無源超高頻RFID應(yīng)答器的設(shè)計

射頻識別(RFID)技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣。由于具有非觸點和非視距的特性，RFID特別適用于供應(yīng)鏈的管理。無源RFID在低頻(125kHz)和高頻(13.56MHz)市場上出現(xiàn)已經(jīng)有一段時間了。在2003年以前，已經(jīng)出現(xiàn)了多種UHFRFID標(biāo)準(zhǔn)。麻省理工學(xué)院汽車標(biāo)識中心(MassachusettsInstituteofTechnology’sAuto-IDCenter)(位于馬薩諸塞州劍橋)意識到了多種專利RFID標(biāo)準(zhǔn)的問題，認(rèn)識到地方性的協(xié)議會阻止RFID技術(shù)的發(fā)展和普及。為營造互用和國際性遵從的規(guī)章，就需要單一、開放的標(biāo)準(zhǔn)。他們推薦的下一代UHFRFID――即Gen2標(biāo)準(zhǔn)的前身有兩個意義。一旦單一國際性標(biāo)準(zhǔn)確立下來，基于UHFRFID的系統(tǒng)應(yīng)用將更快、使用更方便、價格更便宜、系統(tǒng)更魯棒；會出現(xiàn)多供應(yīng)商渠道。該汽車標(biāo)識中心2003年6月在瑞士蘇黎世一個討論會上提出啟動Gen2的工作。他們最終將開發(fā)和商業(yè)化該標(biāo)準(zhǔn)的工作轉(zhuǎn)化成EPCglobal，2004年12月已將該標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)為"860MHz到960MHz第二代UHFRFID通訊協(xié)議"。

從RFIDIC設(shè)計角度看，RFID存在兩個主要的設(shè)計約束：功率可用性/帶寬和應(yīng)答器的復(fù)雜性。無源UHFRFID應(yīng)答器設(shè)計要求折衷考慮功率要求、復(fù)雜性和芯片尺寸等因素，以獲得期望的性能。

目前，一些主要國家對UHF工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)頻段的頻譜分配、帶寬和輻射功率的要求差異很大。(輻射功率常被定義為有效的各向同性輻射功率(EIRP))。根據(jù)"EPC全球"標(biāo)準(zhǔn)，UHF頻段范圍從860MHz到960MHz，允許的功率水平為4W。但不同地區(qū)對UHFISM頻段的要求不同：在北美，UHFISM頻段為902MHz到928MHz，最大EIRP為4W；在歐洲，UHFISM頻段為865MHz到868MHz，最大EIRP為2W；在日本，UHFISM頻段為952MHz到954MHz，最大EIRP為4W。

應(yīng)答器的復(fù)雜性是另一個設(shè)計約束因素。應(yīng)答器的接收范圍取決于RFIC片(標(biāo)簽)的最低導(dǎo)通功率(閾值功率)。在UHFRFID系統(tǒng)中，無源反向散射原理經(jīng)常用在從標(biāo)簽到讀卡器的反向鏈路中?？勺x取范圍常常由從讀卡器到標(biāo)簽的前向鏈接中標(biāo)簽的可用輻射功率決定，這是因為到達(dá)讀卡器RF前端的可用反向散射信號強(qiáng)度大約為-25～-65dBm。


圖2：Dickson電荷泵是UHFRFID整流器電路的一種可選結(jié)構(gòu)，圖中是Dickson電荷泵的工作原理圖。

UHFRFID整流器電路的另一種可選結(jié)構(gòu)是Dickson電荷泵(圖2)，它主要用在非易失性存儲器中，以產(chǎn)生EEPROM電路所需的高編程電壓。因為大多數(shù)RFID芯片也包含非易失性存儲器，所以設(shè)計工程師可以重用該電路拓?fù)?，實現(xiàn)產(chǎn)生高電壓的電路，從而節(jié)省開發(fā)時間。

Dickson結(jié)構(gòu)的簡化等式如式1。


其中，Vp,RF=輸入RF信號幅度，Vf,D=二極管正向壓降。

Dickson電荷泵幾乎可用任何半導(dǎo)體器件來構(gòu)建，但采用肖特基二極管和低閾值電壓(VTH)MOSFET的設(shè)計具有最佳性能。Dickson電荷泵電路要求輸入電壓很小，設(shè)計工程師可以通過控制級數(shù)(N)來選擇想要的輸出電壓和輸入阻抗。但由于整流器件數(shù)量多，并存在泄漏電流和寄生參數(shù)，Dickson電荷泵的功率轉(zhuǎn)換效率較低。

RFID應(yīng)答器的調(diào)制器和解調(diào)器

RFID調(diào)制器將應(yīng)答器數(shù)據(jù)發(fā)送到RFID詢問器或讀卡器。反向散射調(diào)制被專門用在UHFRFID系統(tǒng)中。EPCGen2協(xié)議定義了幅移鍵控(ASK)和相移鍵控(PSK)兩個調(diào)制方案。在ASK調(diào)制方案中，兩個阻抗?fàn)顟B(tài)(只改變純電阻，開路或短路或等于兩個非零電阻)在兩個天線引腳之間互相切換。用戶可以選擇任何一個狀態(tài)來表示邏輯1或0。在PSK調(diào)制方案中也有兩個受控的阻抗?fàn)顟B(tài)，但只改變虛部值。為在兩個虛部電抗值之間切換，設(shè)計工程師常常使用大MOSFET或帶壓敏電容的變?nèi)荻O管。


圖3：天線/RFID芯片連接的簡單等效電路可用電抗與電阻并聯(lián)來表示。

在UHFRFID芯片設(shè)計中，天線端的等效阻抗可用電抗與電阻并聯(lián)來表示(圖3)。假設(shè)天線具有最小散射，則反向散射功率由式2表示：


其中，PEIRP=有效的全向輻射功率，RA=天線電阻，R=芯片電阻，Ae=有效的雷達(dá)截面(RCS)面積。

在ASK調(diào)制中，天線端的等效阻抗為實數(shù)(X>>R)，并在R1和R2之間對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行了調(diào)制。為使兩個狀態(tài)具有一樣的阻抗失配，選擇R1R2=R2A就足夠了。此時，在這兩個狀態(tài)中從天線傳送到負(fù)載的功率相等。假設(shè)R2>R1，為調(diào)制天線端的等效電阻，可以使用一個由數(shù)據(jù)信號驅(qū)動的開關(guān)，將電阻RMOD與應(yīng)答器輸入電阻(R2)并聯(lián)，這樣R1=R2||RMOD。當(dāng)不接電阻RMOD時，從天線等效的電阻等于R2，從天線傳送到負(fù)載的所有功率PIN2都可用來給應(yīng)答器供電。當(dāng)連接RMOD時，天線端的等效電阻等于R1，從天線傳送到負(fù)載的功率PIN的一部分可以用來為發(fā)射應(yīng)答器供電，其余功率消耗在電阻RMOD上。當(dāng)PIN2等于PIN1時，R1=R2。因此，從設(shè)計角度看，在ASK機(jī)制中不可能為標(biāo)簽IC提供恒定功率。相應(yīng)的等式為：


其中，PAV=平均功率，Ae=有效RCS面積。

在PSK調(diào)制方案中，R=RA，這樣應(yīng)答器近似處于匹配狀態(tài)，虛部分量X與數(shù)據(jù)信號進(jìn)行調(diào)制。反向散射信號的相位信號θ由式4確定：


如果對X進(jìn)行以零為中心的對稱調(diào)制，則應(yīng)答器的輸入功率PIN在調(diào)制期間保持不變，由式5確定：

大多數(shù)PSK調(diào)制器允許用輸入信號對輸出電容進(jìn)行調(diào)制。應(yīng)答器中變化的電抗分量常常是容性的，因為這更節(jié)省IC面積，并能獲得高Q值。與IC制造工藝中的感性元件相比，它的Q值很小，而且?guī)缀醪徽济娣e。在應(yīng)答器前端，當(dāng)信號發(fā)生變化時，可采用匹配網(wǎng)絡(luò)(感性元件)，以便與在調(diào)制器輸出端等效的電容平均值發(fā)生諧振，因此：

其中，C1=當(dāng)輸入信號等于1時的調(diào)制器輸出電容，C2=當(dāng)輸入信號等于0時的調(diào)制器輸出電容。

天線端的等效平均電抗(X)包括微分電容分量，并由式7確定：

在ASK和PSK的實現(xiàn)中，調(diào)制方案的選擇將影響芯片的輸入阻抗、位誤碼率(BER)和應(yīng)答器的輸入功率。應(yīng)答器的輸入功率也是限制工作范圍的最關(guān)鍵因素。因此，盡管ASK具有面積更小、性能與頻率無關(guān)的優(yōu)點，但由于PSK能為應(yīng)答器提供恒定電源，所以設(shè)計工程師通常更愿意選擇PSK。

解調(diào)器被用來將RF載波中的數(shù)字信息解調(diào)出來。因為成本和電路板面積是主要的考慮因素，所以一般不考慮昂貴的相干檢測/超外差檢測。與幅度調(diào)制(AM/ASK)兼容的調(diào)制機(jī)制(DSBASK、SSB-ASK和PR-ASK)是詢問器-標(biāo)簽調(diào)制方案的實際選擇，正如EPCGen2協(xié)議所定義的那樣。對ASK兼容信號進(jìn)行解碼所需的模擬元件是類似的，也是整流器和比較器。有些系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制(PWM)，因此除了使用包絡(luò)檢波器外，這些系統(tǒng)中的解調(diào)器必須測量輸入信號的脈寬，并利用脈寬甄別器區(qū)分信號中的數(shù)字1和數(shù)字0信息，否則數(shù)字模塊必須區(qū)分基于不同編碼的脈沖。

ASK采用最簡單的RF檢波，它使用了一個用二極管電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的基本包絡(luò)檢波器。ASK解調(diào)器將以幅度變化形式存在的信息解調(diào)出來。解調(diào)器實際上是一個邊沿檢波器。在RFID系統(tǒng)的前向鏈路中不采用PSK，因為PSK解調(diào)采用了超外差檢波，需要本振(LO)、混頻器和濾波電路，這些電路非常復(fù)雜，而且需要很大的裸片面積。


圖4：RFID應(yīng)答器的邏輯內(nèi)存映射。

解調(diào)器的工作原理是：輸入載波通過整流器和包絡(luò)檢波器，獲得其包絡(luò)信息；包絡(luò)檢波器后面的低通濾波器屏蔽載波上其余的紋波噪聲；隨后信號被饋送到遲滯比較器，產(chǎn)生輸出。在邊沿檢波設(shè)計中必須考慮三個因素：低通濾波、比較器的遲滯性和比較器的靈敏度。RFID讀卡器決定了給數(shù)據(jù)率加標(biāo)簽、編碼和包絡(luò)屏蔽期間的低通濾波參數(shù)。濾波器帶寬應(yīng)該小于信號帶寬。有關(guān)數(shù)據(jù)包絡(luò)的規(guī)范在RFID空中接口協(xié)議中有說明。

比較器必須滿足UHFRFID應(yīng)答器解調(diào)器定義的性能要求。應(yīng)答器輸入電壓的動態(tài)范圍應(yīng)根據(jù)不同的物理區(qū)域，在幾百毫伏到幾伏左右變化。包絡(luò)檢波器和低通濾波器后面的信號應(yīng)具有相同的幅值范圍。比較器的性能指標(biāo)包括比較器的共模輸入電平，以及以共模輸入電平百分比表示的差模輸入電平。

比較器的另一個重要參數(shù)是遲滯性。當(dāng)模擬輸入信號緩慢移動或者包含噪聲時，但輸入信號處于閾值點附近時，比較器輸出可能發(fā)生振蕩。利用遲滯性可使輸出轉(zhuǎn)換期間的振蕩最小，但高遲滯性也意味著靈敏度下降、轉(zhuǎn)換速度變慢。

RFID應(yīng)答器的數(shù)字控制模塊

數(shù)字控制模塊處理詢問命令、執(zhí)行防沖突協(xié)議、進(jìn)行數(shù)據(jù)總校驗、運(yùn)行存儲器讀寫操作，并執(zhí)行輸出控制和數(shù)據(jù)流動。EPCGen2標(biāo)準(zhǔn)的命令組很復(fù)雜，需要使用復(fù)雜的數(shù)字核。根據(jù)用戶需求，如果要實現(xiàn)全部的Class1(包括讀寫)性能，則需要非易失性存儲器。

詢問器利用三種基本操作管理標(biāo)簽組。這些操作中的每一個都包含一個或多個命令。這些操作定義如下：

1．選擇過程是詢問器選擇RFID標(biāo)簽組用于編目和讀寫的過程。在編目之前，詢問器可能使用一個或多個"選擇"命令來選擇某一特定標(biāo)簽組。

2．編目過程是詢問器識別不同標(biāo)簽的過程。詢問器通過以發(fā)射四個節(jié)中的一個之一發(fā)射"查詢"命令，開始編目過程。一個或多個RFID標(biāo)簽可能回答。詢問器檢測到一個信號標(biāo)簽回答后，請求該標(biāo)簽的PC、EPC和CRC-16。每次只能一個節(jié)進(jìn)行編目操作。

3．讀寫過程是詢問器與單個標(biāo)簽交互問答(讀或者寫)的方法。在讀寫之前，單個標(biāo)簽必須惟一標(biāo)識。讀寫包括多個命令，其中有些使用了R=>T連接的一次基于焊盤覆蓋編碼。

與讀卡器命令一致，標(biāo)簽將把其內(nèi)部狀態(tài)以7個響應(yīng)中的一個發(fā)送:Ready，ArbitRAte,Reply，Acknowledged，Open,Secured和Killed。標(biāo)簽可能同時支持多達(dá)4個會話，使其可將分離的和編目的標(biāo)簽連接至目前環(huán)境下的各個讀卡器。該標(biāo)簽通過分時，使不同的讀卡器分享其他的標(biāo)簽。雙向沖突檢測和排除控制由詢問器和標(biāo)簽來處理。在編目階段，詢問器首先發(fā)出Query命令，一旦接收，標(biāo)簽將把產(chǎn)生的15b隨即數(shù)(RNG)代碼從內(nèi)部裝入其槽計數(shù)器。如果裝載的RNG為零，標(biāo)簽將通過把它本身的代碼反射回輪詢器的辦法來回答輪詢器。如果裝載的RNG不為零，標(biāo)簽保持原來的狀態(tài)。讀卡器則給標(biāo)簽發(fā)送另一個QueryRep。一旦接收到，標(biāo)簽將減少其槽計數(shù)器數(shù)，并且當(dāng)值變?yōu)榱銜r回復(fù)。如果發(fā)送Query或QueryRep命令后沒有檢測到?jīng)_突，詢問器將給標(biāo)簽發(fā)回ACK(應(yīng)答)命令。標(biāo)簽接收ACK命令后將變?yōu)閼?yīng)答狀態(tài)，準(zhǔn)備接收下一個命令。詢問器將記錄已成功輪詢的標(biāo)簽。如果回復(fù)后，標(biāo)簽沒有從讀卡器接收到ACK命令，就回到Arbitrate狀態(tài)，減小槽計數(shù)器的值。沖突控制機(jī)制基本上取決于裝入槽計數(shù)器的RNG值。因為可以回復(fù)詢問器可能性為215，所以不同標(biāo)簽可以以時分交替方式共享通信。

標(biāo)簽存儲器分為四個不同的組，每一個都包含0或者更多的存儲字(見圖4)：

1．包含取消和讀取密碼的保留存儲器。

2．包含有一個CRC-16、協(xié)議控制(PC)位的EPC存儲器，以及標(biāo)簽連接或?qū)⑦B接的用來標(biāo)識物體的電子產(chǎn)品碼(EPC)。

3．TID存儲器包含有一個8-bISO/IEC15963分配類標(biāo)識，用于詢問器惟一標(biāo)識常規(guī)命令和/或標(biāo)簽支持的可選功能。

4．允許用戶定義數(shù)據(jù)存儲的用戶存儲器。存儲器結(jié)構(gòu)由用戶定義。

所有內(nèi)存條的邏輯地址從零(00h)開始編址。物理內(nèi)存映射由銷售商定義。

在EPCGen2協(xié)議中，標(biāo)簽設(shè)計工程師可以自由選擇ASK或者PSK的反射調(diào)制，詢問器(讀卡器)必須能支持任何一個類型的解碼。除了選擇調(diào)制類型外，要發(fā)送的數(shù)據(jù)還必須被編碼成FM0基帶或者M(jìn)iller調(diào)制信號。數(shù)字模塊應(yīng)該根據(jù)編碼選擇，插入合適的前同步信號序列。數(shù)字模塊也必須包含一個可以將輸入脈沖船轉(zhuǎn)換成有效命令的解碼器。

從電路設(shè)計角度看，除整流器外，應(yīng)答器的數(shù)字模塊消耗了大多數(shù)功率，這是因為該模塊包括存儲器、有限狀態(tài)機(jī)以及輸入/輸出(I/O)單元。為擴(kuò)大應(yīng)答器的工作范圍，使數(shù)字模塊的功率消耗最小非常重要。標(biāo)準(zhǔn)單元庫被經(jīng)常用來綜合應(yīng)答器的數(shù)字模塊。針對有些情況，制造商還開發(fā)了定制單元，以提供低功耗性能。

應(yīng)答器中的存儲器單元很重要。為實現(xiàn)標(biāo)簽的讀/寫，必須要有EEPROM和閃存等非易失性存儲器。采特殊工藝的EEPROM或閃存的可用性，也將限制它們在讀/寫標(biāo)簽中的應(yīng)用。如果需要EEPROM和閃存，就必須采用雙層多晶硅工藝。

數(shù)字控制模塊可以使用硬件方法或軟件可編程方法(使用微程序或微控制器)來實現(xiàn)。硬件方法需要的電路面積最小，但犧牲了靈活性?？删幊棠Ｐ托枰艽蟮碾娐访娣e(采用微程序方法的電路面積大15倍，采用微控制器方法的電路面積大60倍)，初始設(shè)計時間也相當(dāng)長。因為重新配置工作可以轉(zhuǎn)移到具有更高抽象能力的軟件工程上，所以設(shè)計更改非常方便。

本文小結(jié)

UHFRFID應(yīng)答器的一個主要設(shè)計約束是功率估算，它必須為數(shù)字模塊提供幾十μW的功率。如果要增加工作距離，則必須增加功率。另一個設(shè)計約束條件是芯片尺寸，通常選擇尺寸盡可能小的IC。在迄今為止涉及最簡單的RFID發(fā)射應(yīng)答器中，整流器和數(shù)字模塊這兩個部分的功耗最大。數(shù)字模塊的不同性能參數(shù)使設(shè)計工程師可以在不同的設(shè)計約束之間進(jìn)行折衷，包括架構(gòu)、邏輯類型和綜合過程中最優(yōu)化的面積/功耗。