疏耦合RFID標簽芯片的編解碼系統設計
[ 導讀 ] 提出了一種基于ISO/IEC15693 協議的標簽芯片編解碼系統設計的實現方法，使編解碼更加完整準確。采用Verilog HDL建立RTL模型，用ModelSim進行功能仿真，并在Altera DE2-115與射頻前端搭建的平臺上進行了FPGA驗證。
射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術是利用射頻信號通過空間耦合實現非接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術，是自動識別技術在無線電技術方面的具體應用和發展[1]。
ISO/IEC 14443與ISO/IEC 15693標準都是針對13.56 MHz無源式RFID標簽的設計標準，前者是近耦合標簽，最大識別距離只有20 cm;后者是疏耦合標簽，最大識別距離可達1.5 m[2]。ISO/IEC 14443標準的RFID標簽芯片應用局限于會員管理、人員考勤、購物卡、一卡通等標簽卡。而ISO/IEC 15693標準的RFID標簽芯片應用廣泛，可以用于開放式門禁、開放式會議簽到、貴重物品管理、數字化圖書館的圖書管理、醫藥管理、資產管理、產品防偽、物流及供應鏈等諸多領域。此外，ISO/IEC 15693協議與ISO/IEC 18000-3協議兼容，適用范圍廣，市場前景廣闊。
本文對ISO/IEC 15693標準的RFID標簽的編解碼過程進行分析，給出了編解碼系統設計的方法，并進行了仿真結果分析、FPGA下載驗證。
1 VICC通信過程及傳輸數據格式
ISO/IEC 15693標準的閱讀器(VCD)與標簽(VICC)之間的通信通過ASK調制方式進行，分別使用了10%和100%兩種調制指數[3]。VCD通過脈沖位置編碼(PPM)的方式將數據發送到VICC, 而VICC又通過曼徹斯特編碼的方式將數據發送到VCD。在VCD與VICC的通信過程中，VICC是被動的。VICC正確對VCD的請求進行解碼，才能夠做出正確的處理。另外，返回的響應格式也由請求標志決定，所以解碼過程是非常重要的。響應編碼也同樣重要，它關系到VCD對VICC的狀態的判斷，這關系到之后的通信能否正確進行。VICC的工作過程如圖1所示。
VICC收到的請求數據格式以及返回的響應數據格式如表1、表2所示，每種方式可以任意組合。表1中的數據是對解碼的要求，按任意組合可以有4種情況，其中10%調制與256取1的編碼結合，適合要求識別距離相對遠的情況;表2中的數據對應的是編碼的要求，按任意組合也有4種情況。
對編解碼系統進行設計時，由于VICC是被動的，采取VICC進入場之后，復位VICC解碼使能置1，當解碼處理完成之后，等待VICC的操作處理，當返回響應時，解碼使能置0，編碼使能置1。返回結束后，編碼使能置0，解碼使能置1，等待下一次的VCD請求。這樣解碼和編碼不會沖突，而且降低了功耗。
2.1 解碼設計的方案
對前端模擬信號傳過來的波形按ISO15693協議規定進行解碼。模擬前端傳送過來的數據是4取1或256取1的脈沖調制編碼，對其進行解碼時要抓住PPM的特點，確保這兩種編碼都支持。解碼的流程圖如圖2所示，兩種編碼的識別和數據的解碼都是通過判斷兩個相鄰凹槽的距離來判斷。最先識別開始幀(SOF)，把256取1模式的初始化數據定為“255d”，因為如果將它的SOF的后一個槽算作之前的一個數據，則它所在凹槽的位置就是“255d”;同樣可以得到4取1模式的初始化數據為“10b”。數值通過相鄰凹槽的時間差來判斷。由于數據信號的凹槽寬度為9.44 μs，解碼的計時取9.44 μs為1，可以準確識別每個數據，并且采用此方法可以識別的最小信號寬度達到700 ns，比協議中要求的2.1 μs～9.44μs[3]識別的寬度范圍要廣。處理更加靈活，同時減小了射頻前端模擬解調的壓力。此外，ASK調制系數有10%和100%兩種，信號與時鐘進行“與”運算，并將兩種情況統一，則可使處理更加簡單，資源利用率更高。協議中提到的所有數據格式都能滿足，最終確保解碼完全準確。
在VICC收到正確的請求處理完成之后，要響應VCD，響應的數據要通過特殊的編碼處理。為保證控制命令高速長距離傳輸的穩定性,對其進行平衡編碼，采用曼徹斯特編碼將消除直流分量，從而使控制系統具有良好的抗干擾性能[5]。低速模式持續的時間和脈沖個數是高速模式的4倍, 而且不同模式的載波對應的編碼方式不同。時鐘由不同的速率模式控制,高速與低速對應的編碼是一致的，不同的只是編碼時間，因此低速的時鐘分頻系數是高速的4倍。根據曼切斯特編碼的特點，“0”就是1到0的跳變，“1”就是0到1的跳變，1是32分頻的時鐘，而0在單副載波情況下是無調制的，雙副載波調制下是28分頻的時鐘，因此只要加一個選擇器，對應的模式就選擇對應的副載波，兩種副載波調制也就完成了。整個的編碼狀態轉換如圖3所示。進入場復位之后編碼模塊處于空閑狀態，當編碼使能信號置1時開始傳輸響應，先發送開始幀，之后傳輸數據，數據傳輸結束后發送結束幀，最后編碼使能置0回到空閑狀態。這樣確保了響應的安全可靠。
采用Verilog HDL語言編寫程序并進行了測試，用ModelSim進行了功能仿真驗證;同時選用CycloneIVE系列開發板進行 FPGA驗證。此處選用4取1的PPM編碼方式，從輸入的第一個字節為“02h”可以看出，響應編碼是高速率傳輸，單幅載波模式。由兩波形圖可以看出，編碼與解碼的功能得到實現，數據完整可靠。
圖4中“i_dec_clk”是解碼模塊的時鐘信號;“i_dec_nrst”是解碼模塊的復位信號;“i_dec_data”是射頻輸入信號;“o_trans256_sof”是接收數據為256取1(PPM方式)的標志;“o_trans4_sof”是接收數據為4取1的標志，此處是4取1的PPM編碼，有置“1”;“o_dec_byte”是接收完一個整字節的標志，每個字節輸出時都有置“1”;“o_dec_byte_num”是接收數據的字節數，共9 B;“o_dec_eof”是接收數據的結束幀標志;“o_dec_command”是接收的數據解碼之后按十六進制顯示的結果。
圖5中“i_en”是編碼模塊的使能信號;“i_mod”是編碼模式，即低位是副載波形式，高位是傳輸的數據速率;“i_tx_end”是響應數據，包括16 bit的CRC傳輸完成標志;“i_data”是要編碼的數據，按位顯示;“o_rd”是編碼完成的數據;“o_end”是編碼完成的標志，包括EOF;“o_tx_en”是傳輸編碼數據的使能信號，不包括SOF與EOF。
本文給出的編解碼系統的設計已成功應用于基于ISO/IEC 15693標準的RFID標簽芯片的開發項目中，并通過了仿真驗證和FPGA驗證。從仿真驗證結果來看, 該部分編碼解碼完全正確, 凹槽寬度可以小到700 ns，且具有設計簡單、硬件資源利用率低、抗干擾性強等特點, 并且功能仿真結果表明，在與整個標簽芯片中其他模塊代碼進行連接時，編解碼系統的設計完全滿足ISO/IEC 15693標準的所有編解碼模式。疏耦合的RFID標簽應用范圍廣，市場需求大。通過調節編解碼模式可靈活控制識別距離，迎合市場不同需求。
參考文獻
[1] 黃玉蘭.物聯網射頻識別(RFID)核心技術詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.
[2] Identification cards-Contactless integrated circuit cards Vicinity cards-Part 1：Physical characteristics[S].ISO/IEC 15693-1，2010-10-01.
[3] Identification cards-Contactless integrated circuit cards Vicinity cards-Part 2：Air interface and initialization[S]. ISO/IEC 15693-2，2006-12-15.
[4] Identification cards-Contactless integrated circuit(s) cards Vicinity cards-Part 3：Anti-collision and transmission protocol[S].ISO/IEC 15693-3，2000-03-10.
[5] 劉敬彪，琚汝強，盛慶.基于光纜的深海攝像系統的設計與實現[J].電子技術應用，2012，38(3)：30-33.
ISO/IEC 14443與ISO/IEC 15693標準都是針對13.56 MHz無源式RFID標簽的設計標準，前者是近耦合標簽，最大識別距離只有20 cm;后者是疏耦合標簽，最大識別距離可達1.5 m[2]。ISO/IEC 14443標準的RFID標簽芯片應用局限于會員管理、人員考勤、購物卡、一卡通等標簽卡。而ISO/IEC 15693標準的RFID標簽芯片應用廣泛，可以用于開放式門禁、開放式會議簽到、貴重物品管理、數字化圖書館的圖書管理、醫藥管理、資產管理、產品防偽、物流及供應鏈等諸多領域。此外，ISO/IEC 15693協議與ISO/IEC 18000-3協議兼容，適用范圍廣，市場前景廣闊。
本文對ISO/IEC 15693標準的RFID標簽的編解碼過程進行分析，給出了編解碼系統設計的方法，并進行了仿真結果分析、FPGA下載驗證。
1 VICC通信過程及傳輸數據格式
ISO/IEC 15693標準的閱讀器(VCD)與標簽(VICC)之間的通信通過ASK調制方式進行，分別使用了10%和100%兩種調制指數[3]。VCD通過脈沖位置編碼(PPM)的方式將數據發送到VICC, 而VICC又通過曼徹斯特編碼的方式將數據發送到VCD。在VCD與VICC的通信過程中，VICC是被動的。VICC正確對VCD的請求進行解碼，才能夠做出正確的處理。另外，返回的響應格式也由請求標志決定，所以解碼過程是非常重要的。響應編碼也同樣重要，它關系到VCD對VICC的狀態的判斷，這關系到之后的通信能否正確進行。VICC的工作過程如圖1所示。
VICC收到的請求數據格式以及返回的響應數據格式如表1、表2所示，每種方式可以任意組合。表1中的數據是對解碼的要求，按任意組合可以有4種情況，其中10%調制與256取1的編碼結合，適合要求識別距離相對遠的情況;表2中的數據對應的是編碼的要求，按任意組合也有4種情況。
對編解碼系統進行設計時，由于VICC是被動的，采取VICC進入場之后，復位VICC解碼使能置1，當解碼處理完成之后，等待VICC的操作處理，當返回響應時，解碼使能置0，編碼使能置1。返回結束后，編碼使能置0，解碼使能置1，等待下一次的VCD請求。這樣解碼和編碼不會沖突，而且降低了功耗。
2.1 解碼設計的方案
對前端模擬信號傳過來的波形按ISO15693協議規定進行解碼。模擬前端傳送過來的數據是4取1或256取1的脈沖調制編碼，對其進行解碼時要抓住PPM的特點，確保這兩種編碼都支持。解碼的流程圖如圖2所示，兩種編碼的識別和數據的解碼都是通過判斷兩個相鄰凹槽的距離來判斷。最先識別開始幀(SOF)，把256取1模式的初始化數據定為“255d”，因為如果將它的SOF的后一個槽算作之前的一個數據，則它所在凹槽的位置就是“255d”;同樣可以得到4取1模式的初始化數據為“10b”。數值通過相鄰凹槽的時間差來判斷。由于數據信號的凹槽寬度為9.44 μs，解碼的計時取9.44 μs為1，可以準確識別每個數據，并且采用此方法可以識別的最小信號寬度達到700 ns，比協議中要求的2.1 μs～9.44μs[3]識別的寬度范圍要廣。處理更加靈活，同時減小了射頻前端模擬解調的壓力。此外，ASK調制系數有10%和100%兩種，信號與時鐘進行“與”運算，并將兩種情況統一，則可使處理更加簡單，資源利用率更高。協議中提到的所有數據格式都能滿足，最終確保解碼完全準確。
在VICC收到正確的請求處理完成之后，要響應VCD，響應的數據要通過特殊的編碼處理。為保證控制命令高速長距離傳輸的穩定性,對其進行平衡編碼，采用曼徹斯特編碼將消除直流分量，從而使控制系統具有良好的抗干擾性能[5]。低速模式持續的時間和脈沖個數是高速模式的4倍, 而且不同模式的載波對應的編碼方式不同。時鐘由不同的速率模式控制,高速與低速對應的編碼是一致的，不同的只是編碼時間，因此低速的時鐘分頻系數是高速的4倍。根據曼切斯特編碼的特點，“0”就是1到0的跳變，“1”就是0到1的跳變，1是32分頻的時鐘，而0在單副載波情況下是無調制的，雙副載波調制下是28分頻的時鐘，因此只要加一個選擇器，對應的模式就選擇對應的副載波，兩種副載波調制也就完成了。整個的編碼狀態轉換如圖3所示。進入場復位之后編碼模塊處于空閑狀態，當編碼使能信號置1時開始傳輸響應，先發送開始幀，之后傳輸數據，數據傳輸結束后發送結束幀，最后編碼使能置0回到空閑狀態。這樣確保了響應的安全可靠。
采用Verilog HDL語言編寫程序并進行了測試，用ModelSim進行了功能仿真驗證;同時選用CycloneIVE系列開發板進行 FPGA驗證。此處選用4取1的PPM編碼方式，從輸入的第一個字節為“02h”可以看出，響應編碼是高速率傳輸，單幅載波模式。由兩波形圖可以看出，編碼與解碼的功能得到實現，數據完整可靠。
圖4中“i_dec_clk”是解碼模塊的時鐘信號;“i_dec_nrst”是解碼模塊的復位信號;“i_dec_data”是射頻輸入信號;“o_trans256_sof”是接收數據為256取1(PPM方式)的標志;“o_trans4_sof”是接收數據為4取1的標志，此處是4取1的PPM編碼，有置“1”;“o_dec_byte”是接收完一個整字節的標志，每個字節輸出時都有置“1”;“o_dec_byte_num”是接收數據的字節數，共9 B;“o_dec_eof”是接收數據的結束幀標志;“o_dec_command”是接收的數據解碼之后按十六進制顯示的結果。
圖5中“i_en”是編碼模塊的使能信號;“i_mod”是編碼模式，即低位是副載波形式，高位是傳輸的數據速率;“i_tx_end”是響應數據，包括16 bit的CRC傳輸完成標志;“i_data”是要編碼的數據，按位顯示;“o_rd”是編碼完成的數據;“o_end”是編碼完成的標志，包括EOF;“o_tx_en”是傳輸編碼數據的使能信號，不包括SOF與EOF。
本文給出的編解碼系統的設計已成功應用于基于ISO/IEC 15693標準的RFID標簽芯片的開發項目中，并通過了仿真驗證和FPGA驗證。從仿真驗證結果來看, 該部分編碼解碼完全正確, 凹槽寬度可以小到700 ns，且具有設計簡單、硬件資源利用率低、抗干擾性強等特點, 并且功能仿真結果表明，在與整個標簽芯片中其他模塊代碼進行連接時，編解碼系統的設計完全滿足ISO/IEC 15693標準的所有編解碼模式。疏耦合的RFID標簽應用范圍廣，市場需求大。通過調節編解碼模式可靈活控制識別距離，迎合市場不同需求。
參考文獻
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[2] Identification cards-Contactless integrated circuit cards Vicinity cards-Part 1：Physical characteristics[S].ISO/IEC 15693-1，2010-10-01.
[3] Identification cards-Contactless integrated circuit cards Vicinity cards-Part 2：Air interface and initialization[S]. ISO/IEC 15693-2，2006-12-15.
[4] Identification cards-Contactless integrated circuit(s) cards Vicinity cards-Part 3：Anti-collision and transmission protocol[S].ISO/IEC 15693-3，2000-03-10.
[5] 劉敬彪，琚汝強，盛慶.基于光纜的深海攝像系統的設計與實現[J].電子技術應用，2012，38(3)：30-33.
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