一種超高頻電子標(biāo)簽電路及應(yīng)用-新品速遞

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張綱，石亦欣，谷波，程君俠(復(fù)旦大學(xué)專(zhuān)用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海202233)

1引言

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是利用射頻方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信以達(dá)到物品識(shí)別的目的，可用來(lái)追蹤和管理幾乎所有的物理對(duì)象，在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理、防偽甚至軍事等眾多領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景，目前已引起人們的廣泛關(guān)注。

RFID系統(tǒng)一般包括閱讀器和應(yīng)答器(或稱(chēng)電子標(biāo)簽)兩個(gè)部分。電子標(biāo)簽由RFID電路和天線組成，按供電的方式可以分為無(wú)源和有源兩種。無(wú)源電子標(biāo)簽不需要電池供電，具有成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而有廣泛用途。另外，按照閱讀器發(fā)射頻率的不同，RFID系統(tǒng)還可分為低頻(135kHz以下)、高頻(13．56MHz)、超高頻UHF（860~960MHz）和微波(2．4GHz以上)頻段等幾類(lèi)。

目前，大多數(shù)應(yīng)用的RFID系統(tǒng)使用低頻和高頻的標(biāo)簽。但是，研究發(fā)現(xiàn)，超高頻(UHF)頻段的電子標(biāo)簽具有操作距離長(zhǎng)、通訊速度快、成本低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，更適合未來(lái)應(yīng)用，因此，超高頻電子標(biāo)簽是當(dāng)前電子標(biāo)簽發(fā)展的重點(diǎn)。

下面介紹作者研究開(kāi)發(fā)的一種超高頻(UHF)電于標(biāo)簽電路，并繪出典型應(yīng)用。

2結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

圖1示出電路的結(jié)構(gòu)框圖。

該電路主要分為射頻前端、數(shù)字控制和存鍺器三部分。其中，射頻前端部中含有5個(gè)模塊：電源產(chǎn)生模塊從射頻波中產(chǎn)生電路工作電壓；時(shí)鐘產(chǎn)生模塊是一個(gè)內(nèi)置的頻率可調(diào)的振蕩器，提供穩(wěn)定可凋的系統(tǒng)時(shí)鐘；保護(hù)電路模塊可以防止當(dāng)芯片靠近讀寫(xiě)器時(shí)，天線上的電壓或電源電壓過(guò)高而造成的損壞；發(fā)射和接收電路模塊完成讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽之間的指令接收和反射應(yīng)答信號(hào)的雙向半雙工的通訊聯(lián)系。數(shù)字控制部分完成電子標(biāo)簽的識(shí)別和執(zhí)行讀寫(xiě)器的指令，主要有防沖突電路、控制邏輯和存儲(chǔ)器接口三個(gè)部分。如表1所示，這種電子標(biāo)簽電路支持全局指令、單個(gè)指令和測(cè)試保留指令三種類(lèi)型的指令。全局指令是針對(duì)在射頻場(chǎng)區(qū)中的所有電子標(biāo)簽，主要有ResetAll、MuteAll等；單個(gè)指令是針對(duì)通過(guò)防沖突過(guò)程選擇出的單個(gè)電子標(biāo)簽，主要有Read、Write等指令；測(cè)試保留指令是廠家為了測(cè)試專(zhuān)用或者為將來(lái)的指令擴(kuò)展保留的指令，主要是權(quán)限的TestRead、TestWrite等指令。

防沖突機(jī)制討電子標(biāo)簽的應(yīng)用十分重要，本文描述的電子標(biāo)簽支持基于動(dòng)態(tài)二進(jìn)剖搜索的防沖突協(xié)議。讀寫(xiě)器可以根據(jù)應(yīng)用中存在電子標(biāo)簽的數(shù)量，動(dòng)態(tài)地指定電子標(biāo)簽在防沖突過(guò)程中使用一個(gè)長(zhǎng)的或者短的識(shí)別碼，以縮短整個(gè)防沖突的識(shí)別過(guò)程。圖2示存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。

電路內(nèi)置256位的WORM存儲(chǔ)器，其中，前128位為唯-識(shí)別碼(UID)，可支持l28位或96位兩種規(guī)格；后l28位中的前64位保留給制造商，用來(lái)定義廠家代碼、應(yīng)用信息、訪問(wèn)密碼及未來(lái)擴(kuò)展保留等，后64位留給用戶(hù)，用戶(hù)可以根據(jù)需要寫(xiě)入產(chǎn)品的相關(guān)信息或用來(lái)追蹤產(chǎn)品的流通過(guò)程。

3典型應(yīng)用

圖3示出該電路的典型應(yīng)用電路。電路的引腳有4個(gè)，INl和IN2是射頻輸入端，用來(lái)連接天線。天線的形狀和類(lèi)型沒(méi)有特別要求，圖中選用的是簡(jiǎn)單的振子天線。

另外兩個(gè)引腳是電源(VDD)和地(GND)。因?yàn)槭菬o(wú)源的電子標(biāo)簽，電路需要一個(gè)電容器來(lái)存儲(chǔ)能量，圖3中的電容器(Cs)就是外接儲(chǔ)能電容器。電容的大小和電路的功耗與工作電壓有關(guān)，一般盡量用大電容，這里，Cs的典型值是10nF。

按照?qǐng)D3連接的電子標(biāo)簽可以應(yīng)用在許多場(chǎng)合。可以貼在汽車(chē)的玻璃上，應(yīng)用在高速公路的不停車(chē)收費(fèi)中，也可以貼在商品上，完成商品從制造、流通、零售等一系列的物品追蹤和管理。

一種實(shí)際應(yīng)用是集裝箱的識(shí)別和管理系統(tǒng)。在每個(gè)集裝箱上貼上電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽中除了的識(shí)別碼外，還存放了集裝箱的起始地、中轉(zhuǎn)地、目的地和集裝箱所裝物品的信息。集裝箱的表面是金屬材料，電子標(biāo)簽不能緊貼金屬表面，而要保持一定的距離。為了達(dá)到較遠(yuǎn)的識(shí)別距離，電子標(biāo)簽的天線也是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)。

在集裝箱的陸地運(yùn)輸過(guò)程中，進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)或港區(qū)的大門(mén)時(shí)，門(mén)口的大型讀寫(xiě)器可以主幾米外識(shí)別出集裝箱上的電子標(biāo)簽，讀出電子標(biāo)簽中的集裝箱的相關(guān)信息，提供給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。在航運(yùn)過(guò)程中，可以通過(guò)小型的讀寫(xiě)器，在較近的距離內(nèi)來(lái)識(shí)別集裝箱并確認(rèn)其路線和所裝貨物是否正確。應(yīng)用電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)后，集裝箱運(yùn)輸公司和其客戶(hù)可以實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控集裝箱的整個(gè)流通過(guò)程，莊需要查找特定的貨物時(shí)，也能迅速，準(zhǔn)確地找到相關(guān)的集裝箱位置。通過(guò)應(yīng)用基于電子標(biāo)簽的集裝箱識(shí)別和管理系統(tǒng)，可提高集裝箱運(yùn)輸?shù)男?，大大降低出錯(cuò)的可能性和管理成本。不過(guò)，在實(shí)際使用中還需要注意以下幾點(diǎn)：，讀寫(xiě)器的發(fā)射頻率和功率是受?chē)?guó)家法規(guī)限制的，不同的國(guó)家和地區(qū)對(duì)可使用的頻率和發(fā)射功率的規(guī)定力不同。第二，有些材料如金屬、玻璃等會(huì)造成電子標(biāo)簽性能的下降，需要設(shè)計(jì)特殊的天線。第三，讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽的通訊速率可以根據(jù)需要而改變，一般應(yīng)用中的典型速率為40kb／s。第四，盡管外接電容器并不是必需的，但是，為了保證電子標(biāo)簽的性能，接一個(gè)不小于2nF的電容器。