CN112232098A - 基于超高频rfid标签芯片的超低功耗数字基带系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统，属于射频识别技术领域。本发明包括功耗控制模块、初始化模块、前导码识别模块、解码模块、命令解析模块、状态控制模块、编码预处理模块、编码输出模块、安全控制模块、真随机数接口和存储器接口。本发明能够接收RFID芯片射频模拟前端解调后的阅读器信号，进行解码、命令解析，并进行响应的标签状态转换，再输出正确的响应信号返回给射频模拟前端。该系统符合GJB7377.1协议要求，并支持安全鉴别和安全通信，是对现有技术的一种重要改进。

Description

基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，尤其是指一种基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统。

背景技术

RFID(Radio Frequency IDentification，射频识别)技术是一种利用射频通道实现的非接触式自动识别技术。RFID是物联网核心技术之一，尤其作为下一代装备物资管理信息系统的主要技术手段，可以对各类装备物资从单品、外包装到托盘各级包装进行统一标识、统一管理和统一控制。

按照工作频率的不同，RFID标签分为低频(LF)，高频(HF)，超高频(UHF)和微波频段(MW)的标签。其中，GJB7377.1标准采用的超高频(UHF)标签是指工作频率为800/900MHz的RFID标签，具有可读写距离远，速度快，性能好等特点。

RFID安全标签是带有密码模块并且具备安全鉴别和安全通信能力的标签，这种标签能够很好地解决RFID技术所面临的易受窃听或非法读取等安全问题。

通常，RFID标签芯片主要由射频模拟前端、数字基带和存储模块组成。模拟射频前端主要完成从天线端收到的射频能量转化为其他模块使用的直流能量，同时为其他模块提供时钟、复位信号，并从载波中恢复出基带信号。数字基带完成协议处理，并返回响应数据。

RFID完整系统包括电子标签、阅读器。阅读器向标签发射高频电磁波，一部分能量被标签天线接收并转换为标签本身的工作能量，另一部分能量会转换为标签的响应数据链路。

RFID标签芯片的功耗是整个RFID系统的关键因素，也就是说系统的工作距离取决于标签芯片的灵敏度。射频模拟前端和存储器均为成熟技术，数字基带功耗占整个标签芯片的功耗40％到50％，所以降低数字基带功耗可以使标签芯片有更远的工作距离和更高的灵敏度。可见，对于无源标签，功耗控制仍是数字基带系统的一大技术难点，而安全模块会使数字基带逻辑门数增加20％，进行加/解密时的瞬时功耗会很大，所以带有安全模块的安全无源标签的功耗更是难以控制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统，其满足GJB7377.1协议要求，并具有超低功耗和安全性的特点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统，其包括功耗控制模块、初始化模块、前导码识别模块、解码模块、命令解析模块、状态控制模块、编码预处理模块、编码输出模块、安全控制模块、真随机数接口和存储器接口；该数字基带系统的时钟域由多个时钟域组成，分为2.56MHz时钟域、640KHz时钟域、80KHz时钟域和可变速率时钟域；根据GJB7377.1协议要求，前向链路数据采用TPP编码，前导码由分隔符、第一校准符T_cal1和第二校准符T_cal2组成；其中，

功耗控制模块控制其他模块的运行状态，同时也控制各种协议处理数据的通路选择；功耗控制模块内设有一个状态机，该状态机控制每一时刻只有一个或者两个模块同时运行，根据状态机所处状态给各个模块使能信号；此外，功耗控制模块对外部输入的2.56MHz的主时钟进行分频，分为640K、80K、可变时钟，然后对各个时钟进行门控，并给其他模块提供门控时钟；

前导码识别模块利用计数器来计算分隔符的时间，识别出分隔符；识别出分隔符后，测定出波形中的第一校准符T_cal1和第二校准符T_cal2，根据以下公式：

Pivot1＝T_cal1/4+T_cal2/4

Pivot2＝Pivot1+T_cal2/4

Pivot3＝Pivot2+T_cal2/4

计算出参考时间Pivot1、Pivot2、Pivot3并传给解码模块；

解码模块测定相邻两个脉冲的间隔时间t，按照以下方法进行解码：

若t<Pivot1，则解码为00，

若Pivot1≤t<Pivot2，则解码为01，

若Pivot2≤t<Pivot3，则解码为11，

若t>Pivot3，则解码为10，

解码的同时对数据进行CRC校验，如校验失败，将给出校验错误信号；

解码模块还用于实现SORT命令掩码同步匹配功能，方式为，在接收到命令代码为SORT后，根据SORT命令指示的存储器数据域，通过存储器接口同步读出存储器相应位置的数据，来和接收到的掩码进行匹配；

命令解析模块用于将命令中的存储区、指针转化成存储区的绝对地址，并对地址有效性进行判断，还用于完成ACCESS命令的口令校验；

状态控制模块用于控制标签芯片的状态，根据GJB7377.1协议要求完成标签的准备、仲裁、应答、鉴别、开放、安全和灭活这7个状态的转换；

编码预处理模块对于安全命令中的读、写、擦、锁定和灭活命令，准备响应数据包明文，将这些命令的明文传递给安全接口模块；

安全接口模块在前向链路中将阅读器发来的密文打包好发送给安全模块进行解密，并将解密后的数据传递给命令解析模块；在反向链路中将要发送给阅读器的数据打包送给安全模块进行加密，并将加密后的密文送给编码输出模块；

编码输出模块依据GJB7377.1协议中指令响应数据包格式组成数据包，根据盘点命令中的编码选择位选择编码方式进行数据编码并输出给射频模拟前端，有FM0、MILLER2、MILLER4和MILLER8这4种编码方式，同时该模块集成了CRC5和CRC16两种校验码。

进一步的，协议处理时，在数字基带内数据以串行方式行进，前向链路和反向链路以状态控制模块为界限，即，状态控制模块运行完成前为前向链路，运行完成后为反向链路。

进一步的，超高频RFID标签芯片在有电磁能量后，数字基带接收到射频模拟前端的复位和时钟信号，初始化模块开始工作，通过读取存储器内的数据来判断该芯片所处状态，并对其他模块进行初始化参数配置；同时，真随机数接口给出控制信号，为射频模拟前端来获取真随机数并保存到寄存器中。

进一步的，初始化完成后，超高频RFID标签芯片开始接收读写器发出的指令；

阅读器发送非安全类指令时，前向链路处理过程中顺序运行前导码识别模块、解码模块、命令解析模块和状态控制模块；标签如需发送响应数据包，反向链路经过编码预处理模块、编码输出模块将数字信号返回给射频模拟前端；

阅读器发送安全通信指令时，前向链路解码完成后，解出的数据是密文，然后经过安全控制模块送入安全模块，将密文进行解密，完成后再经过命令解析模块和状态控制模块完成前向链路数据处理；反向链路在编码预处理结束后，将明文经过安全控制模块送入安全模块进行加密，完成后将密文通过编码输出模块发送给射频模拟前端。

本发明采用上述技术方案的有益效果在于：

1、本发明能够接收RFID芯片射频模拟前端解调后的阅读器信号，进行解码、命令解析，并进行响应的标签状态转换，再输出正确的响应信号返回给射频模拟前端。

2、本发明较一般超高频RFID数字基带设计，模块划分更为细致，能够使同一时间运行的模块产生的功耗更低。

3、本发明采用了多时钟设计和可变时钟设计，在有处理速度要求的模块采用高速率时钟，在寄存器较多或者运算较多的模块采用低速率时钟，这种设计能够大大降低功耗。

4、本发明的门控时钟采用标准设计单元中的TLATCH模块，使时钟稳定没有毛刺，门控后的时钟能够直接使用。

5、本发明利用现有的资源进行复用设计，在安全通信命令中解密后的明文所经过的协议处理过程与非安全命令的处理过程一致，这样减小了芯片逻辑门数也就是芯片面积。

6、本发明集成了安全模块，增加了安全控制模块，能够实现安全鉴别和安全通信，且功耗较一般非安全芯片的数字基带系统并没有明显增加。

附图说明

图1是本发明实施例中数字基带系统的架构和时钟域划分示意图。

图2本发明实施例中的非安全流程和安全流程对比图。

图3本发明实施例中数字基带系统的前向链路前导码示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

一种基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统。如图1所示，该系统根据功能需求，将协议处理过程的模块进行细分，具体包括功耗控制模块、初始化模块、前导码识别模块、解码模块、命令解析模块、状态控制模块、编码预处理模块、编码输出模块、安全控制模块、真随机数接口和存储器接口。

为了满足GJB7377.1协议中T1(从读写器发送命令结束到标签发送响应数据包的时间)的要求，时钟采用多个时钟域设计：前导码识别模块采用2.56MHz时钟，编码预处理模块、安全控制模块、真随机数接口采用80KHz时钟，编码输出模块、存储器接口模块采用可变时钟，其他模块采用640KHz时钟。这样设计能够大大降低功耗。

功耗控制模块外的其他模块时钟均为门控时钟，也就是只有在工作时才有时钟。

通过以上模块细分设计、多时钟设计和门控时钟处理，能够大大降低数字基带的功耗。

协议处理时，在数字基带内数据以串行方式行进，前向链路和反向链路以状态控制模块为界限，也就是状态控制模块运行完成前为前向链路，运行完成后为反向链路。

芯片在有电磁能量后，数字基带接收到射频模拟前端的复位和时钟信号，初始化模块开始工作，通过读取存储器内数据来判断该芯片所处状态(KILL_LOCK_STATE)，并对其他模块进行初始化参数配置。同时真随机数接口给出控制信号给射频模拟前端来获取真随机数，保存到寄存器中。

数字基带初始化完成后，芯片开始接收读写器发出的指令。

阅读器发送非安全类指令时，前向链路处理需要前导码识别模块、解码模块、命令解析模块、状态控制模块等顺序运行；标签如需发送响应数据包，反向链路经过编码预处理模块、编码输出模块将数字信号返回给射频模拟前端。

阅读器发送安全通信指令时，前向链路解码完成后，解出的数据是密文，需要经过安全控制模块送入安全模块，将密文进行解密，完成后再经过命令解析模块和状态控制模块完成前向链路数据处理；反向链路同样在编码预处理结束后，将明文经过安全控制模块送入安全模块进行加密，完成后将密文通过编码输出模块发送给射频模拟前端。

非安全指令协议处理流程和安全指令协议处理流程均如图2所示。

本系统中，功耗控制模块控制着其他所有模块的运行状态，同时也控制着各种协议处理数据的通路选择。功耗控制模块内设计一个状态机，功耗状态机控制只有一个或者两个模块同时运行，根据状态机所处状态给各个模块使能信号。

功耗控制模块给其他模块提供门控时钟，首先对射频模拟模块输入的2.56MHz的主时钟进行分频，分为640K、80K、可变时钟。再利用流片厂家标准设计单元中的TLATCH模块对各个时钟进行门控；

根据协议要求，前向链路数据采用TPP编码，前导码由分隔符、第一校准符T_cal1和第二校准符T_cal2组成，如图3所示。图3中的Tc为标准时间，一般为12.5us或6.25us，本例中Tc为12.5us。

前导码识别模块利用计数器来计算分隔符的时间，如是12.5us±5％，则认定识别出分隔符。

识别出分隔符后，测定出波形中T_cal1和T_cal2，根据以下公式：

Pivot1＝T_cal1/4+T_cal2/4

Pivot2＝Pivot1+T_cal2/4

Pivot3＝Pivot2+T_cal2/4

计算出参考时间Pivot1、Pivot2、Pivot3给解码模块。

解码模块测定相邻两个脉冲的间隔时间t，按照以下方法进行解码：

t<Pivot1：解码为00

Pivot1≤t<Pivot2：解码为01

Pivot2≤t<Pivot3：解码为11

t>Pivot3：解码为10

解码的同时对数据进行CRC校验，如校验失败，将会给出CRC_ERROR信号。

SORT命令的掩码匹配，需要将SORT命令中的掩码与SORT命令指示存储器中的数据域进行匹配，该功能对于数字基带系统的功耗、版图面积有很大挑战，如果进行编码区的掩码比对，最长需要比对124/206位数据(GJB7382 5.4.1无源射频识别标签物品唯一标识)，那么接收后进行比对的话，需要增加两个高位数的寄存器，同时对存储器进行连续读，这样会大大增加芯片的功耗和面积。

解码模块完成了SORT命令掩码同步匹配功能，在接收到命令代码为SORT后，根据SORT命令指示的存储器数据域，通过存储器接口模块同步读出存储器相应位置的数据，来和接收到的掩码进行匹配。

命令解析模块主要完成命令中存储区、指针转化成存储区的绝对地址，并对地址有效性进行判断。同时还要完成ACCESS命令的口令校验。

状态控制模块控制标签芯片的状态，根据协议要求完成标签的准备、仲裁、应答、鉴别、开放、安全和灭活这7个状态的转换。

编码预处理模块对于安全命令中的读、写、擦、锁定和灭活命令，准备响应数据包明文，将这些命令的明文传递给安全接口模块。

安全接口模块在前向链路主要是将阅读器发来的密文打包好发送给安全模块进行解密，解密后的数据传递给命令解析模块；在反向链路将要发送给阅读器的数据打包送给安全模块进行加密，加密后的密文送给编码输出模块。

编码输出模块依据协议中指令响应数据包格式组成数据包，根据盘点命令中的编码选择位选择编码方式进行数据编码并输出给射频模拟前端，有FM0、MILLER2、MILLER4和MILLER8这4种编码方式。同时该模块集成了CRC5和CRC16两种校验码。

现有技术中基本的RFID通信系统包括阅读器和标签，标签芯片由射频模拟前端、数字基带和存储器组成。其中，数字基带对读写器发来的命令进行处理，如接收到正确的指令则返回协议要求的响应数据。而本发明是一种改进的数字基带系统，其包括功耗控制模块、初始化模块、前导码识别模块、解码模块、命令解析模块、状态控制模块、编码预处理模块、编码输出模块、安全控制模块、真随机数接口和存储器接口。本发明能够接收RFID芯片射频模拟前端解调后的阅读器信号，进行解码、命令解析，并进行响应的标签状态转换，再输出正确的响应信号返回给射频模拟前端。

总之，该系统符合GJB7377.1协议要求，并支持安全鉴别和安全通信，是对现有技术的一种重要改进。

Claims (4)

1.一种基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统，其特征在于，包括功耗控制模块、初始化模块、前导码识别模块、解码模块、命令解析模块、状态控制模块、编码预处理模块、编码输出模块、安全控制模块、真随机数接口和存储器接口；该数字基带系统的时钟域由多个时钟域组成，分为2.56MHz时钟域、640KHz时钟域、80KHz时钟域和可变速率时钟域；根据GJB7377.1协议要求，前向链路数据采用TPP编码，前导码由分隔符、第一校准符T_cal1和第二校准符T_cal2组成；其中，

功耗控制模块控制其他模块的运行状态，同时也控制各种协议处理数据的通路选择；功耗控制模块内设有一个状态机，该状态机控制每一时刻只有一个或者两个模块同时运行，根据状态机所处状态给各个模块使能信号；此外，功耗控制模块对外部输入的2.56MHz的主时钟进行分频，分为640K、80K、可变时钟，然后对各个时钟进行门控，并给其他模块提供门控时钟；

前导码识别模块利用计数器来计算分隔符的时间，识别出分隔符；识别出分隔符后，测定出波形中的第一校准符T_cal1和第二校准符T_cal2，根据以下公式：

Pivot1＝T_cal1/4+T_cal2/4

Pivot2＝Pivot1+T_cal2/4

Pivot3＝Pivot2+T_cal2/4

计算出参考时间Pivot1、Pivot2、Pivot3并传给解码模块；

解码模块测定相邻两个脉冲的间隔时间t，按照以下方法进行解码：

若t<Pivot1，则解码为00，

若Pivot1≤t<Pivot2，则解码为01，

若Pivot2≤t<Pivot3，则解码为11，

若t>Pivot3，则解码为10，

解码的同时对数据进行CRC校验，如校验失败，将给出校验错误信号；

解码模块还用于实现SORT命令掩码同步匹配功能，方式为，在接收到命令代码为SORT后，根据SORT命令指示的存储器数据域，通过存储器接口同步读出存储器相应位置的数据，来和接收到的掩码进行匹配；

命令解析模块用于将命令中的存储区、指针转化成存储区的绝对地址，并对地址有效性进行判断，还用于完成ACCESS命令的口令校验；

状态控制模块用于控制标签芯片的状态，根据GJB7377.1协议要求完成标签的准备、仲裁、应答、鉴别、开放、安全和灭活这7个状态的转换；

编码预处理模块对于安全命令中的读、写、擦、锁定和灭活命令，准备响应数据包明文，将这些命令的明文传递给安全接口模块；

安全接口模块在前向链路中将阅读器发来的密文打包好发送给安全模块进行解密，并将解密后的数据传递给命令解析模块；在反向链路中将要发送给阅读器的数据打包送给安全模块进行加密，并将加密后的密文送给编码输出模块；

编码输出模块依据GJB7377.1协议中指令响应数据包格式组成数据包，根据盘点命令中的编码选择位选择编码方式进行数据编码并输出给射频模拟前端，有FM0、MILLER2、MILLER4和MILLER8这4种编码方式，同时该模块集成了CRC5和CRC16两种校验码。

2.根据权利要求1所述的基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统，其特征在于，协议处理时，在数字基带内数据以串行方式行进，前向链路和反向链路以状态控制模块为界限，即，状态控制模块运行完成前为前向链路，运行完成后为反向链路。

3.根据权利要求1所述的基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统，其特征在于，超高频RFID标签芯片在有电磁能量后，数字基带接收到射频模拟前端的复位和时钟信号，初始化模块开始工作，通过读取存储器内的数据来判断该芯片所处状态，并对其他模块进行初始化参数配置；同时，真随机数接口给出控制信号，为射频模拟前端来获取真随机数并保存到寄存器中。

4.根据权利要求3所述的基于超高频RFID标签芯片的超低功耗数字基带系统，其特征在于，初始化完成后，超高频RFID标签芯片开始接收读写器发出的指令；

阅读器发送非安全类指令时，前向链路处理过程中顺序运行前导码识别模块、解码模块、命令解析模块和状态控制模块；标签如需发送响应数据包，反向链路经过编码预处理模块、编码输出模块将数字信号返回给射频模拟前端；

阅读器发送安全通信指令时，前向链路解码完成后，解出的数据是密文，然后经过安全控制模块送入安全模块，将密文进行解密，完成后再经过命令解析模块和状态控制模块完成前向链路数据处理；反向链路在编码预处理结束后，将明文经过安全控制模块送入安全模块进行加密，完成后将密文通过编码输出模块发送给射频模拟前端。

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