基于EPC Gen2协议的UHF RFID有源电子标签设计

吴小龙，张红雨

(电子科技大学 电子工程学院，四川 成都611731)

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

其中，G为读写器天线增益；Γ1为信号“1”对应的反射系数，Γ0为信号“0”对应的反射系数。由式(1)可知，当读写器天线增益 G一定时，将 Γ0取 0，Γ1取 1，此时 ΔRCS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 μs±5%。

我不知道到哪里去找寻白丽筠，打她的手机停机，上网QQ呼她，头像是灰的，我留心各种媒体报道的车祸事故，甚至去我们这座小城的所有水域巡查，没有任何疑似消息，一概没有。我痛感到我与白丽筠的联系其实多么脆弱，就像孩子手里的一只风筝，只要一阵风就把我们彻底拆散了，再也找不到。最后，我去了白丽筠工作的售楼部，明知道没有用，还是去了。售楼部经理说，白丽筠已经辞职了。“辞职”两个字让我冰凉的心里升起一丝暖意，既然白丽筠想到要辞职，就不像是一个要去自杀的人。

(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。

Miller编码状态机如图4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“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。

[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.