基于ISO/IEC 15693无源标签芯片SoC结构分析和防冲撞控制研究

邵景阳，罗胜钦，杨立吾

（1.同济大学电子与信息工程学院，上海 201804；2.中芯国际（上海）集成电路制造有限公司，上海 201203）

1 引言

射频识别技术[1]简称RFID，是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，尤其可工作于各种恶劣环境。与其他自动识别技术相比，具有识别速度快、操作方便、存储容量大、安全可靠等优点，在国内外已被广泛应用于各个领域。例如近几年来得到广泛应用的基于ISO14443 TypeA协议的非接触式IC卡作为短距离公共交通车票，第二代身份证则用到ISO14443 TypeB协议，可见RFID市场前景极其广阔。

RFID有很多应用频段，目前应用到公共场所的多处于HF频段，ISO/IEC15693标准就是一种针对高频段（HF）13.56MHz无源式射频电子标签的设计标准，这种标签依靠13.56MHz的线圈耦合磁场载波信号提供能量。无源电子标签的数据传输以能量传输的形式进行，主要有全双工（FDX）、半双工（HDX）和时序（SEQ）三种方式。由于数据的传输在空间进行，因此无源电子标签涉及信道安全技术以及信息安全技术，主要包括数据的编解码、信道的编解码、防冲突机制、加解密以及认证机制。

非接触式智能卡的无源载波供电方式决定了其芯片SoC系统结构可分为三部分：射频前端接口电路、数字基带协议处理电路、数据存储介质。射频前端接口电路包含电源电路和调制解调电路，处理来自天线的模拟信号；数字部分就是处理协议指令和数据的读写操作；作为数据的真正载体，数据存储介质目前广泛应用的是EEPROM技术，是整个芯片最宝贵的部分。

RFID的核心是防冲撞技术，这也是它和接触式IC卡的主要区别。ISO/IEC14443-3规定了TYPE A和TYPE B两类防冲撞机制。两者防冲撞机制的原理不同，前者是基于“位”冲撞检测协议，而TYPE B通过系列命令序列完成防冲撞。ISO/IEC15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。

2 无源芯片SoC系统结构分析

射频识别系统一般包括两个部分，一个是应答器（即无源射频标签），一个是阅读器。在HF频段内，应答器是由耦合元件及芯片组成，每个标签具有它唯一的识别编号（UID），标签多附着在被识别的物体上；阅读器可以读取或者写入（指定应用条件下）数据到应答器标签内，通过发送指令控制标签内数据更新。

RFID芯片与阅读器之间的指令和数据交换是通过射频接口电路来完成的。由于RFID芯片没有电源，所以需要其片上天线通过耦合方式从读写器发送的电磁波中获取能量，为RFID芯片电路正常工作提供电源电压。此外，射频接口电路从读写器发射的载波信号中解调出基带信号，并送到数字电路进行解码处理。反过来，射频接口电路将数字电路发送的编码信号经过负载调制通过片上天线发送给读写器，读写器再对接收到的信号进行相应的还原处理。

基于射频接口电路的方框图如图1所示（SMIC DS/RFAG授权），主要包括电源产生电路、时钟提取电路、复位电路、调制和解调电路。

图1 ISO/IEC 15693无源标签系统结构图

电源产生电路为RFID芯片内部电路提供正常工作时所需要的稳定的直流电源，电源产生电路由整流电路、稳压电路、过流保护电路三个功能模块组成。由于数字基带电路和EEPROM Charge Pump电路对电压要求不同，故分为两类电压1.2V和1.8V，数字部分和EEPROM部分电路用到1.2V电压，Charge Pump电路用到1.8V电压。

时钟提取电路从载波中提取芯片数字部分和存储介质正常工作时需要的时钟频，此处时钟提取电路仅仅是提取了载波频率13.56MHz，数字电路需要的时钟以及调制时需要的副载波都是由这个信号分频得到的。鉴于低功耗处理方式，在数字基带部分分频器的系统设计中才用到4、8、16和32分频时钟。

ISO/IEC15693协议中规定卡片在规定的场强范围内能持续性地工作。因此必须有一个信号来控制后面的数字逻辑电路工作的状态。当电源电压达到一个特定的值时，Reset触发数字逻辑电路上电信号让它进行工作，即上电复位。反之，一旦电源电压下降到某一个特定电压以下时， Reset触发数字逻辑电路掉电信号让它停止工作，即下电复位，保证数字逻辑电路寄存器的状态为暂存工作。

将待发送的数据进行调制以及从接收到的载波信号中还原出指令数据则由调制和解调电路来实现[3]。ASK解调模块解调出ISO/IEC 15693协议中包含10% ASK和100% ASK信号，ASK/FSK调制模块则是调制以进行基带曼彻斯特编码的副载波调制。

基于以上考虑，在模拟前端各个端口信号清晰的情况下，可以明确到主状态机要进行PPM解码、指令译码、CRC验证、防冲撞操作和EEPROM的数据读写操作。数字基带部分进行的操作类似于ISO七层网络更高一层的通信协议处理，可以理解为编解码操作和指令译码、执行操作。其中随时保持数据校验的功能。

解调后的同步数据首先经过PPM解码，解码后得到一帧数据，在数据接受模块的控制下，一帧中的数据分别串行移入通用移位寄存器或指令、标志位寄存器进行存储，在数据串行移入寄存器的同时，数据也串行送到CRC模块进行校验。当数据接受完毕，如果CRC错误，则Reset2将已经存储的数据清零，电子标签不做任何响应；如果没有发现错误，电子标签的命令处理模块将读取数据指令、标志位寄存器的数据，并据此来进行下一步的操作。

电子标签要发送回复帧时，首先把要发送的帧数据写入通用移位寄存器，当计时器完成计时准许发送时，数据串行进入发送模块，并同时送到CRC模块进行CRC计算，在数据发送模块为数据加上SOF、CRC和EOF，最后通过对比特流进行曼彻斯特编码和一次调制（ASK或FSK）后，送入模拟部分的调制电路。

在执行ISO/IEC15693指令流过程中，如果数字基带电路操作顺序不当，随时会造成锁死状态。因此基于指令流和译码过程中整体的考虑，指令的操作和PPM译码处理是密不可分的，这很好地体现在防冲撞机制中。

3 防冲撞控制流程

射频识别系统工作时，经常会有多个应答器同时处于阅读器的工作范围内。当多个应答器同时向阅读器发送识别信息时， 由于所有的应答器都使用同一传输信道，所以在应答器发送信息的过程中经常会发生信号的混合叠加，产生碰撞，造成应答器信息相互干扰，使阅读器无法正确接收和识别应答器[2]。

常用的射频标签防冲撞机制主要有ALOHA法和二进制搜索算法。

ALOHA法是所有多路存取方法中最简单的。只要有一个数据包可以使用，这个数据包就从标签发送到读写器。这类标签通常只有一些数据（序列号）传输给阅读器，并且在一个周期性的循环中将这些数据不断地发送给阅读器，数据的传输时间只是重复时间的一小部分，以致在传输之间产生相当长的间歇。各个标签的重复时间之间的差别很小，所以存在着一定的概率，两个标签可以在不同的时间段上设置它们的数据，使数据包传送时不互相发生碰撞。

二进制搜索算法及其改进算法由一个阅读器和多个标签之间规定的一组命令和应答规则构成，目的在于从多卡中选出任一个实现数据通信。

该类算法有3个关键要素：（1）选用适当的基带编码；（2）利用标签序列号唯一的特性；（3）设计一组有效的指令规则，高效、迅速地实现选卡。实现此类算法的必要前提是能辨认出在阅读器中数据碰撞的比特位的准确位置。因此，必须采用合适的编码法，为了能辨认出阅读器中数据碰撞比特位的准确位置，采用Manchester编码，该编码是用电平的改变（上升沿/下降沿）来表示数值位，这里上升沿编码为逻辑0，下降沿编码为逻辑1。若无状态跳变视为非法数据作为错误被识别，当两个或多个标签同时返回的数位有不同值时则上升沿和下降沿互相抵消以至无状态跳变，阅读器可知该位出现碰撞产生了错误应进一步搜索。ISO/IEC15693中无源标签反馈信号采用的是ASK/FSK副载波调制，发送的基带信号正是Manchester编码。

在基于表1所示的阅读器发送的寻卡指令，采取一种普遍化的指令译码操作模式。无源标签数字基带电路设计时，采用实时PPM解码、指令译码操作算法电路。

从表1可知一条指令在无源标签准备接受的时候会有两种情况，一个是真正指令到来的SOF和EOF结束，另一个就是基于防冲撞算法到来的时隙同步帧EOF，那么在无源标签不知道所到来的指令的意思时，结合芯片内部状态寄存器和SOF、EOF，根据ISO/IEC15693协议对指令中Flag和Inventory匹配指令的定义，可以得到图2所示的指令译码流程操作。

Inventory数据帧标志位包括4种模式，Flag位定义无源标签的反馈信号格式和信息速率，结合起来考虑即可以区分到两种不同的EOF。

当Inventory指令标志bit1=1时，我们就进入防冲突序列。根据协议中采用的算法公式：

在防冲撞时序里每当来一个EOF帧格式，即是一个slot时隙，采取解码之前先取无源标签UID，然后跟接收到的Mask进行比较，会产生一个差数，应用这个差数进行每次来临一个slot时隙，N自减1操作，基于功耗的考虑，N的自减1比每次运行公式（1）来的更快捷。具体操作流程见图3。

4 结论

通过以上对基于ISO/IEC15693协议的无源标签的SoC系统结构和防冲撞流程操作的分析，可知无论是系统结构的设计还是整个指令的控制，都需要根据协议所有指令的广义含义设计，在满足空中接口定义的信号要求的同时，还要了解到信号格式的确定与指令的操作意义是有很大关系的。电路的设计都可以找到其原来的数学模型，映射到电路操作方式和信号格式上，以上设计结构和控制流程有待于具体电路验证，在此提出前期研究结构。

［1］张殿东.无线射频识别（电子标签）技术[J].电信技术，2005，2:8-9.

［2］吴春华，陈军.动态ALOHA法在解决RFID反碰撞问题中的应用[J] .电子器件，2003，26 (6) : 173-176.

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［4］Finkenzeller K.，陈大才译.射频识别（RFID）技术——无线电感应的应答器和非接触IC 卡的原理与应用[M].北京: 电子工业出版社，2001 :141-149.

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［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.