CN101408924B - 射频识别标签芯片数据接收同步方法 - Google Patents

Abstract

一种射频识别标签芯片数据接收同步方法，在接收指令帧头阶段采用两个计数器分别对符合ISO/IEC 18000-6 Type B协议的指令格式中的高电平1和低电平0的长度进行计数，另外采用一个与计数器位数相匹配的加法器对两个计数值进行累加运算，将累加结果即同步计数值暂存于寄存器组当中，帧头接收结束后对累加结果进行除法运算获得采样的基准参考值，在采样时使用所述的两个计数器分别对高、低电平进行计数获得计数值，使用比较器将计数值与基准参考值分别进行比较从而给出正确的采样时钟沿。本发明对低稳定性的片上时钟具有很强的自适应性。电路实现结构简单，仅需两个计数器，一个加法器，一个比较器，若干寄存器和控制同步数据流动的小型状态机。

Description

射频识别标签芯片数据接收同步方法

技术领域

本发明涉及一种识别标签芯片数据接收同步方法。特别是涉及一种对低稳定性的片上时钟具有很强的自适应性的射频识别标签芯片数据接收同步方法。

背景技术

射频识别(RFID)系统包含射频标签(Tag)、读卡器(Reader)和数据管理系统三部分。射频标签芯片通常由模拟前端电路，数字处理单元和存储器组成。

对于被动式射频标签，标签首先要等待读卡器发出指令，然后做出应答。在这种情况下，标签需要恢复经由读卡器调制和编码的数据。由于读卡器和标签的操作分别采用独立的时钟源，二者处于完全异步的时钟域。为了能够正确地采样相关指令，标签必须与读卡器发出的数据流获得同步。

一种广泛采用的同步方法是从读卡器所发送的指令序列中提取用于分频时钟的参考分频数，对标签片上时钟进行相应分频，并在指令的处理过程中保持片上时钟频率不变。这种方法对于片上时钟频率的稳定性有很高的要求，当时钟频率发生波动时，若两个数据相邻部分出现“11”或者“00”序列时，数据采样极有可能发生错误。同步采样错误主要是由于时钟频率发生抖动时，不能产生正确的采样时钟沿，从而产生数据采样错误。

另一种与读卡器获得同步的方法是采用双沿触发，这种方法能够有效地降低功耗，但会引发相对复杂的时序问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种电路实现结构简单，对低稳定性的片上时钟具有很强的自适应性的射频识别标签芯片数据接收同步方法。

本发明所采用的技术方案是：一种射频识别标签芯片数据接收同步方法，在接收指令帧头阶段采用两个计数器分别对符合ISO/IEC 18000-6Type B协议的指令格式中的高电平1和低电平0的长度进行计数，另外采用一个与计数器位数相匹配的加法器对两个计数值进行累加运算，将累加结果即同步计数值暂存于寄存器组当中，帧头接收结束后对累加结果进行除法运算获得采样的基准参考值，在采样时使用所述的两个计数器分别对高、低电平进行计数获得计数值，使用比较器将计数值与基准参考值分别进行比较从而给出正确的采样时钟沿。

所述的符合ISO/IEC 18000-6 Type B协议的指令格式包括有：静默、由9个01构成的帧头、由11 00 111 0 1 0这6个序列构成的分隔符、命令、参数、数据、校验位。

所述的射频识别标签芯片数据接收同步方法，具体包括有如下阶段：

(1)在设定的时间内，高电平计数器对高电平的长度进行计数的阶段；

所述的高电平计数器对高电平的长度进行计数，也就是识别每条命令之前的静默阶段，当计数时间达到设定的时间时，进入等待指令帧头开始的阶段。

(2)等待指令帧头开始的阶段；

所述的等待指令帧头开始的阶段，是在高电平计数器的计数时间达到设定的时间400us之后，直到发现下降沿时停止。

(3)接收指令帧头的阶段；

所述的接收指令帧头的阶段，是在标签接收数据帧头的前8个01时，低电平计数器与高电平计数器交替工作，分别对数据0和数据1的长度进行计数，并将计数值进行累加，结果暂存寄存器组中，并将前8对01的平均长度定义为采样基准参考值。

(4)接收识别分隔符的阶段；

所述的接收识别分隔符的阶段是分别对分隔符的不同序列：11、00、111、0、1、0进行确认，包括如下步骤：

1)使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的11序列，当接收数据为0时，进入下一步，否则继续使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的11序列；

2)使用低电平计数器对低电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的00序列，当接收数据为1时，进入下一步，否则继续使用低电平计数器对低电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的00序列；

3)使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的111序列，当接收的数据为0时，进入下一步，否则继续使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的111序列；

4)接收的数据为1，进入下一步；

5)接收的数据为0，进入下一步；

6)使用低电平计数器对低电平进行计数，当接收数据为1时，进入接收采样数据的阶段，此时若低电平计数值大于采样基准参考值的3/4，说明接收的第一个指令采样数据是0，否则说明第一个指令采样数据为1。

(5)接收采样数据的阶段。

所述的接收采样数据，包括如下步骤：

1)采用高电平计数器对高电平进行计数，如果接收到数据0，进入下一步；

2)采用低电平计数器对低电平进行计数，根据接收到的数据判断数据是否接收完毕，如果数据接收完毕，返回第一阶段重新开始；如果接收到数据1，返回上一步。

本发明的射频识别标签芯片数据接收同步方法，对低稳定性的片上时钟具有很强的自适应性。当片上时钟频率在500KHz至1MHz范围内，同时伴随有±10％甚至±20％的波动时，均可产生正确的同步采样点。此外，电路实现结构简单，仅需两个计数器，一个加法器，一个比较器，若干寄存器和控制同步数据流动的小型状态机。

附图说明

图1是数据同步接收方法的电路框图；

图2是符合ISO/IEC 18000-6 Type B协议的指令格式；

图3是数据同步接收方法的流程图；

图4是提取同步信息的计数-累加过程示意图；

图5是采样点位置示意图。

其中：

1：第一计数器    2：第二计数器

3：第三计数器    4：第四计数器

5：加法器        6：寄存器组

7：比较器        8：触发器采样

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的射频识别标签芯片数据接收同步方法做出详细说明。

本发明的射频识别标签芯片数据接收同步方法，是采用两个计数器(H-couner和L-counter)分别对符合ISO/IEC 18000-6Type B协议的指令格式中的高电平1和低电平0的长度进行计数，另外采用一个与计数器位数相匹配的加法器进行累加运算，将同步计数值暂存于寄存器组当中，在采样时使用比较器将计数值与通过累加和除法运算获得的基准参考值进行比较从而给出正确的采样时钟沿。

具体如图1所示，第一计数器1，用于接收指令帧头的低电平数据；第二计数器2，用于接收指令帧头的高电平数据；第三计数器3，用于接收高电平采样数据；第四计数器4，用于接收低电平采样数据；加法器5，对第一计数器1和第二计数器2的输出数据进行累加运算；寄存器组6，暂存加法器5输出的同步计数值；比较器7，将寄存器组6中的计数值与通过第三计数器3和第四计数器4累加和除法运算获得的基准参考值进行比较从而给出正确的采样时钟沿；采样触发器8，采集输入数据和比较器7输出的采样时钟沿。

图1中：“ZTJ”表示“状态机控制”，“OUL”表示“数据输入”，“OUT”表示“数据输出”，“Z”表示“帧头”，“C”表示“采样数据”，“0”表示“低电平”，“1”表示“高电平”。

本发明所述的符合ISO/IEC 18000-6 Type B协议的指令格式如图2所示，包括有：静默、由9个01构成的帧头、由11 00 111 0 1 0这6个序列构成的分隔符、命令、参数、数据、校验位。

本发明所述的射频识别标签芯片数据接收同步方法，具体包括有如下阶段：

(1)在设定的时间内，高电平计数器对高电平的长度进行计数的阶段；所述的高电平计数器对高电平的长度进行计数，也就是识别每条命令之前的静默阶段，当计数时间达到设定的时间(400us)时，进入等待指令帧头开始的阶段。

(2)等待指令帧头开始的阶段；所述的等待指令帧头开始的阶段，是在高电平计数器的计数时间达到设定的时间(400us)之后，直到发现下降沿时停止。

(3)接收指令帧头的阶段；所述的接收指令帧头的阶段，是在标签接收数据帧头的前8个01时，低电平计数器L-counter与高电平计数器H-counter交替工作，分别对数据0和数据1的长度进行计数和累加，暂存寄存器组中，并将前8对01的平均长度定义为采样基准参考值。

(4)接收识别分隔符的阶段；所述的接收识别分隔符的阶段是分别对分隔符的不同序列进行确认，包括如下步骤：

1)使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的11序列；

2)使用低电平计数器对低电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的00序列所接收的数据；

3)使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的111序列所接收的数据；

4)使用低电平计数器接收低电平数据，当接收的数据为1时，进入下一步；

5)使用高电平计数器接收高电平数据，当接收的数据为0时，进入下一步；

6)使用低电平计数器对低电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的0序列所接收的数据，并进入接收采样数据的阶段。此步所接收的采样数据为0或1。

(5)接收采样数据的阶段。所述的接收采样数据，包括如下步骤：

1)当在接收识别分隔符的阶段最后所接收的数据是0时，采用高电平计数器接收高电平数据，当在接收识别分隔符的阶段最后所接收的数据是1时，采用低电平计数器接收低电平数据；

2)当第1)步所接收的数据为0时，都进入下一步采用低电平计数器接收低电平数据；

3)判断数据是否接收完毕，如果没有接收完毕，返回第1)步中的采用高电平计数器接收高电平数据继续往下循环进行；如果数据接收完毕，则返回最初始状态。

下面结合图3对射频识别标签芯片数据接收同步方法具体说明：

读卡器不发送有效的指令序列时，发送稳定的连续波为标签提供能量，标签对连续波的解调结果为持续的高电平“1”，在初始状态的时候，使用H-counter计数器对高电平的长度进行计数，也就是识别每条命令之前的静默阶段，当计数时间达到400us时，状态跳转到Wait_head状态，等待指令帧头的开始。

接收数据在持续一定时间的高电平之后的下降沿便是指令帧头开始的标志，一旦接收到持续高电平之后的低电平，状态转到Preamble状态，接收指令的帧头，其中Preamble是9位的曼彻斯特码“0”，NRZ格式为010101010101010101(如图2所示)。由于每条指令的帧头是9对“01”序列，并且这些“01”序列的长度(持续时间)都相对稳定一致，可以作为同步的基准参考值。由帧头提取采样基准参考值的过程如下：

在持续的高电平之后，一旦接收到低电平，计数器L-counter就开始对数据“0”的长度进行计数，直到发现上升沿时停止；接着，在上升沿之后，计数器H-counter开始对数据“1”的长度进行计数。标签接收数据帧头的前8个“01”时，计数器L-counter与H-counter按上述方式交替工作，分别对数据“0”和数据“1”的长度进行计数。并且，在L-counter对数据“0”的长度进行计数时，H-counter把上一轮得到的数据“1”的累加长度载入寄存器组中暂存，之后H-counter复位为0等待上升沿之后再对下一个数据“1”的长度进行计数。同样，当H-counter在对数据“1”的长度进行计数的时候，L-counter把上一轮得到的数据“0”的累加长度载入寄存器组中暂存，之后再复位为0等待下降沿之后对下一个数据“0”的长度进行计数。

在接收前8对“01”序列的时候，通过如上所述的计数-累加过程，可以得到前8对“01”序列的总长度，并存放于寄存器组中。如果各段数据“0”的长度用Ln表示，各段数据“1”的长度用Hn表示，那么第一对“01”中“0”的长度为L1，“1”的长度为H1；第二对“01”中“0”的长度为L2，“1”的长度为H2……第八对“01”中“0”的长度为L8，“1”的长度为H8。于是，最后在寄存器组中存储的累加值为Sref_8＝(L1+L2……+L8)+(H1+H2……+H8)。其总体过程如图4所示。

数据帧头中的每一对“01”是1位经过曼彻斯特编码的数据“0”，且帧头“01”的长度基本一致。对指令数据采样的时候，“01”的长度可作为参考比较值。将前8对“01”的平均长度定义为“采样基准参考值”，为了简化计算，不对第9对“01”的长度进行计数。

接收完前8对“01”之后，寄存器组中存放的数值是累加和Sref_8，把Sref_8右移三位就得到了除以8的平均值Sref_8/8，即“采样基准参考值”——Sref。

采样基准参考值提取完成后，同步状态机继续控制数据流动，对分隔符进行识别，状态跳转到S1。在S1状态，使用H-counter对高电平进行计数。由于Sref相当于manchester编码后的2bit数据的长度，只要H-counter的计数值大于(3/4)Sref，就认为是2个1的出现。当高电平计数值大于(3/4)Sref，并且接收数据为0时，状态跳转到S2对分隔符中接下来的”00”序列进行识别。

在S2状态，使用L-counter对低电平进行计数，计数值大于(3/4)Sref时，即认为是2个0的出现。当低电平计数值大于(3/4)Sref，并且接收数据为1时，状态跳转到S3对分隔符中接下来的”111”序列进行识别。

在S3状态，使用H-counter对高电平进行计数，计数值大于(5/4)Sref时，即认为是3个1的出现。当高电平计数值大于(5/4)Sref，并且接收数据为0时，状态跳转到S4接着进行判断。

由于分隔符中接下来的部分都是单个bit的数据，所以不用考虑数据的长度问题，只需考虑数据的电平问题即可。处在S4状态时，当接收数据为1时，状态跳转到S5；在S5的时候，当接收数据为0时状态再跳转到S6。

在S6状态，已经检测出了分隔符的前面几位，这时需要接收分隔符的最后一位0。因为接下来将要接收的是采样数据，第一位有可能是0也有可能是1，所以当接收数据为1时需要根据L-counter的计数值，通过判断是单个bit的0还是连续的两个0进行状态的跳转。当L-counter计数值小于(3/4)Sref时，表明第一位采样数据是1，状态跳转到S8；如果L-counter计数值大于(3/4)Sref，表明第一位采样数据是0，状态跳转到S7。

S7和S9是在采样数据时相互跳转的两个状态。S7状态表明当前接收的采样数据是1，采用H-counter进行计数；S9状态表明当前接收的采样数据是0，采用L-counter进行计数。

采样指令数据的过程中，L-counter和H-counter仍然执行与提取同步信息时相同的操作，即L-counter对序列中数据“0”的长度进行计数，H-counter对数据“1”的长度进行计数。当片上时钟频率在500KHz以上时，每次当L-counter或H-counter的计数值为1时对数据进行采样，这样使采样点位置与数据序列的上升沿或者下降沿有1～2个时钟周期的间隔(如图5所示)，在片上时钟频率发生小幅抖动时，能够保证正确采样。对于某一段数据“0”或者数据“1”，即使计数得到的时钟周期数增加或减少了1～2个，采样点仍位于有效的字段范围之内。

根据采样基准参考值，通过移位和加法操作，引入参考值(3/4)Sref。在数据采样过程中，如果出现“0”或者“1”的长度大于(3/4)Sref的情况，就认为这是相邻数据边界处的“00”或者“11”序列，可在这段时间内进行两次采样，如图5所示，确保正确采样。

计数器L-counter、H-counter和寄存器组的位宽还可以根据数据速率和片上时钟频率之间的关系，根据所需计数值的大小加以调整。

按照ISO/IEC 18000-6Type B协议的规定，指令数据的速率为40kbps(忽略指令数据速率变化)，那么每一位经过曼彻斯特编码之后得到的“01”/“10”序列的长度为25μs。片上时钟的频率记为f₀。1位指令数据所占用的时钟周期数记为n₀，那么可以得到n₀＝25×10^-6×f₀。这里假设f₀等于500KHz，则n₀等于12.5。在实际过程中，如果由于时钟频率的局部抖动而使得某一位数据所占的时钟周期数等于(n₀-1)或者(n₀+1)的话，不会对采样点的有效位置区域产生影响。所以，频率浮动的容差最小为1个时钟周期的长度。因此，对于单个位的数据，计数器所记的有效时钟周期数的范围是[n₀-1，n₀+1]。把n₀-1记作n₁，把n₀+1记作n₂，则，

n₁＝n₀-1＝25×10^-6×f₁＝25×10^-6×f₀-1

n₂＝n₀+1＝25×10^-6×f₂＝25×10^-6×f₀+1

因此，可以同样得到片上时钟有效范围的上限值和下限值分别是：f₁＝f₀-40k；f₂＝f₀+40k。即频率的容差至少是±40k。由于上述分析为保守估计，而且随着片上时钟中心频率的提高，L-counter和H-counter对数据“0”和数据“1”的计数值也会随之增大，容差将相应增大。测试证明：时钟频率在500KHz-1MHz之间，伴有±10％乃至±20％的抖动时，将不会影响同步和采样的正确性。

Claims (3)

1.一种射频识别标签芯片数据接收同步方法，其特征在于，在接收指令帧头阶段采用两个计数器分别对符合ISO/IEC 18000-6Type B协议的指令格式中的高电平1和低电平0的长度进行计数，另外采用一个与计数器位数相匹配的加法器对两个计数值进行累加运算，将累加结果即同步计数值暂存于寄存器组当中，帧头接收结束后对累加结果进行除法运算获得采样的基准参考值，在采样时使用所述的两个计数器分别对高、低电平进行计数获得计数值，使用比较器将计数值与基准参考值分别进行比较从而给出正确的采样时钟沿。

2.根据权利要求1所述的射频识别标签芯片数据接收同步方法，其特征在于，所述的符合ISO/IEC 18000-6Type B协议的指令格式包括有：静默、由9个01构成的帧头、由11 00 111 0 1 0这6个序列构成的分隔符、命令、参数、数据、校验位。

3.根据权利要求1所述的射频识别标签芯片数据接收同步方法，其特征在于，具体包括有如下阶段：

(1)在设定的时间内，高电平计数器对高电平的长度进行计数的阶段；

所述的高电平计数器对高电平的长度进行计数，也就是识别每条命令之前的静默阶段，当计数时间达到设定的时间时，进入等待指令帧头开始的阶段；

(2)等待指令帧头开始的阶段；

所述的等待指令帧头开始的阶段，是在高电平计数器的计数时间达到设定的时间400us之后，直到发现下降沿时停止；

(3)接收指令帧头的阶段；

所述的接收指令帧头的阶段，是在标签接收数据帧头的前8个01时，低电平计数器与高电平计数器交替工作，分别对数据0和数据1的长度进行计数，并将计数值进行累加，结果暂存寄存器组中，并将前8对01的平均长度定义为采样基准参考值；

(4)接收识别分隔符的阶段；

所述的接收识别分隔符的阶段是分别对分隔符的不同序列：11、00、111、0、1、0进行确认，包括如下步骤：

1)使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的11序列，当接收数据为0时，进入下一步，否则继续使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的11序列；

2)使用低电平计数器对低电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的00序列，当接收数据为1时，进入下一步，否则继续使用低电平计数器对低电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的00序列；

3)使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的111序列，当接收的数据为0时，进入下一步，否则继续使用高电平计数器对高电平进行计数，根据采样基准参考值确认分隔符中的111序列；

4)接收的数据为1，进入下一步；

5)接收的数据为0，进入下一步；

6)使用低电平计数器对低电平进行计数，当接收数据为1时，进入接收采样数据的阶段，此时若低电平计数值大于采样基准参考值的3/4，说明接收的第一个指令采样数据是0，否则说明第一个指令采样数据为1；

(5)接收采样数据的阶段；

所述的接收采样数据，包括如下步骤：

1)采用高电平计数器对高电平进行计数，如果接收到数据0，进入下一步；

2)采用低电平计数器对低电平进行计数，根据接收到的数据判断数据是否接收完毕，如果数据接收完毕，返回第一阶段重新开始；如果接收到数据1，返回上一步。

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