基于EPC Gen2协议的UHF RFID有源电子标签设计-AET-电子技术应用

基于EPC Gen2协议的UHF RFID有源电子标签设计

来源：电子技术应用2012年第8期

吴小龙，张红雨

电子科技大学电子工程学院，四川成都611731

摘要：提出了一种基于EPC Gen2协议的UHF RFID(Radio Frequency Identification)有源电子标签设计方法。标签硬件电路分为三个部分——反射电路、接收电路和基带控制电路。通过理论分析提出一种低误码率的反射电路设计方案，接收电路采用双通道正交解调方案，采用FPGA芯片EP1C3T100C6完成基带控制电路设计。利用读写器对标签进行测试，示波器、频谱仪和上位机程序所得结果均表明标签工作正常。

关键词： RFID 标签反射 FPGA

中图分类号：TP29
文献标识码：A
文章编号： 0258-7998(2012)08-0010-03

Design of an UHF RFID active tag based on EPC Gen2 protocol

Wu Xiaolong，Zhang Hongyu

School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China

Abstract：A kind of UHF RFID active tag design method based on EPC Gen2 is presented in this paper. Tag’s hardware circuit is made of three parts: reflex circuit, receiving circuit and baseband control circuit. By theoretically analyzing, a low bit-error-rate design proposal is presented for the reflex circuit. Two-channel quadrature demodulation program is adopted to design the receiving circuit. And an FPGA chip(EP1C3T100C6) is adopted to design the baseband control circuit. Using a reader to test the tag, testing results of oscilloscope, frequency spectrograph and upper computer show that tag works well.

Key words :RFID；tag；FPGA；reflex

目前符合EPC Gen2[1]协议的电子标签基本都是无源标签，工作所需能量来自读写器发送的射频信号，即波束供电。因此工作距离、存储容量等受到能量来源的限制。为了弥补无源标签的不足，本次研究提出了有源RFID电子标签的设计方案。

1 UHF RFID电子标签工作原理
读写器在发送完控制命令后，会一直发送空载波CW，标签通过反向散射调制的方式将回传的信息调制到CW上。该方式通过改变标签天线的负载阻抗来实现[2]。通常，一种阻抗处于失配状态，另一种阻抗处于匹配状态，通过基带电路控制“阻抗开关”来完成信号“1”和“0”的传输[3]。
2 电子标签的硬件电路设计
电子标签包含射频反射电路、射频接收电路和基带控制电路，如图1所示。

2.1 射频反射电路设计
电子标签通过射频开关改变天线的负载阻抗来实现反向散射调制。在不同负载阻抗下，天线的雷达截面RCS也不一样。参考文献[4]指出，匹配时的RCS0与失配时的RCS1之差的绝对值ΔRCS越大，反射的误码率越低。如式(1)：

可取得最大值。为了达到上述目的，将射频开关的一端接匹配负载，另一端悬空。
2.2 射频接收电路设计
射频接收电路由低噪放微带线移相电路、包络检波电路、低通滤波电路、差分放大器和电压比较器构成。信号首先经过低噪放放大；然后进入50 Ω微带线产生两路正交信号；接着由包络检波并通过低通滤波器将高频成分滤除即可得到两路基带信号。经过差分放大器和电压比较器后可得到PIE编码波形。
3 UHF RFID电子标签基带程序设计
基带程序主要包括接收模块、主状态机和发送模块。
3.1 接收模块设计
如图2所示，PIE解码状态机定义了如下7种状态：
(1)S_idle状态：解码开始或结束时，解码状态机处于S_idle状态。
(2)S_delim状态：判断delim(间隔符)低电平持续时间是否满足12.5 ?滋s±5%。
(3)S_data0状态：测量Tari的时间长度。
(4)S_rtcal状态：判断RTcal时间长度是否满足2.5Tari≤RTcal≤3.0Tari。
(5)Trcal_or_work_h状态：判断TRcal时间长度是否满足1.1RTcal≤TRcal≤3.0RTcal。
(6)S_work_h状态：记录高电平持续时间。
(7)S_work_l状态：在信号上升沿判断数据是0或1。

3.2 主状态机设计
主状态机实现EPC Gen2协议规定的7种状态：Ready、Arbitrate、Reply、Acknowledged、Open、Secured与Kill。根据所处状态调用相关功能模块，常见的操作有读写存储器、使能发送模块应答读写器等。
3.3 发送模块设计
FM0编码状态机如图3所示，其定义了如下7种状态：
(1)S_idle状态：编码器起始状态。
(2)S_pilot状态：添加导频音。
(3)S_sync状态：添加前同步码“00101011”此处“V”由数据1代替。
(4)S1状态：输出11。
(5)S2状态：输出10。
(6)S3状态：输出01。
(7)S4状态：输出00。

(1)S_idle状态：编码器起始状态。
(2)S_pilot状态：添加导频音。
(3)S_sync状态：添加前同步码“010111”。
(4)S1状态：M=2时输出1010，M=4时输出10101010，M=8时输出1010101010101010。
(5)S2状态：M=2时输出1001，M=4时输出10100101，M=8时输出1010101001010101。
(6)S3状态：M=2时输出0110，M=4时输出01011010，M=8时输出0101010110101010。
(7)S4状态：M=2时输出0101，M=4时输出01010101，M=8时输出0101010101010101。
4 UHF RFID电子标签测试结果
标签实物如图5所示。

读写器读取标签的EPC、TID、USER 3个存储区的数据后传到上位机程序，所得的测试结果如图6所示。

本文采用Cyclone系列芯片EP1C3T100C6及相关射频芯片，设计了一种符合EPC Gen2协议的有源电子标签。测试结果表明电子标签工作性能稳定。板级电子标签的设计为标签的芯片设计提供了可靠的保证，降低了流片的风险。
参考文献
[1] EPC global Inc．EPCTM radio-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，何怡刚，佘开，等.基于雷达截面差值的标签通信误码率分析与测量[J].仪器仪表学报，2010(31)：2815-2819.

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