一种无源RFID标签芯片的混合验证平台设计

庞立鹏，朱家俊，魏敬和

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

一种无源RFID标签芯片的混合验证平台设计

庞立鹏，朱家俊，魏敬和

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

无源RFID标签芯片需要通过电感耦合等方式从空间射频场中获取能量才能正常工作。因此在标签芯片设计、验证过程中必须构建一个射频天线测试模型来模拟其正常工作条件。针对一款13.56 MHz无源RFID标签芯片电路，充分利用射频天线测试模型，提出了一种应用于无源RFID标签芯片的数模混合验证平台设计。利用该平台可以完成芯片从前端到后端设计的验证，缩短RFID标签芯片的设计开发周期，提高设计的成功率。

无源RFID；标签芯片；混仿；验证平台

1 引言

作为终端之间的直接通信技术，RFID技术由于其设备的低功耗、低成本、小型化等特点，在通信、工业、农业、生活等领域快速发展着[1～3]。近年来物联网工程技术的进步与发展，极大程度上推动了近距离无线通信技术的发展和普及，这也给RFID标签芯片的技术发展注入了新的活力。

RFID标签芯片由于其无源特性，增加了芯片设计和验证的复杂度。为了保证标签芯片的设计环境与实际工作环境的一致性，必须构建一个射频天线测试模型来模拟其正常工作条件[4]。一种通用的方法是直接使用Verilog-A语言对其建模，但这要求设计者必须对整个系统有深刻的理解。本文使用另一种更简单有效的方法，直接使用分离元器件来构建整个读写系统。相比于第一种方法，这种基于标签芯片测试协议建模的方法有更强的实用性。

同时，标签芯片属于数模混合芯片，其模拟电路部分通常通过全定制的方式实现。由于整体电路规模相对较小，通常使用verilog-cdl仿真方法对芯片进行仿真和验证[5]。本文基于VCS-HSIM混合仿真验证平台，充分利用射频天线测试模型，提出了一种应用于无源RFID标签芯片的数模混合验证平台设计。利用该平台可以完成芯片前端、后端设计验证以及成品的实测，简化设计验证流程、缩短设计周期，提高设计的成功率。

2 RFID标签芯片简介

本文提出的数模混合仿真验证平台是基于一款符合ISO/IEC 14443-A标准的RFID标签芯片来实现的。如图1所示为标签芯片系统结构框图，主要由谐振天线、射频模拟电路、数字控制器以及EEPROM存储器4个模块组成[6]。

标签芯片射频模拟电路部分通过全定制的方式实现，主要完成以下功能：包括LC并联谐振、整流稳压、限幅保护在内的能量的获取与转化；信号的解调与调制；数字控制器与EEPROM存储器时钟基准与复位信号的产生。

图1 符合ISO/IEC14443-A标准的RFID标签芯片结构框图

作为标签芯片核心的数字控制器逻辑的设计必须依照ISO/IEC 14443-A标准中与数据交换相关的协议来完成。设计的数字控制器逻辑包含指令信号的校验检测、基带信号的解码与编码、指令信息的解析处理、多标签间的防冲突检测处理、对外部EEPROM存储器读写控制以及上述模块工作的协调控制在内的各个逻辑功能的实现。

EEPROM存储器主要用于制造商信息、UID等信息数据的保存。考虑到EEPROM的复杂度高、设计难度大等因素，本文直接使用已有的低功耗IP核进行标签芯片的设计研究。

3 射频天线测试模型

在设计标签芯片的模拟电路部分时，由于芯片内部整体输入阻抗的变化，天线上感应到的外部输入激励不能直接使用一个电压源或电流源来等效。除了使用Verilog-A语言对片外天线上的输入激励建模外，另一个更加简单有效的方式是使用分离元器件直接搭建出射频天线测试模型。

与ISO/IEC14443-A协议对应的测试标准是ISO/IEC10373-6标准[7]。根据电感耦合原理以及上述测试标准搭建了如图2所示的射频天线测试接口电路模型。

图2 射频测试接口电路模型

其中标签天线电感LT=3.576 μH，内阻为6.07 Ω，读写器天线电感LR=0.5 μH，内阻为0.5 Ω，天线电感耦合系数为0.062；Rext=0.94 Ω，C14=228.75 pF，C13= 47 pF，C14=228.75 pF，R11=R13=50 Ω，R12=100 Ω，V1为13.56 MHz正弦载波信号，V1为通信请求（REQA）等基带数据信号，V2亦可通过数字测试电路产生，V1和V2通过乘法器相乘的形式来模拟读写器端的信号调制，上述乘法器使用压控电压源来实现，其spice网表可写成以下形式：

整个射频天线测试模型完全由分离元器件搭载而成，模型的精确度受各个元器件精度影响。电容、电阻和天线电感的制造误差的确会影响该模型的精确度，但上述误差仅仅会使该模型发出的载波频率以及信号幅值发生细微的变化。由于标签芯片为无源器件，其内部工作时钟源于射频天线测试模型，两者之间无频率差；同时，标签天线上感应到的电压经过降压后才供给芯片内部，较小的输入电压波动不影响芯片供电；因此模型的误差并不影响整个系统的性能。

4 数模混合仿真验证

4.1 数模混合仿真验证平台设计

基于VCS-HSIM的混合仿真验证平台在实际操作中主要分为以模拟为顶层和以数字为顶层两种实现方式[8]。两者没有本质的区别，但由于开发数字电路测试激励具有简单易读的特点，在同等情况下大多数设计者更愿意使用以数字为顶层的混仿验证平台。

图3 混仿验证平台设计框图

如图3所示为本文设计的应用于RFID标签芯片的混仿验证平台。其中top.v和all.sp分别为混仿验证平台数字和模拟顶层，dig.v和ana.sp分别为标签芯片数字、模拟电路网表，EEPROM存储器作为IP直接嵌在数字电路中，antenna.sp为天线测试模型，test.v为仿真激励，dig.fsdb和ana.fsdb分别为数字和模拟电路的仿真波形文件，其余文件为混仿验证所必须的系统脚本和EDA配置文件。

从前仿到后仿不同的验证阶段，构成上述验证平台的组件存在差异。为了提高整个验证流程的高效性，使用如图4的层次化验证环境结构，将验证平台的各功能模块分为芯片电路网表部分、系统环境脚本部分和仿真验证结果三部分。

图4 混仿验证平台文件架构

在如图4的层次化验证环境结构中：RFID_TEST为仿真验证根目录；spice和verilog文件夹分别存放所有spice和verilog网表；run文件夹为整个验证平台仿真目录层，通过如图3中run_vcs系统脚本启动VCS-HSIM混仿平台；scripts文件夹存放如图3中的vcsAD.init混仿初始化配置、EDA仿真配置、接口电平转换等系统环境脚本；result和log文件夹分别存放仿真后的波形文件和仿真日志。

上述VCS-HSIM混仿验证平台中只需要替换数字、模拟电路网表以及修改一部分必要的配置文件，即可完成从前仿到后仿任意阶段的数模混合验证工作。

4.2 数模混合仿真验证平台仿真实现

基于SMIC 0.18 μm 2P6M EEPROM工艺设计了上述标签芯片，在数字、模拟电路能够单独正常工作的基础上，使用本文提出的数模混合仿真验证平台对整个系统进行仿真验证。

首先通过仿真激励模拟读写器发出通信请求（REQA）等数字信号；信号经过天线测试模型以调制交变电压的方式向空间发出射频场；标签芯片天线以及片内电容以并联谐振的方式从射频场获取能量以及调制信号；模拟电路获取能量为整个芯片提供工作电源，并为数字电路提供上电复位和时钟信号，同时解调出低频信号以供数字电路处理；数字电路对上述解调信号进行分析处理，并向模拟电路发出应答信号；模拟电路对信号加以调制并发送到读卡器端；如此建立起两者之间的通信通道。

图5 混仿验证输出波形

如图5所示为混仿平台的仿真信号输出波形，自上往下分别为：复位、解调、调制、主/副状态机状态的数字信号，标签天线、解调、调制、读卡器天线的模拟电压信号。

·在T1时刻，整个电路通过天线获得能量，芯片上电并完成复位，主/副状态机转移到参数为0的IDLE状态；

·在T2时刻，天线开始接收100%ASK（Amplitude Shift Keying，移幅键控）调制的REQA通信请求信号，数字基带处理器接收到解调出的信号，副状态机转移到参数为1的数据接收状态；

·在T3时刻，数字基带处理器完整接收并解析出REQA通信请求信号，副状态机转移到参数为2的延时状态，主状态机转移到参数为2的READY状态（等待下一个指令信号）；

·延时一定的时间，在T4时刻，副状态机转移到参数为3的数据发送状态，数字基带处理器开始发送ATQA通信应答信号，通过负载调制的方式耦合到读卡器天线端；

·在T5时刻，电路完整地发出ATQA通信应答信号，副状态机转移到参数为0的IDLE状态，等待下一个调制指令信号；

待下一个调制指令信号到来之后，整个RFID标签芯片完成类似于上述工作的数据收发，主状态机发生状态转移，开始其他相关操作。可见整个RFID系统能够正确处理外部激励并发出相应的应答信号，证明了本文提出的数模混仿验证平台的可行性。

5 结论

本文基于一款符合ISO/IEC 14443-A标准的RFID标签芯片，设计实现了一种应用于无源RFID标签芯片的数模混合仿真验证平台，通过实际验证证明了验证平台的可行性。本文提出的基于VCS-HSIM验证环境，充分利用射频天线测试模型的混合仿真验证平台，能够完成芯片从前端到后端设计的验证，缩短RFID标签芯片的设计开发周期，提高设计的成功率。

[1]张方奎,张春业.短距离无线通信技术及其融合发展研究[J].电测与仪表,2007,44(10):48-52.

[2]Ren K,Wang Q,Ma D,et al.Securing emerging short range wireless communications:the state of the art[J].Wireless Communications,IEEE,2014,21(6):153-159.

[3]李士宁,覃征.基于传感器网络的超级RFID系统[J].无线通信技术,2005,14(3):57-59.

[4]KausFinkenzeller.射频识别技术原理与应用［M］.王俊峰，译.北京：电子工业出版社，2015：36,40-56,89-92.

[5]Bi Z,Li W,Zhou D,et al.Mixed-signal system verification by SystemC/SystemC-AMS and HSIM-VCS in near field communication tag design[J].2013:1-4.

[6]闫娜.低功耗低成本无源射频识别标签芯片的研究与设计［D].上海：复旦大学，2007．

[7]ISO/IEC 10373-6 AMD 1:2012.Identification cards-Test methods-Part 6:Proximity cards AMENDMENT 1: Additional PICC classes[S].2012.

[8]SynopsysTM.HSIM-VCS DKI and HSIM-VCS-MX DKI Mixed-Signal Simulation[EB/OL].http://www.synopsys. com,2009.

Design of a Mixed-Signal Verification Platform for Passive RFID Tag-ICs

PANG Lipeng,ZHU Jiajun,WEI Jinghe
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

Passive RFID tag ICs usually need to get energy from the space radio frequency field by inductive coupling.During the process of designing and verification,it is necessary to build a RF antenna test model for working condition simulation.In this paper,a co-simulation verification platform for passive RFID tag ICs is proposed,which is based on a 13.56 MHz passive RFID tag chip.The platform can be used to verify the design of the chip from the front-end to the back-end,thereby shorting the design and development cycle of the RFID tag ICs and improving the design success rate.

passive RFID;tag IC;co-simulation;verification platform

TN402

A

1681-1070（2017）05-0016-04

庞立鹏（1988—），男，江苏响水人，毕业于军械工程学院计算机科学与应用专业，现在中国电子科技集团公司第58研究所从事科研项目技术与管理工作。

2017-1-20