基于EPC Gen2協議的UHF RFID有源電子標簽設計

吳小龍，張紅雨

(電子科技大學 電子工程學院，四川 成都611731)

目前符合EPC Gen2[1]協議的電子標簽基本都是無源標簽，工作所需能量來自讀寫器發送的射頻信號，即波束供電。因此工作距離、存儲容量等受到能量來源的限制。為了彌補無源標簽的不足，本次研究提出了有源RFID電子標簽的設計方案。

1 UHF RFID電子標簽工作原理

讀寫器在發送完控制命令后，會一直發送空載波CW，標簽通過反向散射調制的方式將回傳的信息調制到CW上。該方式通過改變標簽天線的負載阻抗來實現[2]。通常，一種阻抗處于失配狀態，另一種阻抗處于匹配狀態，通過基帶電路控制“阻抗開關”來完成信號“1”和“0”的傳輸[3]。

2 電子標簽的硬件電路設計

電子標簽包含射頻反射電路、射頻接收電路和基帶控制電路，如圖1所示。

2.1 射頻反射電路設計

其中，G為讀寫器天線增益；Γ1為信號“1”對應的反射系數，Γ0為信號“0”對應的反射系數。由式(1)可知，當讀寫器天線增益 G一定時，將 Γ0取 0，Γ1取 1，此時 ΔRCS可取得最大值。為了達到上述目的，將射頻開關的一端接匹配負載，另一端懸空。

2.2 射頻接收電路設計

射頻接收電路由低噪放微帶線移相電路、包絡檢波電路、低通濾波電路、差分放大器和電壓比較器構成。信號首先經過低噪放放大；然后進入50 Ω微帶線產生兩路正交信號；接著由包絡檢波并通過低通濾波器將高頻成分濾除即可得到兩路基帶信號。經過差分放大器和電壓比較器后可得到PIE編碼波形。

3 UHF RFID電子標簽基帶程序設計

基帶程序主要包括接收模塊、主狀態機和發送模塊。

3.1 接收模塊設計

如圖2所示，PIE解碼狀態機定義了如下7種狀態：

(1)S_idle狀態：解碼開始或結束時，解碼狀態機處于S_idle狀態。

(2)S_delim狀態：判斷 delim(間隔符)低電平持續時間是否滿足 12.5 μs±5%。

我不知道到哪里去找尋白麗筠，打她的手機停機，上網QQ呼她，頭像是灰的，我留心各種媒體報道的車禍事故，甚至去我們這座小城的所有水域巡查，沒有任何疑似消息，一概沒有。我痛感到我與白麗筠的聯系其實多么脆弱，就像孩子手里的一只風箏，只要一陣風就把我們徹底拆散了，再也找不到。最后，我去了白麗筠工作的售樓部，明知道沒有用，還是去了。售樓部經理說，白麗筠已經辭職了。“辭職”兩個字讓我冰涼的心里升起一絲暖意，既然白麗筠想到要辭職，就不像是一個要去自殺的人。

(3)S_data0狀態：測量Tari的時間長度。

(4)S_rtcal狀態：判斷RTcal時間長度是否滿足2.5Tari≤RTcal≤3.0Tari。

(5)Trcal_or_work_h狀態：判斷TRcal時間長度是否滿足 1.1RTcal≤TRcal≤3.0RTcal。

(6)S_work_h狀態：記錄高電平持續時間。

(7)S_work_l狀態：在信號上升沿判斷數據是0或1。

3.2 主狀態機設計

主狀態機實現EPC Gen2協議規定的7種狀態：Ready、Arbitrate、Reply、Acknowledged、Open、Secured 與Kill。根據所處狀態調用相關功能模塊，常見的操作有讀寫存儲器、使能發送模塊應答讀寫器等。

3.3 發送模塊設計

FM0編碼狀態機如圖3所示，其定義了如下7種狀態：

(1)S_idle狀態：編碼器起始狀態。

(2)S_pilot狀態：添加導頻音。

(3)S_sync狀態：添加前同步碼“00101011”此處“V”由數據1代替。

(4)S1狀態：輸出11。

(5)S2狀態：輸出10。

(6)S3狀態：輸出01。

(7)S4狀態：輸出00。

Miller編碼狀態機如圖4所示，其定義了如下7種狀態：

(1)S_idle狀態：編碼器起始狀態。

(2)S_pilot狀態：添加導頻音。

(3)S_sync狀態：添加前同步碼“010111”。

(4)S1狀 態 ：M=2時 輸 出 1010，M=4時 輸 出10101010，M=8時輸出 1010101010101010。

(5)S2狀態：M=2時輸出1001，M=4時輸出10100101，M=8時輸出 1010101001010101。

(6)S3狀態：M=2時輸出0110，M=4時輸出01011010，M=8時輸出 0101010110101010。

(7)S4狀態：M=2時輸出0101，M=4時輸出01010101，M=8時輸出 0101010101010101。

4 UHF RFID電子標簽測試結果

標簽實物如圖5所示。

讀寫器讀取標簽的 EPC、TID、USER 3個存儲區的數據后傳到上位機程序，所得的測試結果如圖6所示。

本文采用Cyclone系列芯片EP1C3T100C6及相關射頻芯片，設計了一種符合EPC Gen2協議的有源電子標簽。測試結果表明電子標簽工作性能穩定。板級電子標簽的設計為標簽的芯片設計提供了可靠的保證，降低了流片的風險。

[1]EPC global Inc.EPCTMradio-frequency identity protocols Class-l Gen-2 UHF RFID protocol for communications at 860 MHz～960 MHz[S].Lawrenceville：EPC Global Inc，2004.

[2]STEWART J T，WHEELER E，TEIZER J，et al.Quadrature amplitude modulated backscatter in passive and semipassive UHF RFID systems[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012，60(4)：1175-1182.

[3]NIKITIN P V，SESHAGIRI K V R，LAM S F，et al.Power reflection coefficient analysis for complex impedances in RFID tag design[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53(9)：2721-2724.

[4]李兵，何怡剛，佘開，等.基于雷達截面差值的標簽通信誤碼率分析與測量[J].儀器儀表學報，2010(31)：2815-2819.