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一種 UHF 及微波段 RFID 標簽芯片的研究與應用
作者：程良倫 劉學鋼
來源：RFID世界網
日期：2009-10-29 11:23:47
摘要：UCODE HSL 是目前唯一的一款能夠工作在UHF 及微波段2.45GHz 的高集成度RFID 無源電子標簽芯片, 并且具有防沖突及沖突仲裁技術。本文著重從內部結構、數(shù)據(jù)處理機制及基本命令等幾個方面論述了UCODE HSL 的工作原理, 并闡述了它在海關進出車輛自動識別管理系統(tǒng)上的具體應用。
1 UCODE HSL 的性能概述
UCODE HSL 芯片是皇家飛利浦電子集團（Philips）推出新一代供應鏈管理應用RFID 半導體產品。能為所有主要的供應鏈與運籌管理應用提供RFID 解決方案。該無源Tag 芯片的主要特性有：
(1) 射頻特性：工作頻率為UHF 段的860MHz-960MHz 和微波段的2.4GHz- 2.5GHz；采用16 位CRC校驗；具有防沖突仲裁機制；在使用單邊天線時，最大有效操作距離可達到8.4M。
(2) 存儲單元：具有2048bits 的存儲空間（包括數(shù)據(jù)鎖存標志位）；64bits UID 碼，位于存儲器的0- 7 字節(jié)單元；位于存儲器8- 223 字節(jié)單元的216bytes 存儲空間可供用戶讀寫。
(3) 安全特性：64 位的唯一產品序列號；每字節(jié)的寫保護機制。
(4) 操作距離：基于該UCODE HSL 的標簽可達到的操作距離可以用以下公式計算:
(5) 空中接口標準與應用標準：空中接口技術規(guī)范包括信道頻率和寬度、調制方式、功率和功率靈敏度以及數(shù)據(jù)結構。UCODE HSL 符合ISO18000- 4(2.45GHz)、ISO18000 - 6 (860 - 930MHz)、ANSI/INCITS 256 - 2001Part3 和ANSI/INCITS 256- 2001 Part4 標準。在行業(yè)應用方面，符合HH20.8.4、AIAG B- 11、EAN.UCC GTAG和ISO18185 標準。
表1 各地區(qū)不同標準下的UCODE HSL 讀取距離理論值
注：最大的寫入距離是其讀取距離的70％
2 UCODE HSL 芯片的內部結構
UCODE HSL 芯片結構分為三個主要部分：射頻接口、控制中心和EEPROM存儲器。如下圖所示。
3 數(shù)據(jù)處理機理
UCODE HSL 有三個主要的工作狀態(tài)：準備狀態(tài)(READY)、ID 確認狀態(tài)(ID)和數(shù)據(jù)交換狀態(tài)(DATA EXCHANGE)
。
在典型的應用系統(tǒng)中，基于HSL 的Tag 在進入Reader 發(fā)射的電磁場后首先會被自動設置為READY狀態(tài)；接受選擇尋卡命令經過防沖撞機制進入ID 狀態(tài)；如果在ID 狀態(tài)下檢測到選擇讀取命令，就會由ID狀態(tài)轉換到DATA EXCHANGE 狀態(tài)。在數(shù)據(jù)DATAEXCHANGE 狀態(tài)下，可以進行讀寫操作和數(shù)據(jù)鎖存操作。其具體狀態(tài)流程圖如圖2。
3.2 通訊協(xié)議
(1)下行數(shù)據(jù)編碼(Forward Link)
下行數(shù)據(jù)是指Tag 接收到的從Reader 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。在下行數(shù)據(jù)中，每幀的開頭都包含有包頭檢測(PREAMBLE_DETECT)、數(shù)據(jù)包頭(PREAMBLE)和開始標識符(START DELIMITER) 三部分，它們均采用NRZ 編碼；數(shù)據(jù)幀包含其他數(shù)據(jù)如命令字、地址字和CRC- 16 校驗字均采用Manchester 編碼，其數(shù)據(jù)的傳輸帶寬是NRZ 編碼的兩倍。采用18%和100%兩種ASK 調制信號，波特率為8～40kBits/s。下行數(shù)據(jù)的包頭字為18bits 二進制數(shù)據(jù)：01 01 01 01 01 01 01 0101，而開始標識符在返回數(shù)據(jù)波特率為接收時的1 倍時，定義為11 00 11 10 10，為4 倍時定義為11 01 1100 10 1。數(shù)據(jù)的幀格式如下圖。
(2)上行數(shù)據(jù)編碼(Return Link)
上行數(shù)據(jù)是指Tag 發(fā)送到Reader 的數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)幀的開頭都包含有休眠和返回包頭字節(jié)部分，與下行數(shù)據(jù)一樣，上行數(shù)據(jù)的頭部數(shù)據(jù)都采用NRZ 編碼，不同的是，上行數(shù)據(jù)幀的返回數(shù)據(jù)字和CRC- 16 校驗字均采用FM0 編碼，這種編碼即在比特時間邊緣均發(fā)生電平跳變，若每比特時間中間發(fā)生電平跳變則代表數(shù)據(jù)0，否則代表數(shù)據(jù)1。其數(shù)據(jù)的傳輸帶寬是NRZ 編碼的兩倍。返回數(shù)據(jù)的包頭字定義為32bits 二進制數(shù)據(jù)：00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01。其幀格式如下圖。
3.3 數(shù)據(jù)的完整性
傳輸數(shù)據(jù)的完整性是RFID 研究的熱點問題之一。傳輸數(shù)據(jù)的錯誤有兩種：調制編碼錯誤和CRC 校驗錯誤。這兩種錯誤均可以導致命令不能被Tag 或者Reader 識別。在CRC 校驗出現(xiàn)錯誤后，HSL 會返回到READY 狀態(tài)；如果出現(xiàn)編碼錯誤，當檢測到有效的開始標識符后HSL 會自動返回到READY 狀態(tài)，否則保持原來狀態(tài)。
循環(huán)冗余碼校驗(Cyclical Redundancy Check, CRC)檢錯能力強，容易實現(xiàn)，是目前應用最廣的檢錯碼編碼方式之一。在HSL 中CRC 檢驗的實現(xiàn)是選取CRC-16 碼校驗，符合CRC- CCIT 標準，約定的生成多項式G(x)=X16+X12+X5+1。HSL 在生成CRC 校驗碼時，首先會把所有的CRC 寄存器初始化為FFFFh；然后將數(shù)據(jù)的第一個8- bit 字符與16 位CRC 寄存器的低8 位進行異或，并把結果存入CRC 寄存器；再把CRC 寄存器向右移一位，MSB 補零，移出并檢查LSB；如果LSB 為0，重復上一步；若LSB 為1，CRC 寄存器與多項式碼相異或；重復上兩步直到8 次移位全部完成。此時一個8- bit 數(shù)據(jù)處理完畢，重復直到所有數(shù)據(jù)全部處理完成，最終CRC 寄存器的內容即為CRC 值。
3.4 基本命令及代碼
基于HSL 的Tag 通過執(zhí)行一系列由Reader 發(fā)出的命令，在三個狀態(tài)(READY、ID、DATA EXCHANGE)間切換，并完成防碰撞、EEPROM的數(shù)據(jù)讀寫等操作。HSL 的基本命令字及其代碼如下表。
4 典型應用
基于UCODE HSL 的RFID 電子標簽可以封裝于PVC、PET、PP、不干膠紙等多種介質內，具有優(yōu)異的物理特性及強大的信息管理和防偽功能。Philips 的UCODEHSL 標簽芯片是專門面向無源式智能型標簽所設計的芯片，與有源主動式電子標簽相比，它的體積小，成本低，不用電池，可永久性使用，使用壽命長，應用在如電子不停車收費系統(tǒng)(ETC)中，無需經常更換標簽，為系統(tǒng)的實施減少了投入，可靠性強，優(yōu)勢明顯。它除了射頻接口可以進行高速雙向數(shù)據(jù)傳輸之外，還有先進的防沖突與沖突仲裁技術，可在同一時間讀寫多個標簽，非常適合于長距離的應用, 如在供應鏈管理和物流應用領域的集裝箱和貨箱的跟蹤上，每秒可閱讀50 個標簽。
把UCODE HSL 用于海關進出車輛自動識別管理系統(tǒng)上，利用RFID 技術對附有Tag 標簽的通行車輛進行自動識別, 能有效地提高閘口通行效率并對各種過關車輛進行追蹤管理。
其具體的工作過程是：當車輛或集裝箱車進入通道，Tag 芯片被入口的Reader 感應圈激活，在7- 10 米的距離和0.5 秒內，不接觸即可讀出汽車電子標識內容。在動態(tài)行駛或靜態(tài)的狀況下，Reader 與車輛上安裝的UCODE HSL 電子車牌進行短程微波無線通信，采集車輛標識卡中所存儲的信息，對車輛或集裝箱法定身份進行有效性檢驗。當離開監(jiān)測區(qū)，出口感應圈檢測到車輛時，清除車輛顯示器（選件），關閉自動欄桿（選件），將出入車輛數(shù)據(jù)提交到信息管理系統(tǒng)。其系統(tǒng)圖如下：
工作模式：R/W（讀寫），無源
存儲容量：64 位ID 號
工作頻率：902~928MHz
符合標準：FCC1 美國國家標準
讀寫距離遠：0～10 米(與不同的天線相配套)
工作溫度：- 20℃～+70℃
適應速度：<60km/h
安裝方式：空氣介質中使用
應用特點：具有防碰撞功能，適合單標簽、多標簽識別，移動狀態(tài)標簽的識別采用該基于UCODE HSL 的電子車牌后，提高了通關速度，緩解了口岸海關的通關壓力，幫助解決了公路口岸長期存在的“瓶頸”堵塞問題，從而提高了通關效率。
5 結束語
UCODE HSL 是Philips 首款在UHF 和2.45GHz范圍內的UCODE 集成電路產品。通過研究無源電子標簽，將之應用于海關進出車輛自動識別管理系統(tǒng)上，創(chuàng)新點在于：成功的解決了標簽壽命、讀寫距離、防沖突等的關鍵技術問題。實踐證明：基于該標簽的系統(tǒng)應用于供應鏈管理、資產管理、集裝箱識別、棧板追蹤等RFID 領域，起到了顯著的效果。
?。ㄎ?廣東工業(yè)大學 程良倫 劉學鋼 ）
UCODE HSL 芯片是皇家飛利浦電子集團（Philips）推出新一代供應鏈管理應用RFID 半導體產品。能為所有主要的供應鏈與運籌管理應用提供RFID 解決方案。該無源Tag 芯片的主要特性有：
(1) 射頻特性：工作頻率為UHF 段的860MHz-960MHz 和微波段的2.4GHz- 2.5GHz；采用16 位CRC校驗；具有防沖突仲裁機制；在使用單邊天線時，最大有效操作距離可達到8.4M。
(2) 存儲單元：具有2048bits 的存儲空間（包括數(shù)據(jù)鎖存標志位）；64bits UID 碼，位于存儲器的0- 7 字節(jié)單元；位于存儲器8- 223 字節(jié)單元的216bytes 存儲空間可供用戶讀寫。
(3) 安全特性：64 位的唯一產品序列號；每字節(jié)的寫保護機制。
(4) 操作距離：基于該UCODE HSL 的標簽可達到的操作距離可以用以下公式計算:
(5) 空中接口標準與應用標準：空中接口技術規(guī)范包括信道頻率和寬度、調制方式、功率和功率靈敏度以及數(shù)據(jù)結構。UCODE HSL 符合ISO18000- 4(2.45GHz)、ISO18000 - 6 (860 - 930MHz)、ANSI/INCITS 256 - 2001Part3 和ANSI/INCITS 256- 2001 Part4 標準。在行業(yè)應用方面，符合HH20.8.4、AIAG B- 11、EAN.UCC GTAG和ISO18185 標準。
表1 各地區(qū)不同標準下的UCODE HSL 讀取距離理論值
注：最大的寫入距離是其讀取距離的70％
2 UCODE HSL 芯片的內部結構
UCODE HSL 芯片結構分為三個主要部分：射頻接口、控制中心和EEPROM存儲器。如下圖所示。
3 數(shù)據(jù)處理機理
UCODE HSL 有三個主要的工作狀態(tài)：準備狀態(tài)(READY)、ID 確認狀態(tài)(ID)和數(shù)據(jù)交換狀態(tài)(DATA EXCHANGE)
。
在典型的應用系統(tǒng)中，基于HSL 的Tag 在進入Reader 發(fā)射的電磁場后首先會被自動設置為READY狀態(tài)；接受選擇尋卡命令經過防沖撞機制進入ID 狀態(tài)；如果在ID 狀態(tài)下檢測到選擇讀取命令，就會由ID狀態(tài)轉換到DATA EXCHANGE 狀態(tài)。在數(shù)據(jù)DATAEXCHANGE 狀態(tài)下，可以進行讀寫操作和數(shù)據(jù)鎖存操作。其具體狀態(tài)流程圖如圖2。
3.2 通訊協(xié)議
(1)下行數(shù)據(jù)編碼(Forward Link)
下行數(shù)據(jù)是指Tag 接收到的從Reader 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。在下行數(shù)據(jù)中，每幀的開頭都包含有包頭檢測(PREAMBLE_DETECT)、數(shù)據(jù)包頭(PREAMBLE)和開始標識符(START DELIMITER) 三部分，它們均采用NRZ 編碼；數(shù)據(jù)幀包含其他數(shù)據(jù)如命令字、地址字和CRC- 16 校驗字均采用Manchester 編碼，其數(shù)據(jù)的傳輸帶寬是NRZ 編碼的兩倍。采用18%和100%兩種ASK 調制信號，波特率為8～40kBits/s。下行數(shù)據(jù)的包頭字為18bits 二進制數(shù)據(jù)：01 01 01 01 01 01 01 0101，而開始標識符在返回數(shù)據(jù)波特率為接收時的1 倍時，定義為11 00 11 10 10，為4 倍時定義為11 01 1100 10 1。數(shù)據(jù)的幀格式如下圖。
(2)上行數(shù)據(jù)編碼(Return Link)
上行數(shù)據(jù)是指Tag 發(fā)送到Reader 的數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)幀的開頭都包含有休眠和返回包頭字節(jié)部分，與下行數(shù)據(jù)一樣，上行數(shù)據(jù)的頭部數(shù)據(jù)都采用NRZ 編碼，不同的是，上行數(shù)據(jù)幀的返回數(shù)據(jù)字和CRC- 16 校驗字均采用FM0 編碼，這種編碼即在比特時間邊緣均發(fā)生電平跳變，若每比特時間中間發(fā)生電平跳變則代表數(shù)據(jù)0，否則代表數(shù)據(jù)1。其數(shù)據(jù)的傳輸帶寬是NRZ 編碼的兩倍。返回數(shù)據(jù)的包頭字定義為32bits 二進制數(shù)據(jù)：00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01。其幀格式如下圖。
3.3 數(shù)據(jù)的完整性
傳輸數(shù)據(jù)的完整性是RFID 研究的熱點問題之一。傳輸數(shù)據(jù)的錯誤有兩種：調制編碼錯誤和CRC 校驗錯誤。這兩種錯誤均可以導致命令不能被Tag 或者Reader 識別。在CRC 校驗出現(xiàn)錯誤后，HSL 會返回到READY 狀態(tài)；如果出現(xiàn)編碼錯誤，當檢測到有效的開始標識符后HSL 會自動返回到READY 狀態(tài)，否則保持原來狀態(tài)。
循環(huán)冗余碼校驗(Cyclical Redundancy Check, CRC)檢錯能力強，容易實現(xiàn)，是目前應用最廣的檢錯碼編碼方式之一。在HSL 中CRC 檢驗的實現(xiàn)是選取CRC-16 碼校驗，符合CRC- CCIT 標準，約定的生成多項式G(x)=X16+X12+X5+1。HSL 在生成CRC 校驗碼時，首先會把所有的CRC 寄存器初始化為FFFFh；然后將數(shù)據(jù)的第一個8- bit 字符與16 位CRC 寄存器的低8 位進行異或，并把結果存入CRC 寄存器；再把CRC 寄存器向右移一位，MSB 補零，移出并檢查LSB；如果LSB 為0，重復上一步；若LSB 為1，CRC 寄存器與多項式碼相異或；重復上兩步直到8 次移位全部完成。此時一個8- bit 數(shù)據(jù)處理完畢，重復直到所有數(shù)據(jù)全部處理完成，最終CRC 寄存器的內容即為CRC 值。
3.4 基本命令及代碼
基于HSL 的Tag 通過執(zhí)行一系列由Reader 發(fā)出的命令，在三個狀態(tài)(READY、ID、DATA EXCHANGE)間切換，并完成防碰撞、EEPROM的數(shù)據(jù)讀寫等操作。HSL 的基本命令字及其代碼如下表。
4 典型應用
基于UCODE HSL 的RFID 電子標簽可以封裝于PVC、PET、PP、不干膠紙等多種介質內，具有優(yōu)異的物理特性及強大的信息管理和防偽功能。Philips 的UCODEHSL 標簽芯片是專門面向無源式智能型標簽所設計的芯片，與有源主動式電子標簽相比，它的體積小，成本低，不用電池，可永久性使用，使用壽命長，應用在如電子不停車收費系統(tǒng)(ETC)中，無需經常更換標簽，為系統(tǒng)的實施減少了投入，可靠性強，優(yōu)勢明顯。它除了射頻接口可以進行高速雙向數(shù)據(jù)傳輸之外，還有先進的防沖突與沖突仲裁技術，可在同一時間讀寫多個標簽，非常適合于長距離的應用, 如在供應鏈管理和物流應用領域的集裝箱和貨箱的跟蹤上，每秒可閱讀50 個標簽。
把UCODE HSL 用于海關進出車輛自動識別管理系統(tǒng)上，利用RFID 技術對附有Tag 標簽的通行車輛進行自動識別, 能有效地提高閘口通行效率并對各種過關車輛進行追蹤管理。
其具體的工作過程是：當車輛或集裝箱車進入通道，Tag 芯片被入口的Reader 感應圈激活，在7- 10 米的距離和0.5 秒內，不接觸即可讀出汽車電子標識內容。在動態(tài)行駛或靜態(tài)的狀況下，Reader 與車輛上安裝的UCODE HSL 電子車牌進行短程微波無線通信，采集車輛標識卡中所存儲的信息，對車輛或集裝箱法定身份進行有效性檢驗。當離開監(jiān)測區(qū)，出口感應圈檢測到車輛時，清除車輛顯示器（選件），關閉自動欄桿（選件），將出入車輛數(shù)據(jù)提交到信息管理系統(tǒng)。其系統(tǒng)圖如下：
工作模式：R/W（讀寫），無源
存儲容量：64 位ID 號
工作頻率：902~928MHz
符合標準：FCC1 美國國家標準
讀寫距離遠：0～10 米(與不同的天線相配套)
工作溫度：- 20℃～+70℃
適應速度：<60km/h
安裝方式：空氣介質中使用
應用特點：具有防碰撞功能，適合單標簽、多標簽識別，移動狀態(tài)標簽的識別采用該基于UCODE HSL 的電子車牌后，提高了通關速度，緩解了口岸海關的通關壓力，幫助解決了公路口岸長期存在的“瓶頸”堵塞問題，從而提高了通關效率。
5 結束語
UCODE HSL 是Philips 首款在UHF 和2.45GHz范圍內的UCODE 集成電路產品。通過研究無源電子標簽，將之應用于海關進出車輛自動識別管理系統(tǒng)上，創(chuàng)新點在于：成功的解決了標簽壽命、讀寫距離、防沖突等的關鍵技術問題。實踐證明：基于該標簽的系統(tǒng)應用于供應鏈管理、資產管理、集裝箱識別、棧板追蹤等RFID 領域，起到了顯著的效果。
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