RFID標(biāo)簽芯片數(shù)字部分狀態(tài)機(jī)如何來設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別（RFID-Radio Frequency Identification）系統(tǒng)有著較大的數(shù)據(jù)容量和較快的讀寫速度，并且受環(huán)境影響小，與接觸式IC卡系統(tǒng)相比，由于沒有機(jī)械觸點(diǎn)，不存在觸點(diǎn)腐蝕和污染的問題，因而一誕生就備受重視，在銀行信用卡、貨物銷售、倉儲(chǔ)管理等方面獲得了廣泛應(yīng)用。

一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)由閱讀器（VCD-Vicinity Coupling Device）、電子標(biāo)簽（VICC-Vicinity Integrated Circuit card）及計(jì)算機(jī)三個(gè)部分組成。電子標(biāo)簽的功能是儲(chǔ)存有關(guān)物體的數(shù)據(jù)信息，閱讀器的功能則是通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象電子標(biāo)簽并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。本文所介紹的符合ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)，閱讀器和電子標(biāo)簽之間的載波頻率為13.56MHz，采用半雙工的方式通訊，配合適當(dāng)?shù)?a target="_blank">天線其有效作用距離為0～1m，理想情況下可以達(dá)到1.5m，具備抗沖突能力。

目前，VICC的數(shù)字部分的控制器有兩種：嵌入式CPU和狀態(tài)機(jī)。嵌入式CPU設(shè)計(jì)較為靈活，能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的加密算法，但是功耗較大、成本高;而狀態(tài)機(jī)則功耗低、成本低，因而在注重功耗和成本的RFID市場獲得了廣泛應(yīng)用，也為本文所采用。

1 VICC數(shù)字部分的構(gòu)成

VICC數(shù)字部分的組成模塊如圖1所示。包括脈沖位置解碼模塊、接收CRC校驗(yàn)?zāi)K、CRC產(chǎn)生模塊、狀態(tài)機(jī)模塊、編碼和調(diào)制模塊、EEPROM和時(shí)鐘分頻模塊。脈沖位置解碼模塊接收從VICC模擬接口輸入的來自VCD的數(shù)據(jù)，并將解碼數(shù)據(jù)輸出至接收CRC校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)機(jī)模塊。接收CRC校驗(yàn)?zāi)K對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。狀態(tài)機(jī)模塊對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如讀寫EEPROM、防沖突控制等，處理完成后則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至CRC產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的CRC校驗(yàn)碼，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼一起送編碼和調(diào)制模塊，經(jīng)處理后由VICC模擬接口發(fā)送至VCD。時(shí)鐘分頻模塊則將輸入的13.56MHz的頻率分別進(jìn)行四分頻和三十二分頻。分頻后的頻率分別交由數(shù)字部分其它模塊使用。EEPROM存儲(chǔ)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。

2 VICC狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)

VICC數(shù)字部分的關(guān)鍵是狀態(tài)機(jī)，它是實(shí)現(xiàn)VICC功能的核心。VCD命令的處理、EEPROM的讀寫控制、數(shù)字部分各個(gè)模塊之間的協(xié)同工作，都離不開狀態(tài)機(jī)。

2.1 VICC狀態(tài)描述

根據(jù)ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)，VICC有四種不同的狀態(tài)：Power-off、Ready、Quiet和Selected。其中，Selected是可選擇的。每一個(gè)VICC在同一時(shí)間只能處于一種狀態(tài)，不同狀態(tài)的VICC對同一命令的響應(yīng)是不同的。圖2是VICC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

VICC沒有進(jìn)入VCD的場工作范圍時(shí)，VICC處于Power-off狀態(tài);進(jìn)入VCD的場工作范圍時(shí)，VICC通過天線感應(yīng)能量而啟動(dòng)，進(jìn)入Ready狀態(tài);在VCD場工作范圍內(nèi)，VICC根據(jù)VCD發(fā)出的命令進(jìn)行相應(yīng)的命令響應(yīng)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移;VICC移出VCD場工作范圍時(shí)，不論VICC當(dāng)前處于什么狀態(tài)，由于沒有能量供應(yīng)，它都將進(jìn)入Power-off狀態(tài)。

2.2 VCD和VICC之間的通訊協(xié)議

VCD和VICC之間的通訊遵循VCD先說的原則，也就是VICC并不主動(dòng)向VCD發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當(dāng)它接收到VCD命令并響應(yīng)時(shí)，它才向VCD發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

VCD向VICC發(fā)送命令的格式如圖3所示。SOF表示幀頭;Command為命令碼; Flags為該命令所攜帶的標(biāo)記位，如Select_flag、Address_flag等;Parameter為該命令的參數(shù);Data為該命令所攜帶的數(shù)據(jù);CRC是校驗(yàn)碼;EOF表示幀尾。

VICC響應(yīng)VCD命令并向VCD發(fā)送數(shù)據(jù)的格式如圖4所示。SOF表示幀頭，F(xiàn)lags表示該響應(yīng)處理正確與否的標(biāo)記位。Parameter為該響應(yīng)參數(shù)，Data為該響應(yīng)所攜帶的數(shù)據(jù)，CRC是校驗(yàn)碼。EOF表示幀尾。

2.3 VICC狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)流程

VICC共有四種狀態(tài)，因而其實(shí)現(xiàn)程序應(yīng)對各種狀態(tài)分別處理。Power-off狀態(tài)表示VICC沒有上電的情況，程序中不需要對此狀態(tài)進(jìn)行處理。根據(jù)VCD和VICC之間的通訊協(xié)議，VICC在Ready狀態(tài)下對VCD命令響應(yīng)的工作流程如圖5所示。在其它兩種狀態(tài)即Quiet和Selected下，對VCD命令的響應(yīng)也是類似的。圖5中，符號(hào)①表示倘若當(dāng)前狀態(tài)不是Ready狀態(tài)，則進(jìn)入Quiet或Selected狀態(tài)下對命令進(jìn)行處理。

2.4 防沖突處理

當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的VICC同時(shí)處于VCD場區(qū)時(shí)，則多個(gè)VICC響應(yīng)VCD命令可能產(chǎn)生沖突。當(dāng)VICC狀態(tài)機(jī)給VCD發(fā)送相應(yīng)命令的回復(fù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼和調(diào)制模塊處理后便串行發(fā)送至VCD。在編碼和調(diào)制模塊，VICC對要發(fā)送的每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，上跳沿表示數(shù)據(jù)“1”，下跳沿表示數(shù)據(jù)“0”。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，即在同一時(shí)間段，一個(gè)VICC發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，另外還有某一個(gè)VICC發(fā)送數(shù)據(jù)“0”，這兩個(gè)信號(hào)在VCD上疊加，使VCD在這一時(shí)間段接收不到跳變沿。從而判斷為發(fā)生了沖突。這時(shí)VCD將發(fā)送防沖突命令I(lǐng)nventory。

當(dāng)VICC收到Inventory命令時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入防沖突處理。狀態(tài)機(jī)先將當(dāng)前的時(shí)間片和Inventory指令中的掩膜值串接，所得到的位再和VICC唯一ID值對應(yīng)的位相比較，如圖6所示。

倘若時(shí)間片和掩膜值串接后的位和VICC唯一ID值對應(yīng)的位一致，則VICC響應(yīng)該VCD命令，返回VICC的唯一ID值和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的ID值，反之，則不響應(yīng)。在防沖突處理期間，若VICC接收到EOF，則將時(shí)間片加1，并進(jìn)行相同的比較處理。若接收到其它命令，狀態(tài)機(jī)退出防沖突狀態(tài)。

2.5 錯(cuò)誤處理

當(dāng)VICC接收到CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤的命令時(shí)，VICC狀態(tài)機(jī)放棄該命令，對該命令不予響應(yīng)。當(dāng)VCD向VICC發(fā)送的命令格式不正確，或是讀寫的字塊超出了VICC的最大值范圍時(shí)，VICC狀態(tài)機(jī)返回相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼，通知VCD發(fā)生了錯(cuò)誤。VCD可根據(jù)錯(cuò)誤代碼判斷錯(cuò)誤類型。

3 系統(tǒng)的仿真波形與FPGA實(shí)現(xiàn)

ISE6.1是Xilinx FPGA/CPLD的綜合性集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了設(shè)計(jì)輸入、仿真、邏輯綜合、布局布線與實(shí)現(xiàn)、時(shí)序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計(jì)流程所需的工具。本文在ISE6.1環(huán)境下編譯、仿真和下載。

圖7為狀態(tài)機(jī)接收到一個(gè)讀字塊命令后讀EEPROM時(shí)的仿真波形。Clk_fc4是狀態(tài)機(jī)的工作頻率，為了節(jié)省功耗，狀態(tài)機(jī)的工作頻率采用四分頻的載波頻率，也就是3.39MHz;Command_reg是狀態(tài)機(jī)接收到的命令寄存器信號(hào)，20表示讀一個(gè)字塊命令;Flag_rec_reg是狀態(tài)機(jī)接收到的標(biāo)志位寄存器信號(hào)，20表示Address_flag為“1”，其它標(biāo)志位都是“0”;Ee_rw是EEPROM讀寫控制信號(hào)，“0”表示讀EEPROM，“1”表示寫EEPROM。Ee_en表示讀寫EEPROM使能信號(hào)，高電平有效;Ee_addr是讀寫EEPROM的地址信號(hào)。Ee_data是讀寫EEPROM時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)。Ee_rw_end是輸入信號(hào)，通知狀態(tài)機(jī)，讀寫EEPROM結(jié)束，高電平有效。由于一個(gè)字塊為32個(gè)位，即四個(gè)字節(jié)，所以狀態(tài)機(jī)在讀一個(gè)字塊時(shí)，Ee_en信號(hào)應(yīng)四次有效。

程序采用Xilinx Spartan-3系列X3S200芯片進(jìn)行綜合下載。綜合后共占用771個(gè)slice，34個(gè)IOB，系統(tǒng)最快運(yùn)行速度為79.038MHz，遠(yuǎn)高于狀態(tài)機(jī)的工作頻率3.39MHz，滿足VICC狀態(tài)機(jī)的時(shí)序要求。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用于符合ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽芯片的數(shù)字部分，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。由于其它標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽芯片的數(shù)字部分功能與ISO/IEC15693 RFID標(biāo)簽芯片較為類似，因此，對狀態(tài)機(jī)部分做適當(dāng)?shù)男薷?，可?yīng)于其它標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽芯片。

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