高频RFID标签曼彻斯特编码电路的设计

　射频识别系统RFID（Radio Frequency Identification）由电子标签、阅读器和应用系统三部分构成。电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。应用系统则通过计算机及计算机网络对物体识别信息进行采集、处理及远程传送等工作。 

　　符合ISO/IEC15693标准的RFID系统,其电子标签和阅读器之间的载波频率为13.56MHz。阅读器通过脉冲位置编码的方式将数据发送到电子标签，而电子标签又通过曼彻斯特编码的方式将数据发送到阅读器。本文将对基于该标准的电子标签中的曼彻斯特编码模块的设计进行阐述。 

　　1 曼彻斯特模块的功能介绍 

　　曼彻斯特码是一种用跳变沿传输信息的编码。与用电平传输信息的二进制码相比，具有如下优点：（1）波形在每一位元中间都有跳变，因此具有丰富的定时信息，便于接收端接收定时信息；（2）曼彻斯特码在每一位中都有电平转变，传输时无直流分量，可降低系统的功耗。因此，曼彻斯特编码方式非常适用于RFID系统这种采用副载波的负载调制方式。 

　　RFID系统遵循“阅读器先说”的原则，阅读器发送请求信号给电子标签，电子标签的数字部分对请求信号进行相应的处理，并发出回复信息给阅读器。 

　　电子标签的数字部分框架如图1所示。PPM解码模块接收模拟部分发送过来的信号，将脉冲位置编码方式的数据解码成电子标签数字部分可识别的二进制数据，并将此二进制数据发送到CRC校验模块和状态机模块。CRC校验模块确认信号传输无误后，状态机对请求信号进行处理并发出回复信号给CRC编码模块产生 CRC校验码，最后由曼彻斯特编码模块将回复信号以及CRC校验码一并以特定的脉冲形式发送给模拟部分进行处理。 

为了防止信息受干扰或相互碰撞，防止对某些信号特性的蓄意改变，曼彻斯特编码要对标签回复的信息提供某种程度的保护。可见，曼彻斯特编码模块对整个数字部分起着非常重要的作用。如果编码不正确或者抗干扰能力不强，阅读器无法接收到正确的回复信号，从而导致电子标签与阅读器的通信失败。 

　　因此，为了准确实现编码的功能，需要在充分理解标准的基础上，严格定义该模块与状态机之间的接口时序。 

　　2 ISO/IEC15693标准编码部分分析 

　　根据ISO/IEC15693标准，曼彻斯特编码模块必须支持两种模式的载波：单载波和双载波。系统的载波频率Fc为13.56MHz。选择单载波时，载波fs1频率为Fc/32(423.75kHz)；选择双载波时，载波fs1的频率为Fc/32(423.75kHz)，载波fs2的频率为Fc/28 (484.28kHz)，并且两者的相位必须是连续的。同时，曼彻斯特编码模块还必须支持两种数据传输模式：高速模式和低速模式。具体的数据传输模式和载波选择模式由阅读器发送过来的请求信号决定。 

　　为了节省功耗，采用频率为Fc/4的时钟作为工作时钟。低速模式持续的时间和脉冲个数是高速模式的4倍，而且不同模式的载波对应的编码方式不同。下面以高速模式为例，对标准规定的编码方式进行介绍。 

　　2．1单载波的位编码 

　　单载波的位编码如图2所示。逻辑0由8个频率为Fc/32的脉冲开始，然后是一段长度为18.88μs的未调制时间；而逻辑1则由一段长度为18.88μs的未调制时间开始，然后是8个频率为Fc/32的脉冲。编码一位数据所用的时间为37.76μs。 

2．2 双载波的位编码 

　　双载波的位编码如图3所示。逻辑0由8个频率为Fc/32的脉冲（共18.88μs）开始，紧接着是9个频率为Fc/28的脉冲；而逻辑1由9个频率为Fc/28的脉冲（共18.58μs）开始，紧接着为8个频率是Fc/32的脉冲。 

2．3 单载波的起始标志和结束标志 

　　阅读器和电子标签的对话以帧的形式进行，帧的起始标志是SOF（Start of Frame）,结束标志是EOF(End of Frame)。单载波的SOF和EOF如图4所示。单载波的SOF包括三个部分：一段长度为56.64μs的未调制时间；24个频率为Fc/32的脉冲、逻辑1的位编码；而EOF亦包括三个部分：逻辑0的位编码、24个频率为Fc/32的脉冲、一段长度为56.64μs的未调制时间。 

2.4 双载波的起始标志和结束标志 

　　双载波的SOF和EOF如图5所示。双载波的SOF包括27个频率为Fc/28的脉冲、24个频率为Fc/32的脉冲、逻辑1的位编码；而EOF亦包括三个部分：逻辑0的位编码、24个频率为Fc/32的脉冲、27个频率为Fc/28的脉冲。 

3 接口定义及时序分析 

　　曼彻斯特编码模块只有与状态机 模块在时序上密切配合，双方才能正确地发送和接收信号。所规定的曼彻斯特编码模块与状态机模块的握手信号如图6所示。 

曼彻斯特编码模块的输入信号：Fc4是时钟信号；Reset是复位信号； Send_slow_fast是模式选择信号，用于快速或者低速模式的选择；Send_one_dual是载波选择信号，用于单载波或者双载波的选择； Send_data_en是数据发送使能信号，当此信号有效时，该模块进入编码状态，同时，状态机送出第一位数据；Send_data是数据信号； Send_data_end是数据发送完毕信号，状态机在发送最后一位数据的同时，对Send_data_end信号置位，通知曼彻斯特编码模块，状态机的数据已经发送完毕。 

　　曼彻斯特编码模块输出到状态机的信号：Send_shift_en是移位使能信号，每当完成一位数据的编码时，此信号有效，通知状态机进行数据移位；Send_over是结束信号，当发送完EOF时，该信号有效，表示数据的编码已经完成。 

　　曼彻斯特编码模块输出到模拟部分的信号：Send_final_out是输出到模拟部分的编码信号。 

　　4 设计思想 

　　本设计采用状态转换的方式实现编码功能，因此状态的划分和状态转换条件起着非常重要的作用。适当的状态划分不仅简洁明了、宜于维护，而且所占用的资源少。这里用到了九种典型的状态，状态之间的转换如图7所示。 

(1)系统复位后，模块处于Initial状态。在此状态中，根据Send_one_dual和 Send_data_en两个信号的值判断下一个状态，Send_data_en信号决定是否进入编码状态，Send_one_dual信号决定进入单载波模式还是双载波模式，Send_data_en信号无效时，保持原状态不变，否则进入SOF状态。 

　　(2) 根据Send_one_dual信号的值，决定进入单（双）载波SOF状态，通过计数器控制状态持续时间，并且根据Send_slow_fast信号的值调整计数器的值。在此状态的第一个时钟周期捕获并锁存状态机送出的Send_data信号的值，以决定下个编码状态。在此状态结束的前一个周期，使Send_shift_en信号的值有效，通知状态机进行移位操作。并根据锁存的Send_data信号的值判断下一个状态，从而进入logic 0或者logic 1的编码状态。 

　　(3) 进入数据发送状态后，同样在第一个时钟周期捕获并锁存此时的Send_data信号的值，以确定下一个状态。通过计数器精确控制状态持续的时间，并在结束前的第二个周期捕获Send_data_end信号的值。如果这个值无效，则表示状态机的数据没有发送完，因此在结束前一个周期发送 Send_shift_en信号，让状态机进行数据移位操作。如果这个值有效，则说明状态机的数据已经发送完毕，因此在该位编码状态的最后一个周期不用再发送Send_shift_en信号，只需转入最后一位数据的编码状态即可。 

　　(4)等待最后一位数据编码完成，模块进入EOF状态。当EOF发送完毕时，Send_over信号有效，通知状态机编码结束。 

　　该模块的时钟频率为Fc/4，而输出给模拟部分的脉冲信号的频率为Fc/32和Fc/28,同时还有未调制的部分。为了满足不同输出形状的需要，应设置波形输出模块。在该模块中进行适当的分频，并且在每个状态的不同部分，设置不同的标志位，用于控制最后的波形输出模块。在这里，状态决定输出的时间长度，而波形输出模块则决定输出的形状。 

　　这种设计思想在于：当前状态输出上一个状态的数据，同时捕获当前状态的数据，用于下一个状态的输出。这样就保证了有充足的时间锁存数据，从而避免了锁错数据，提高了抗干扰能力。 

　　5 模块仿真波形及FPGA实现 

　　这里采用Verilog硬件描述语言将上述设计思想的数据转换成相应的代码，在ISE7.1环境下编译、仿真、下载。ISE是Xilinx FPGA/CPLD的综合性集成设计平台,该平台集成了设计输入、仿真、逻辑综合、布局布线与实现、时序分析、芯片下载与配置、功率分析等几乎所有设计流程所需的工具。将代码程序用Xilinx Spartan-3系列X3S200芯片进行下载验证，所得出的在单载波低速模式下的信号波形图如图8所示。 

由图可知，该波形完全符合标准，能够成功地进行曼彻斯特编码。 

　　本文介绍的曼彻斯特编码模块已成功应用于基于ISO/IEC 15693标准的RFID电子标签开发项目中。从验证与仿真的结果可知，该模块编码准确性高、抗干扰能力强，同其他设计方案相比，该方案还具有占用硬件资源少、易于维护等优点。 

　　参考文献 

1 Klaus Finkenzeller著，陈大才编译，射频识别(RFID) 技术（第二版）.北京：电子工业出版社,2002 
2 ISO/IEC15693-1: 2000-07-15 Identification cards-Contact-less integrated circuit(s) cards Vicinity cards-Part1: Physical characteristics 
3 ISO/IEC15693-2: 2001-10-15 Identification cards-Contact-less integrated circuit(s) cards Vicinity cards-Part2: Air interface and initialization 
4 ISO/IEC15693-3: 2001-04-01 Identification cards-Contact-less integrated circuit(s) cards Vicinity card