发展，运输物流等行业的兴起，射 频识别系统开始走向商业应用。9 0 年代，开始出现射频识别系统的标准之争， 各种类型的标准层出不穷，各个公司也开发出种类繁多的产品，开始走进人们的 生活。2 0 0 0 年后，随着时代的发展，标准化使射频识别系统发展走向了规范的 道路，各国都在为使本国标准成为世界标准而努力。此时，射频识别电子标签的 种类出现了多样性的趋势。随着半导体集成电路的发展，更低功耗，更低成本， 功能更加强大的芯片不断出现，射频识别系统应用的规模不断扩大【l j 。目前，r f i d 技术在人们生活的各个方面得到了广泛的应用，以r f i d 为基础的物联网产业在 蓬勃的发展，包括智能电网+ 、交通运输、物流产业、医疗健康、智能家居、环境 与安全检测、精细农牧业、工业与自动控制、金融与服务业、公共安全、国防军 事及智能城市等方面的产业都将己应用到r f i d 技术，且规模不断扩大。 发展到今天，可以从很多角度来对射频识别系统分类，工作在1 2 5 k h z 低频 段的系统、工作在1 3 5 6 m h z 高频段的系统、工作在超高频u h f8 6 0 - 9 6 0 m h z 和微波2 4 g h z 的系统等几种。按照电子标签供电形式的不同又可以分为无源、 半有源、有源三种。按照协议的不同可以分为，i s 0 1 4 4 4 3 ，i s 0 1 5 6 9 3 ，i s 0 1 8 0 0 0 第一章绪论 等协议，而且频率不同，用途不同遵循的协议也不同，不同的国家也有自己的执 行标准。在应用上，高频或超高频的r f i d 系统，可以实现更远距离的数据交换 读取，低频的r f i d 系统有明显的价格优势。无源的电子标签可以实现随时读写， 本身不需要携带电池，依靠读卡器的能量来实现自身的工作，方便廉价；有源标 签自身携带电池，可以满足更远距离通信的需要；半有源标签介于以上两种之间， 是两种方案的折中。 r f i d 标签由模拟前端电路、数字电路、存储电路等组成，其中模拟前端电 路是设计的关键之一。它的性能的好坏直接影响着数据的读写，无源标签是否能 够获得足够的能量维持芯片的工作。所以模拟前端电路的设计成为r f i d 标签设 计研究的重点，也是本文研究的焦点。 本课题研究的目的是设计出符合i s o i e c1 8 0 0 0 3 协议的高频r f i d 标签芯 片的模拟前端电路，并进行流片生产和测试。在此研究基础上对该类芯片的常用 电路进行分析，对比，对模拟前端电路存在的问题进行改进。 1 2 国内外发展现状 经过几十年的发展研究，r f i d 技术从基础研究、标准化定义到大规模应用 普及，再到物联网产业，已经成为以微电子技术与互联网计算机技术为核心的多 领域学科，并应用到生产生活的方方面面。 在电子标签模拟前端电路设计方面，文献【2 】和 3 1 q b 提出了很多种电路结构 和实现形式，但是它们属于最原始的电路设计，有很不完善的地方。早期的电子 标签模拟前端电路比较简单，和现在标签电路相比仅仅保护其中的一部分或几部 分，随着设计方案的发展，稳定的、高性能的设计方案层出不穷，已经极大的丰 富了电子标签的产品种类，应用也更加方便1 4 j 。 r f i d 技术在国外发展非常迅速，产品种类繁多，如t i 、m o t o l o r a 、n x p 等世界知名的半导体厂商都有自己的产品，而且各具特色。从全球的范围来看， 美国一直走在这个行业的前列，是r f i d 标准的最重要的建立和制定者。欧洲在 该领域的发展也一直在追赶美国，建立了自己的e p c g l o b a l 标准。日本同样提出 了自己的u i d 标准，但本土厂商需要很多的努力才能将自己的标准成为国际标 准。目前，世界上许多发达国家都在搞射频识别系统的建设，而且拥有自己的成 熟的、先进的产品。 相对于国外厂家，我国的r f i d 产业起步较晚，但随着我国半导体集成电路 的发展，政府的重视程度不断的提高，我国很多企业拥有了自己的产品。但由于 关键及核心技术一直掌握在国外厂商手中，而且目前还完全依赖国外的标准，我 第一章绪论 国在射频识别领域要走到路还很长。我国的市场巨大，市场前景非常广阔，政府 大力支持物联网的发展，“十二五”期间该领域将得到飞速的发展。 1 3 本论文的重点和贡献 目前基于i s o i e c l 5 9 6 3 和1 4 4 4 3 的1 3 5 6 m h z 高频r f i d 标签得到了广泛的 应用，许多论文有深入的研究和介绍，本文的课题对基于i s o i e c l 8 0 0 0 3 协议 的r f i d 标签的模拟前端进行设计，并简要介绍其与其它协议的异同，并将常用 用以上标准的电路进行优化设计应用于本设计。基于以上的问题，本文在以下方 面做了研究和贡献： 第一、在分析国内外文献中模拟前端电路的基础上，提出其中存在的问题，并 给出相关的解决方案。 第二、针对文献中1 0 解调电路灵敏度问题，提出的出现问题的关键点，并通 过电路的改进予以弥补。 第三、根据i s 0 1 8 0 0 0 3 协议的要求，对文献中常用的电路结构进行优化。 第四、提出常见文献中时钟恢复电路的问题，并提出了改进的方案。 最后本文将改进的电路进行方案验证，仿真验证，并应用c h a r t e r e d 公司的 0 3 5 u me e p r o m 工艺进行流片试制，通过测试验证整个模拟前端电路达到了设 计的要求，与外围f p g a 的数字电路和读卡器进行了系统联调，满足系统的要求。 1 4 后续章节安排 本文本着先叙述理论再介绍常见方案，然后提出本文设计方案，先整体后局 部的方法安排章节。具体的安排如下： 第一章绪论部分介绍射频识别系统的历史，国内外研究、发展和应用的情况等做 简要的介绍，并对射频识别系统的特点、应用等做阐述。 第二章详细的介绍射频识别系统的原理、组成和目前所执行的标准，并对电磁场 理论和本文涉及的i s o i e c18 0 0 0 3 协议做详细的描述。 第三章介绍r f i d 芯片的原理和工作流程，并对常见的模拟前端电路设计做分析， 最后详细分析本文中所采用的电路形式。 第四章介绍本设计的r f i d 芯片模拟前端电路的版图及流片所涉及的问题，并详 细分析该芯片的测试结果。 第五章对本设计所作的工作做了总结，提出问题和改进要求，同时对射频识别系 统的发展做出展望。 第二章射频识别系统的原理 第二章射频识别系统的原理 2 1 射频识别系统的构成和标准 射频识别系统的基本构成如图2 1 所示。它的主要部分包括阅读器即读卡器 和电子标签。读卡器用来向电子标签发出阅读指令，将所需要的数据写入或从电 子标签中读出。电子标签根据读卡器的指令进行读写造作，并将有关的信息传递 给读卡器。它们之间通过电磁场耦合方式进行数据的交换。 图2 1 、射频识别系统基本构成图 根据i u i d 系统工作频率不同，射频信号的耦合类型可分为以下几种类型【5 】： ( 1 ) 工作在1 0 0 k h z 3 0 z 的射频识别系统为低频段的系统，它们的工作原 理属于电感耦合方式的，属于密耦合系统，其工作原理和常见的变压器工 作原理相类似，工作的距离有限，一般在0 1 c m 到l c m 。耦合系统的理论 依据是电磁感应定律，通过高频交变的磁场实现能量的交换和信息的传 递。 ( 2 ) 更高频率的射频识别系统，工作在超高频和微波波段，它们是基于电磁反 向散射耦合的，基本原理和雷达的工作原理类似。当电磁波从读卡器发射 后遇到电子标签，电子标签将电磁波反向散射回来，并携带有相关的信息。 这种系统的工作距离可以达到1 0 米以上，属于远距离的射频识别系统。 与电感系统相比，微波系统的作用距离有了明显增大的趋势，但最大的问题 在于通常阅读器发出的功率不足以支持标签的工作，该系统的标签需要携带辅助 电池。系统的敏感性是一个比较重要的因素，它是指抵抗外部干扰电磁场的能力。 4 第二章射频识别系统的原理 电感式应答器的缺点是比较单一的，微波系统特别适合应用于生产车间的制造流 水线中。 在能量的获取方面上，有源射频识别标签是靠外部电池供应的，而无源射频 识别系统中，电子标签的能量一般是靠读卡器发出的磁场转化而来的。读卡器的 天线在其周围产生符合标准的电场和磁场，交变的磁感线通过电子标签的天线， 在其两端产生感应电动势，向电子标签内部提供能量。因为该类射频识别系统的 工作频率的波长与阅读器天线和读卡器之间的距离大很多倍，可以把它们之间的 电磁场当作交变磁场来处理。 能量的获取，关系到r f i d 芯片工作状态的好坏，过强的磁场可以引起芯片 由于获得了过高的电压而损坏，过弱的磁场影响芯片的供电，致使读写距离受到 限制或根本无法工作。其能量获取的原理，可以简要介绍如下：读卡器通过天线 发射符合规定强度的磁场，其中一小部分的磁力线通过电子标签的天线，使其感 应出相应的电动势和电流。通过电磁感应，电子标签的天线两端感应出的电压加 到芯片内部的整流电路中，将交变的电压整流为直流电压经芯片内部电源电路稳 压后供应到芯片内部的各个模块当中。通常在电子标签天线两端并联一个电容， 使天线的谐振网络谐振在读卡器的发射频率上，使得天线两端有非常大的电流， 可以供远距离工作的需要。如图2 2 所示。 淌i - i 图2 - 2 、射频识别系统能量获取示意图 读卡器和电子标签的两个天线的结构可以理解为变压器，中间的空气即为介 质。不同于普通电压器，该种变压器的模型，耦合不是很紧密的，所以电子标签 能量的获取效率一般很低。在此低频感应系统中，工作的效率会受到两种天线结 构参数、它们之间的距离、角度的影响，使电子标签天线的感应电动势降低。 第二章射频识别系统的原理 目前r f i d 的标准有很多种【5 1 ，图2 3 是标准体系结构，图2 - 4 是标准的基 本技术结构，图2 - 5 是标准的基本应用结构。它们规定了包括动物识别、公交卡 等行业上的应用，例如，应用在动物识别上的i s ot c2 3 s c1 9w g 3 标准，其包 括i s o1 1 7 8 4 ：1 9 9 6 规定了编码结构，i s o1 1 7 8 5 ：1 9 9 6 规定了技术的概念， i s 0 1 4 2 2 3 ：2 0 0 0 规定了非接口部分等：应用于道路交通信息学的i s ot c2 0 4 标 准，其包括i s o d t r1 4 8 1 3 1 规定了运输信息与控制，该类标准中还规定了核 心参数模型，案例细节，构造的描述数据描述，地理数据文件等标准；应用于集 装箱上的i s ot c l 0 4 标准，其包括i s o6 6 8 ：1 9 9 5 规定了分类，尺寸和等级， 其余的还规定了代码的识别，自动识别等标准：应用于非接触式识别卡的s c 1 7 厂w g8 标准，其中包括i s o1 0 5 3 6 紧密耦合卡( o l m m ) ，i s o1 4 4 4 3 近距离 p r o x i m i t y 卡( o 1 0 c m ) ，i s o1 5 6 9 3 近距离v i c i n i t y 卡( 0 1 0 0 c m ) 。其中我国使 用的第二代身份证就是采用i s o1 4 4 4 3 标准的。本文设计的射频标签芯片采用的 是i s oi8 0 0 0 3 的标准，其标准是i s o i e ci8 0 0 0 项目管理的无线识别非接触接 口的定义，包括6 个部分。p a r t l 是全球通用频率非接触接口的一般通信参数， p a r t 2 是1 3 5 i 沮z 以下的非接触通信接口参数，p a r t 3 是1 3 5 6 m h z 非接触通信接 口的参数，其它部分规定了其它常用频率段的通信接口参数。 r f i d 标准体系 厂 技术标准应用标准 厂厂n 厂r 丁 术语物理参数通信设备动物识别身份识别商业交通军事 图2 3 、射频识别系统标准体系图 技术标准 冲 突 图2 4 、射频识别系统标准的基本技术图 6 读 头 第二章射频识别系统的原理 应用标准 测试 产 1 1 1 3 包 装 理 图2 - 5 射频识别系统的基本应用图 目前许多组织都参与r f i d 标准的制定中，如i s o 、g s l 、i e e e 等，和e p c g l o b a l 相比，因为i s o 全球非营利组织在全球的认可，i s o i e c 标准有很强的公 信力。在我国也规定了r f i d 相关工作的频段等，主要是采用了i s o i e c1 4 4 4 3 和i s o i e c1 5 6 9 3 标准【。 2 2 与无线电射频相关的电磁场理论 读卡器和电子标签传输数据是靠电磁场完成的，这样可以进行非接触的信 息传递。电磁场的特性和传播规律可以解释这种现象，了解这种特性有助于电子 标签的设计，使其性能更加完善。读卡器发出射频信号后，在其天线周围形成辐 射场和非辐射场，而且这些场的强度会随距离的增大而减弱。其中电场的强度与 两个天线间距离的高次方成反比，离发射天线越远电场场强度越小。在工作频率 的一个波长内，是电抗近场区，电抗场占居主导地位。远离一个波长距离后，又 分为辐射近场区和辐射远场区。所以天线周围场区的不同，也存在不同的特性 卯。 1 天线附近的电抗近场区 由物理知识可知，在距离发射天线口径l , 2 n 处以内的区域电抗的性能占居 主要的地位，它可以储存电磁场的能量。如同变压器原理一样，初级线圈和次级 线圈以及它们之问的介质问存在电场和磁场的能量转换。如果在介质附近有金属 导体靠近，金属将成为它们系统中的一部分。根据物理学知识，该部分场区不对 靠近天线的物体作功，即为无功近场区。 2 稍远离天线的辐射近场区 在天线附近的电抗近场区之外的地方就是辐射场去了，在这个区域的电磁场 已经不受天线的控制而自由辐射了，因此可以将电磁波发射出去。在比较近距离 的区域为辐射近场区，占主导地位的是辐射场，并且和角度分布、与天线的远近 等有关。在研究电磁场和无线电发射的理论中这个场区是非常重要的。 3 远离天线的辐射远场区 第二章射频i , q n 系统的原理 在远离发射天线的区域就是辐射场区了。该区中，天线辐射中最重要的是天 线的反向性图。该区域对于研究远距离无线电传输及通信系统很重要，所以在近 距射频识别系统中基本不做考虑。 对于射频识别系统，由于读卡器和电子标签易于移动，所以天线的尺寸都不 会很大，天线的尺寸都是小于一个波长的。对于这样的天线结构，无功近场区和 远场区可以用波长的大小来估算。由于本设计中采用的1 3 5 6 m h z 载波频率，属 于近耦合系统，故可以按照电抗近场区的理论来分析。下面介绍几个有关场相关 的理论，可以帮助理解射频标签所工作的场区环境。 对于直流导体，在半径为r 的磁感线上，磁场强度是恒定不变的，其磁场 强度h 可以用公式h = i 2 n r 来计算，其示意图可以用图2 - 6 来表示。 图2 - 6 线圈周围磁场的示意图 对于该类近耦合系统，如果把读卡器的天线作为回路a ，标签天线作为回路 b 。电流通过面积为a 。，电流为i 。的回路a ，同理在面积为a b ，电流为i b 的回路 b 中也有电流通过，那么穿过a 。的磁通也通过a b 。回路a 和回路b 之间的互感 系数m b a 可以用公式( 2 1 ) 表示1 6 j 。 m b a ：- 掣：掣d a 。 公式( 2 - 1 ) l 口 。 上4 类似的，m a b 和m b a 有互逆关系m = m a b = m b a 。 从定量的角度可以用互感系数来表示，k 为耦合系数，可以用如下关系式来 表示k 司彤l 。l 6k ：m l 。l 6 ，其中o k 1 ，k = 0 说明距离太远或被屏蔽而无 法去耦合，k = l 说明完全耦合。 如果在标签的天线上并联了电容c 。，那么c a 和天线的电感l a 构成并联谐 振电路，其谐振频率需要和射频识别系统工作频率一致，可以用以下公式计算 f = - 。实际标签中还要考虑天线的固有输入电阻，芯片等效输入电容， 2 n 、l 。c 。 等效负载电阻r l 等。 除了要考虑读卡器到标签的数据传输外，还要考虑标签到读卡器的数据传 第二章射频识别系统的原理 输，其数据交换方式为负载调制和反向散射调制。其工作原理是电子标签的数据 改变了天线回路的谐振参数，使标签的阻抗发生变化，进而引起附近场强的变化， 即发射回去。从频谱角度考虑，把二进制数据调制到载波信号上，实现调制信号 的频谱搬移。 2 3i s o18 0 0 0 3 通信协议描述 i s 0 18 0 0 0 3 是i s o 组织l8 0 0 0 协议的第三部分，它规定了r f i d 项目技术信 息的标准的空中接口，其空中接口通信参数为1 3 5 6 m h z 。 该标准已经是由i s o i e cs c 3 1w g 4 发展而来的，它是专门来管理射频识别 的标准条目，为射频识别系统定义一种帧格式。定义一种这样的帧格式有利于减 少从一种到另一种系统中迁移是产生的问题，尽量减少软件和设备的花费，有助 于系统的管理和控制，以便信息从一个地方到另外一个地方的交换。i s o i e c 1 8 0 0 0 3 协议是基于第一部分对物理层，抗冲突等描述的。该部分协议规定了2 种不同的操作模式，即m o d ei 和m o d ei i ，他们具有不同的特性，以满足不 同的应用，详细的区别可以参见协议的相关资料。由于实际中常采用m o d ei 模式，且模拟前端设计对数字电路采用的协议本身不是很敏感的，所以只介绍 m o d ei 式来指导本文的设计，但是要注意这两种模式本身是不相兼容的。对于 读卡器来说可以识别两种模式，或只使用一种模式。 i s o i e c1 8 0 0 0 3 协议中规定了，读卡器和电子标签间的命令格式，并且另 有未来扩展的帧，每一条命令都分为“强制性命令”和“可选性命令”。对于标 签来说，一个电子标签应该支持所有的“强制性命令”。对于“可选性命令”，它 是一种命令的标准，技术上，读卡器应该支持所有的“可选性命令”，但电子标 签可以支持也可以不支持。另外，还有“客户命令”可以作为一种命令的标准， 但它们不属于专门的标准，它们是用一种不同的方法来定义的强制性或可选性的 标准。同样“专有命令也是用一种不同方法来定义的强制性或可选性标准。物 理层、抗冲突是1 3 5 6 m h z 系统所需要的，对于m o d ei 模式，应用了“读卡器 优先”的读写模式，它不兼容其它的模式。在读卡器和电子标签的数据传输中， 首先是读卡器发出信号，同时为无源电子标签提供其所需要的电场。表2 - 1 中介 绍i s o i e c1 8 0 0 0 3 协议中关于读卡器到电子标签的部分参数要求，表2 - 2 中介 绍了i s o i e c1 8 0 0 0 3 协议中关于电子标签到读卡器的部分参数要求。详细的协 议可以参见有关手册。 表2 1 、i s o i e c1 8 0 0 0 3 协议中读卡器到电子标签的部分参数要求 第二章射频识别系统的原理 _ 一一 一_ - l _ _ - i - i - i - - - l _ _ - - - _ i - i _ i 一 第二章射频识别系统的原理 表2 - 2 、i s o i e c18 0 0 0 3 协议中电子标签到读卡器的部分参数要求 参数 描述限定范围参数 描述限定范围 工作频率，副载一种或两种副载 默认工作频率 1 3 5 6 m h z a ：7 k h z 波频率波被应用，根据协 议i s o i e c1 5 9 6 3 中规定的读卡器 到标签传送的第 一个b i t 来选择， 当一个副载波被 用到时负载调制 f s 为f c 3 2 ( 4 2 3 7 5 k h z ) 当两个副载波被 用到时负载调制 为f c 3 2 ( 4 2 3 7 5 k h z ) 和 f c 2 8 ( 4 8 4 2 8 k h z ) 工作频道( 对频这个模式不适用工作频率精度 1 3 5 6 m h z 与载波同步 谱系统) 频率跳跃( 对于这个模式不适用占用频道带宽 1 3 5 6 m h z4 个副载波 f h s s 系统)1 副载波时：1 3 5 6 m h z - - e ( 4 2 3 7 5 k h 列_ 4 0 k h z ) 2 副载波时：2 个频 道：1 3 5 6 m h z - - l ( 4 8 4 2 8 k h z 士4 0 k h z ) 协议扩展为13 5 6 m h z - - i ： ( 4 2 3 7 5 k h z 士8 0 k h z ) 最大e i r p 非有目的的发射发射到接收转 2 0 0 u s 换时间 接收到发射转换3 0 0 u s 时间 调制( 在载波上) 射频电子标签应 副载波频率 该能通过电感耦 合在调制区域进 如果采用一种副载波： 4 2 3 7 5 k h z 如果采用两种副载波： 第二章射频识别系统的原理 副载波调制 b i t 窒 行频率为f s 的通 信，在标签中通过 开关负载副载波 能够产生。 详见后面章节描 编码格式 述 协议扩展为报告 传输率为 5 2 9 7 k b p s ( f c 2 5 6 ) 和主返 回传输率为 l0 5 9 4 k b p s ( f c 1 2 8 ) 4 2 3 7 5 k h z 和 4 8 4 2 8 k h z 详见后面章节 2 3 1 读卡器到标签的协议 读卡器和标签的调制原则采用a s k 调制方式，它们采用1 0 和1 0 0 两种 调制指数。电子标签应该能对两种调制指数进行解码，并且读卡器应该发送哪种 方式被利用的信息供电子标签来识别。图2 7 和2 8 显示了空中接口的两种调制 波的示意图，图中定义了波形的容许范围。它们的测量方法遵循i s o d e c1 0 3 7 3 7 或t r1 8 0 4 7 的标准，接收机的带宽充足程度可以被测量，以满足最大和最小接 收范围的应用。 第二章射频识别系统的原理 t i m e 稍妇皓觐确弘增 ，翻鞫罄辫醚避穗咖a 蠢翻目i 瓣辨雌鼍群辍瓣 图2 8 、1 0 调制波示意图 数据的编码采用脉冲位置调制方式，读卡器应该支持两种编码模式，它们的 选择应该由读卡器的s t a r to f f r a m e ( s o f ) 帧来标识。第一种编码格式为1 2 5 6 编码模式，单独的一个字节值应该用一个位置的停顿来表示，如图2 - 9 ，它的时 间间隔是2 5 6 f c ，即1 8 8 8 u s 。用这种位置停顿表示一个字节需要- 2 8 8 3 m s ，所 以数据的传输率为1 6 5 k b p s ( f c 8 1 9 2 ) 。读卡器应该在e o f 帧传出前将数据帧的 最后一位传送出来。 第二章射频识别系统的原理 _ 一 i n t i l u m 3 d a t a i e l = ( i t l 0 0 0 0 1 必= 汹酶s e n t 啄瓣i e 翮醐瞒阈斑镪嚣i e 魄 弧黼警嘲删蜘她删蹦硝糖脚甜鼢姗删懈t h e v a l u e t 羁擎誊瓣： 9 4 4 泌：捌e 毒簿$ 辩；勰嘲冁 3 7 7 6 1 , 1 5 ：辩灏0 7s 52 赫： 图2 - 9 、1 2 5 6 编码格式示意图 第二种编码格式为1 4 ，在这种编码格式种一次传输2 b i t 的信息。在一个字 节的传输对中，最后的标志对首先传输。这种编码格式的传输速率为2 6 4 8 k b p s ( f c 5 1 2 ) 。该种编码格式的示意图和例子如图2 1 0 和2 一i i 所示。 1 4 第二章射频识别系统的原理 一一 酶襁懒；钕i 謇_ 秘辆翻瓣黼髓镧嘲馥燃湖潮瀚酬繇删嘲嚣瘪瓣矽两幽 | 瓣5 0i 嚣： 斛；撼：犍秘l 。 嚣j 燃臻：渊# 曩糯：辩搿蜒 7s + 52 稀霉： 图2 1 0 、i 4 编码示意图 图2 1 1 、1 4 编码示例图。 在读卡器到标签的帧格式中，信息的数据是在开始帧( s o f ) 和结束帧( e o f ) 之间，标签在接收到读卡器发来的帧数据后，应该在3 0 0 u s 内发送相应的应答给 读卡器，并且标签应该在l m s 内准备好供电以接收读卡器发来的信息。 在1 2 5 6 编码格式中，s o f 帧的结构图，如图2 一1 2 所示。 第二章射频识别系统的原理 ul i 堡堂臣 掣。嬲睁。 。 “3 7 。7 6 s i 。t m 。 图2 1 2 、1 2 5 6 编码格式的s o f 帧。 在1 4 编码格式中的s o f 帧，如果2 1 3 所示。 图2 1 3 、1 4 编码格式的s o f 帧。 两种编码格式的e o f 帧都是一样的，如图2 1 4 所示。 图2 1 4 、1 2 5 6 和1 4 编码格式的e o f 帧。 了解协议中帧格式，有助与设计标签的电源电路。在各种编码格式中最大的 停顿时间为9 4 4 u s ，即相当于周期性的5 0 k h z 信号调制在载波上，在停顿的时 间内需要保证标签有足够的电源储备，以解调在这期间的信号，特别是1 0 0 调 制时，标签没有外部电场供应，自身储能电容是很重要的。 2 3 2 标签到读卡器的协议 标签的读卡器通过感性耦合区域生成副载波，它用标签中的开关负载来实 现，并且在i s o i e c18 4 0 7 卡测试标准中，负载调制幅度应该不少于1 0 m v 。在 协议的第一个字节中，读卡器可以选择一个或两个负载波来传输电子标签到读卡 器的协议。标签应该支持两种模式。如果两种副载波模式被应用，第一个频率f s l 应该为f c 3 2 ( 4 2 3 ，7 5 k h z ) ，第二个频率f s 2 为f c 2 8 ( 4 8 4 ，2 8 k h z ) 。在负载调 制中，一种高的数据传输率和一种低的数据传输率被用到。哪种数据传输率的选 择通过读卡器发出的第二个字节信息来定义，标签应该支持两种传输率，两种载 波下高低传输率如图2 1 5 所示。 1 6 第二章射频识别系统的原理 ld a t a r a t es i n g l e d l 醛l l s q 扫c a 哺e rs u b e a r d 珂 l l o w6 。6 2 娜6 ，6 7 i b 带 池粼 ( d 2 0 3 2 ) l h i 确 2 6 ，4 8 b 泌2 6 , 6 9 雠 嚣辑# 5 1 2 ，镊，3 d 8 图2 1 5 、不同载波下数据传输率的对比。 在电子标签向读卡器传输数据时所有的编码格式采用曼彻斯特编码，所有的 时序图都是采用高数据率传输做描述，而且对于低传输率来说一样的载波和频率 被应用，在这种情况，脉冲的数目和时间应该乘以4 。 当有一个载波时，逻辑“0 ”用以下方法表示：在数据的开头有8 个脉冲， 即f e 3 2 ( - 4 2 3 7 5 k h z ) ，在这些脉冲后有2 5 6 f c ( 18 8 8 u s ) 的没有调制的载波，如 图2 1 6 。 图2 1 6 、一种载波时逻辑“0 ”示意图。 逻辑“1 ”用以下方法表示：在数据的开始是2 5 6 f c ( 18 8 8 u s ) 没有调制的 载波，后面跟有8 个脉冲，即f c 3 2 ( - 4 2 3 7 5 m z ) ，如图2 1 7 。 图2 1 7 、一种载波时逻辑“1 ”示意图。 当采用两种载波时，如果在两种载波出现时，他们有连续的相位关系。那么 逻辑“0 ”可以用以下表示：数据以8 个脉冲开始，即f c 3 2 ( 4 2 3 7 5 k h z ) ，然后 跟有9 个脉冲f c 2 8 ( 4 8 4 2 5 k h z ) ，如图2 1 8 所示。 第二章射频识别系统的原理 图2 1 8 、两种载波时逻辑“0 ”的示意图。 逻辑“1 ”可以用以下表示：数据以9 个脉冲开始，即f c 2 8 ( 一4 8 4 2 8 k h z ) 然后跟有8 个脉冲，即f c 3 2 ( 4 2 3 7 5 k h z ) ，如图2 1 9 所示。 图2 1 9 、两种载波时逻辑“1 ”的示意图。 以上是在标签到读卡器传输时的逻辑“0 ”和“1 ”的表示方法，在帧传输中， 帧的选择是同步的，且独立于协议的。帧的传输是以s o f 帧开头，以e o f 帧结 尾的，而且可以按照i s o i e c 的规定在将来的应用中予以扩充。对于一样的载波 频率时低数据传输和高数据传输的示意图是一样的，区别在于低数据传输时脉冲 个数和时间都是高数据传输时的4 倍。 当采用单载波时，s o f 帧包括三个部分：未调制的时间，7 6 8 f c ( 5 6 6 4 u s ) ；2 4 个时间为f c 3 2 的脉冲( 4 2 3 7 5 k h z ) ；逻辑“1 ”，用2 5 6 个2 5 6 f c ( 1 8 8 8 u s ) 的脉冲开始，后接8 个f c 3 2 的脉冲，即( - - - 4 2 3 k h z ) 。如图2 2 0 所示。 图2 2 0 、一种载波时得s o f 帧。 第二章射频识别系统的原理 当采用两个载波时s o f 帧时，s o f 帧包括3 个部分：2 7 个f c 2 8 的脉冲 ( 4 8 4 2 8 k h z ) ；2 4 个f c 3 2 的脉冲( 4 2 3 7 5 k h z ) ；一个逻辑“1 ”，用9 个f c 2 8 的脉冲开始( 4 8 4 2 8 k h z ) ，然后跟有8 个f c 3 2 的脉冲( 4 2 3 7 5 k h z ) 。如图2 - 2 1 所示。 图2 2 l 、两种载波时的s o f 帧。 当采用一种载波时e o f 帧包括3 个部分：2 个逻辑“0 ”，以8 个f c 3 2 脉冲 开始( - 4 2 3 7 5 k h z ) ，然后跟有2 5 6 f c 时间的未调制脉冲( 1 8 8 8 u s ) ；2 4 个f c 3 2 的脉冲( - 4 2 3 7 5 i d z ) ；未调制的7 6 8 f c 个脉冲时间( 5 6 6 4 u s ) 。如图2 2 2 所示。 图2 2 2 、一种载波时的e o f 帧。 当采用两个载波时，e o f 帧包括3 个部分：逻辑“0 ”，8 个f c ，3 2 脉冲开始 ( - 4 2 3 7 5 k h z ) ，然后跟有9 个f c 2 8 脉冲( , - 4 8 4 2 8 k h z ) ；2 4 个f c 3 2 脉冲 ( 4 2 3 7 5 k h z ) ；2 7 个f c 2 8 脉冲( 4 8 4 2 8 k h z ) 。如图2 2 3 所示。 图2 2 3 、两种载波时的e o f 帧。 在i s o i e c l 8 0 0 0 3 协议m o d ei 中，规定了有关应答的模式和数据格式的 要求，可以参见协议的数字部分。 1 9 第二章射频识别系统的原理 2 4 小结 本章介绍了射频识别系统的组成，工作流程和基本原理，对射频识别系统的 标准做了简要的介绍，并且对i s o i e c l 8 0 0 0 3 协议的模拟前端接口部分做了较 详细的说明。通过以上对射频识别系统的工作原理、标准、和相关的电磁场理论 的简单介绍，为设计本文相关的r f i d 标签的模拟前端电路做了铺垫，有助于符 合芯片的应用环境与相关的外围接口。对于数字协议部分与模拟前端电路的设计 没有太大的关系，故可以参考相关的协议文件。 第三章r f i d 芯片工作流程和模拟前端电路设计 第三章r f i d 芯片工作流程和模拟前端电路设计 3 1r f i d 芯片工作原理和流程 r f i d 标签组成包括模拟前端电路和数字处理模块，如图3 1 所示。 图3 1 、电子标签的系统框图。 本文所涉及的仅为r f i d 芯片的模拟前端部分，所以仅需要考虑模拟前端电 路的功能模块。在实际应用中的芯片内，模拟电路与数字电路的