射頻識別技術已被應用到許多領域，如護照、交通運輸、產品追蹤、汽車以及動物識別等[1]。主要組成部分有: 電子標簽、RFID閱讀器和后端處理系統。RFID電子標簽由一個微小的標簽芯片和天線構成[2]，標簽芯片由模擬前端、EEPROM和數字基帶部分三部分組成。模擬前端電路除了具有收發RF信號功能外，還負責給整個芯片提供電源、時鐘和復位信號；EEPROM用于存儲標簽的唯一識別代碼和用戶數據信息；數字基帶部分負責完成通信協議的處理、 抗沖突控制、安全認證、CRC校驗和收發控制等工作， 占整個標簽芯片的成本和功耗的主要部分[3]。
    由于RFID標簽芯片及其控制器要求具有低成本、低功耗的特性[4]，因此本文提出一種符合ISO18000-6B協議，并滿足低成本、低功耗要求的高頻RFID標簽芯片數字基帶處理器的設計。
1 數字系統結構圖
    根據ISO18000-6B協議，從閱讀器到應答器的數據傳送通過對載波的幅度調制（ASK）完成，數據編碼為通過生成脈沖創建的曼徹斯特碼編碼，速率為40 kb/s；標簽返回給閱讀器的數據通過FM0編碼調制后發送至模擬前端， 經由天線發送至閱讀器。
    所設計的數字系統結構圖如圖1所示，主要完成以下功能：(1)對前向鏈路解調輸出信號進行曼徹斯特碼解碼，給出解碼輸出時鐘，解析出再同步信號；(2)對解碼出的數據進行CRC 校驗, 確認數據傳輸和標簽解調的正確性,并且同時對解碼輸出數據進行串并轉換，以及解析出正確的命令；(3)根據ISO18000-6B協議的全部功能要求對接收的指令進行正確處理；(4)根據協議的要求對存儲器進行正確讀寫操作；(5)對處理完畢的數據進行組織，生成CRC校驗碼；(6)對回送數據進行FMO編碼，回送給射頻模擬前端進行調制。

    在設計中，有限狀態機的設計是數字部分設計的核心，其功能是協調模塊之間數據與信號交互、處理接收到的指令及其相應的數據、轉換自身狀態、執行對碰撞計數器和靜默計數器的操作、執行對存儲器的讀寫存儲操作、規定反向散射標簽的64位UID以及MTP存儲器內容，并和外圍模塊電路一起構成防碰撞電路，實現防碰撞算法。
2 低功耗設計
    電路中耗散的能量可以分為靜態功耗和動態功耗。形成靜態功耗的主要原因是晶體管中從源極到漏極的亞閾值泄漏，就是指閾值電壓的降低阻止了柵的關閉。動態功耗分為開關功耗和內部功耗。開關功耗是由于器件輸出端的負載電容的充放電引起的。負載電容包括了門和線的電容。內部功耗指在器件內部耗散的能量，主要由瞬時短路所引起。
    數字部分實現低功耗，可以從系統級和RTL代碼級兩方面考慮。本設計中采取降低功耗的有效措施包括：降低電源電壓，降低時鐘頻率，門控時鐘技術，組織模塊的設計方法。
2.1 同步化不同時鐘的設計方案
    當系統中有兩個或兩個以上不同時鐘時，數據的建立和保持時間很難得到保證，會面臨復雜的時間問題。最好的方法是將不同的時鐘同步化，由于標簽數字基帶電路中的編碼器設計中需要編碼輸入時鐘160 kHz和編碼輸出時鐘320 kHz，所以不同的觸發器使用不同的時鐘。為了系統穩定，用系統時鐘1.28 MHz將160 kHz和320 kHz時鐘同步化，如圖2所示。1.28 MHz的高頻時鐘將作為系統時鐘，輸入到所有觸發器的時鐘端。160 MHz _EN和320 MHz_EN將控制所有觸發器的使能端。即原來接160 MHz時鐘的觸發器，接1.28 MHz時鐘，同時160 MHz_EN將控制該觸發器使能 ，原接320 MHz時鐘的觸發器，也接1.28 MHz時鐘，同時320 MHz_EN將控制該觸發器使能。這樣就可以滿足編碼器的時鐘同步要求。

    圖2為同步化不同時鐘的電路設計方案。
2.2 降低電源電壓
    動態功耗和電源電壓的平方成正比，故降低電源電壓是減少功耗的有效辦法，但是降低供電電壓，會帶來很多副作用：首先，降低供電電壓，會導致速度下降，減小電容充放電的電流或負載驅動電流；其次，會導致較低的輸出功率或較低的信號幅度，從而產生噪聲和信號衰減的問題。研究表明：降低閥值電壓，可以使得動態功耗減少，但會增大靜態功耗。考慮到數字控制部分和存儲器的功能，Vdd=1 V是達到較小的動態和靜態功耗的一個很好的折中電壓。
    設計中采用的是臺積電提供的0.18 μm數字標準單元，標準工作電壓為0.9 V～1.1 V。而EEPROM工作電壓為0.9 V～1.2 V@讀數據/1.8 V@寫數據，所以進行寫操作時需要用到電平轉換將1.0 V轉換到1.8 V的電壓，以便進行數據的交互。
2.3 門控時鐘的設計
    為了降低芯片的功耗，設計中使用了門控時鐘：用使能信號控制寄存器的時鐘端，當使能信號有效時時鐘翻轉，否則時鐘保持在固定電平。因此時鐘使能可以將電路中的部分電路處于空閑狀態，阻止寄存器內部翻轉和寄存器之間組合邏輯開關動作，以達到節省功耗的目的。圖3所示為門控時鐘的設計方案。

    表1給出利用綜合工具Design Compiler對當前設計進行綜合后的功耗和面積報告。可以看出，本設計使用門控時鐘后，總的動態功耗降低了很多，并且在降低功耗的同時，面積也有了一定的減小。

2.4 組織模塊設計方法
    由于在設計中并不是所有的模塊都同時工作，而是在某一個狀態下，只開啟一個或幾個模塊，其他模塊處于關閉狀態，所以如果有效組織模塊的開關，將會減少寄存器的開關翻轉動作。設計中利用有限狀態機根據不同的指令和狀態轉換開啟不同的模塊來完成數據的處理要求和存儲操作：當接收前向數據時，開啟編碼器、CRC計算/校驗、和串并轉換；當處理數據時，開啟模塊有限狀態控制機、EEPROM控制模塊、靜默計數器、隨機數產生器；當返回數據時，開啟模塊有限狀態控制機、EEPROM控制模塊、數據輸出控制端、編碼器其他模塊關閉。由于每個模塊在某個狀態下才開啟，其他狀態下關閉，故減少了不必要的開關動作，從而有效降低了功耗。
3 芯片測試
    首先采用FPGA完成芯片的功能驗證，以FPGA的可編程邏輯陣列為基本單元，實現ISO18000-6B的數字基帶功能的硬件仿真驗證。然后使用ASIC芯片設計EDA工具將RTL頂層描述映射為基于TSMC提供的目標工藝庫的基本數字單元的物理電路，并生成CAD版圖且提交給TSMC半導體工廠制作出來。
    進行芯片測試時，利用先施閱讀器產生RFID各種命令信號，經解調后輸入到待測試芯片的數據輸入端。芯片在電源、時鐘源信號、復位信號的共同激勵下進入正常工作狀態并對輸入命令數據進行響應，將數據輸出到調制電路，然后反射回閱讀器。閱讀器根據接收到的信號決定下一步操作。在閱讀器和待測芯片的交互過程中，可用邏輯分析儀觀察中間過程。圖4為先施閱讀器對測試芯片發送read命令時，用邏輯分析儀捕捉的內部信號，其中信號data_in為解調器解調出的前向鏈路數據，信號data_out為芯片的返回數據。

    從已流片芯片的測試結果看，標簽芯片數字系統的設計很好地完成了符合ISO18000-6B協議的所有強制命令以及讀寫操作和鎖存、查詢鎖存等基本功能，且在閱讀器存盤操作下的平均速率為45～60張/s，功耗為3.10μW，很好地完成了低功耗無源電子標簽的設計。
參考文獻
[1] FINKENZELLER K.RFID Handbook：fundamentals and  applications in contactless smart cards and identification. 2nd Ed，Wiley，2003.
[2] KARTHAUS U，FISCHER M.Fully integrated passive UHF  RFID transponder IC with 1617 L W mini mum RF input power[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits，2003，38(10)：1602-1608.
[3] GLIDDEN R.Design of ult ra-low-cost UHF RFID tags for supply chain applications[J].IEEE Communication Magazine，2004，42(8)：140-151.
[4] RICCI A，GRISANTI M，De Munari I，et al.Design of a  low-power digital core for passive UHF RFID transponder  [C].In：DSD(Digital System Design)：Architectures，Methods and Tools 2006，9th Euromicro Conference，2006：561-568.