超高频RFID标签命令头解析模块设计

(杭州电子科技大学微电子CAD研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

超高频射频识别系统在国外有广泛应用，在我国处于起步阶段。解析命令是超高频RFID标签芯片的必要功能，而解析命令头是其中一个重要组成部分。本文根据RFID 超高频的协议(ISO 18000-6C)[1]，提出基于有限状态机的命令头解析方案，优化命令头解析部分的面积。根据协议的规定，命令头的长度为2位、4位、8位或16位4种。4种命令分别为强制命令(mandatory commands)、可选命令(optional commands)、通用命令(custom commands)和私有命令(proprietary commands)。协议没有明确规定命令数量，只要满足11条强制命令即可视为符合协议规定。但是，只使用强制命令往往无法满足需求，如引入认证加密等功能[2]。在有些超高频标签的设计中，指令数量可达28条[3]。常规方案用移位寄存器和组合逻辑[4-5]解析命令头，需要将命令头完整保存，寄存器数量有16个。而16位寄存器所能表达的状态多达216，有较多冗余状态。本文设定6组命令，分别用常规移位寄存器方案和新提出的有限状态机方案，编写Verilog 代码，完成解析这6组命令令头的功能，然后在Quartus II 中将这些代码进行FPGA 综合。综合后的结果表明，有限状态机方案有效。

1 方案设计

1.1 常规方案

常规方案使用移位寄存器和1位控制寄存器，用于对照。移位寄存器中的寄存器数量等于最长命令头的长度。在寄存器数量不变且命令数量远小于216时，组合逻辑电路的面积随命令数呈线性增长。每新增一条命令，最多增加5个四输入逻辑单元就能完成功能，平均只需增加2个四输入逻辑单元。该方案的综合结果作为对照标准。

1.2 有限状态机方案

本文先提出两种有限状态机方案，先提出比较通用的方案(不保留移位寄存器的有限状态机)，然后根据协议命令的特点提出针对性方案(保留移位寄存器的有限状态机)。两种方案都进行编码、综合、结果对比。

1.2.1 不保留移位寄存器的有限状态机

从协议规定的命令可以发现，命令的编码方式类似二叉树。其示意图如图1(a)所示，圆圈内的数字表示有限状态机当前状态，箭头上的数字表示命令中新的一位。

新增一条命令只需在原有的树数上新增分叉和状态。重复使用此方法，将整组指令进行编码。例如，需要在原模块上新增命令头101，而原先已经有10 起始的命令头，只要在收到第3位命令处增加一个分叉，并增加一个状态3。新增加一条状态时的添加的组合电路如图1(b)所示，虚线方框内是新增加的组合电路，新增3个逻辑单元和3个输入端。输入端A为新的分叉前整个状态机的状态，其输入信号数量与寄存器数量相同。输入端B为命令新分叉的位置，用计数器确定。输入端C为在新增状态中，该位寄存器所处的状态。

图1 不保留移位寄存器有限状态机的状态跳转示意及新增状态时添加的额外电路

设需要解析的命令共k条。进行命令头解析时，需要考虑命令失败情况，因此有限状态机共有(k+1)种状态。寄存器数量Q为log2(k+1)。组合逻辑面积随k 呈klog2(k)级别增长，增长速度较快，超过常规方案的线性增长。实际电路中，综合工具会合并相同的逻辑，使组合逻辑电路面积下降。在寄存器数量增加的节点上，组合逻辑电路面积会出现跳变。

影响该方案电路面积的因素只有命令数量，与状态分叉的位置无关。

1.2.2 保留移位寄存器的有限状态机

从协议的命令分布发现，相同长度的命令的区别主要在尾部，即状态分叉的位置集中在最后几位。用移位寄存器直接记录尾部信息，就可以实现相同位数状态机的功能。而移位寄存器所需的组合逻辑比有限状态机少。根据命令长度特点，保留4个移位寄存器较为合理，只需要在命令的第2、4、8、12、16位进行状态转变。有限状态机的状态跳转图为多叉树，如图2所示。

图2 保留移位寄存器有限状态机的状态跳转图及状态描述

设需要解析的命令共k条，其中通用命令i条，私有命令j条。

用1个寄存器产生控制信号，控制命令解析的始末，4个寄存器作为移位寄存器。总寄存器数量为5+log2(2+i/16+j/16)。在没有逻辑优化的条件下，组合逻辑面积增长趋势随命令数k 呈klog2(k)增长。新增加1个状态的所添加的组合逻辑电路，与前一种方案完全相同，如图1(b)。由于每16条指令增加1个状态，增长趋势仅为前一种设计的1/16。当k 较小时，组合逻辑的面积增长速度可以接受。

2 采用的命令

在不同命令数量下，通过对比各命令头解析模块综合后的面积，确定有限状态机解析命令头的设计是否可行。6组命令的数量分别为12、16、19、24、28、32条。每组命令在前一组的基础上新加入几条命令。具体命令及各次对照中使用到的命令如表1所示。

表1 各组命令的具体内容

3 综合结果

3.1 综合平台

使用Quartus II，采用面积优先的综合方式，进行FPGA 综合。估算面积时，寄存器约为8门，4输入逻辑单元约为2.2门，3输入逻辑单元约为1.7门，2输入逻辑单元约为1.2门，最终结果四舍五入精确到10 门。

3.2 综合后面积

6组命令3种方案可以得到18个面积数据。常规方案的综合结果如表2所示。两种有限状态机方案的综合结构分别如表3、表4所示。

表2 移位寄存器方案(常规方案) 综合结果

表3 不保留移位寄存器的有限状态机方案综合结果

表4 保留移位寄存器有限状态机方案(针对性方案) 综合结果

在命令较少时，不保留移位寄存器的有限状态机的方案可以优化面积。在实现解析16、19、24、28条命令的功能时，该方案综合后的面积比常规方案少40 门左右，减少15% 20%。命令更多或更少时，该方案没有优势。

而保留移位寄存器的有限状态机方案可以用较小的面积实现命令头解析功能。在6组命令综合后结果的对照下，该方案的面积比常规方案分别减少20、60、70、60、60、70门，减少的比例分别为15%、30%、33%、26%、24%、27%。综上所述，保留移位寄存器的有限状态机的设计方法可以使芯片面积减少15% 33%。

4 结束语

本文通过建立树状的状态跳转图，用有限状态机完成命令头解析。保留4位移位寄存器的有限状态机的方案充分考虑协议中的命令特点。当命令数量在12 32条时，本文方案综合后的面积比常规方案减少15% 33%。使用本方案可以使超高频标签面积下降。这种设计方法能够应用于一些非等长命令系统的解析，在工程上具有一定应用价值。

[1]ISO/IEC:18000-63，Information technology—Radio frequency identification for item management—Part 63:Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz TypeC[S].

[2]Ertl J，Plos T，Feldhofer M，et al.A Security-enhanced UHF RFID Tag Chip[C].Los Alamitos:Digital symstem Design(DSD)，2013:705-712.

[3]Palma J C S，Marcon C A M，Hessel F，et al.A Passive 915 MHz UHF RFID Tag[C].Sam Jose:International Symposium on Quality Electronic Design，2008:348-351.

[4]Rodríguez-Rodríguey J A，Delgado-Restituto M，Masuch J，et al.Am ultralow-power mixed-signal back end for passive sensor UHF RFID transponders[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2012，59(2):1 310-1 322.

[5]徐凯.无源UHF RFID标签数字电路设计与测试[D].天津:天津大学，2012:16-18.