基于EPC Gen2协议的UHF RFID有源电子标签设计

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；FPGA；反射
       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。