射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)非接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)，是自動識別技術(shù)在無線電技術(shù)方面的具體應(yīng)用和發(fā)展[1]。
    ISO/IEC 14443與ISO/IEC 15693標準都是針對13.56 MHz無源式RFID標簽的設(shè)計標準，前者是近耦合標簽，最大識別距離只有20 cm；后者是疏耦合標簽，最大識別距離可達1.5 m[2]。ISO/IEC 14443標準的RFID標簽芯片應(yīng)用局限于會員管理、人員考勤、購物卡、一卡通等標簽卡。而ISO/IEC 15693標準的RFID標簽芯片應(yīng)用廣泛，可以用于開放式門禁、開放式會議簽到、貴重物品管理、數(shù)字化圖書館的圖書管理、醫(yī)藥管理、資產(chǎn)管理、產(chǎn)品防偽、物流及供應(yīng)鏈等諸多領(lǐng)域。此外，ISO/IEC 15693協(xié)議與ISO/IEC 18000-3協(xié)議兼容，適用范圍廣，市場前景廣闊。
    本文對ISO/IEC 15693標準的RFID標簽的編解碼過程進行分析，給出了編解碼系統(tǒng)設(shè)計的方法，并進行了仿真結(jié)果分析、FPGA下載驗證。
1 VICC通信過程及傳輸數(shù)據(jù)格式
    ISO/IEC 15693標準的閱讀器（VCD）與標簽（VICC）之間的通信通過ASK調(diào)制方式進行，分別使用了10%和100%兩種調(diào)制指數(shù)[3]。VCD通過脈沖位置編碼（PPM）的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到VICC, 而VICC又通過曼徹斯特編碼的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到VCD。在VCD與VICC的通信過程中，VICC是被動的。VICC正確對VCD的請求進行解碼，才能夠做出正確的處理。另外，返回的響應(yīng)格式也由請求標志決定，所以解碼過程是非常重要的。響應(yīng)編碼也同樣重要，它關(guān)系到VCD對VICC的狀態(tài)的判斷，這關(guān)系到之后的通信能否正確進行。VICC的工作過程如圖1所示。
    VICC收到的請求數(shù)據(jù)格式以及返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)格式如表1、表2所示，每種方式可以任意組合。表1中的數(shù)據(jù)是對解碼的要求，按任意組合可以有4種情況，其中10%調(diào)制與256取1的編碼結(jié)合，適合要求識別距離相對遠的情況；表2中的數(shù)據(jù)對應(yīng)的是編碼的要求，按任意組合也有4種情況。

    由于VICC是被動的，返回的數(shù)據(jù)速率和格式由請求數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)中的低2位決定，最低位決定是單幅載波還是雙副載波格式，次低位決定是高速率傳輸還是低速率傳輸[4]，如表3所示。

2 編解碼系統(tǒng)的設(shè)計方案
    對編解碼系統(tǒng)進行設(shè)計時，由于VICC是被動的，采取VICC進入場之后，復(fù)位VICC解碼使能置1，當(dāng)解碼處理完成之后，等待VICC的操作處理，當(dāng)返回響應(yīng)時，解碼使能置0，編碼使能置1。返回結(jié)束后，編碼使能置0，解碼使能置1，等待下一次的VCD請求。這樣解碼和編碼不會沖突，而且降低了功耗。
2.1 解碼設(shè)計的方案
    對前端模擬信號傳過來的波形按ISO15693協(xié)議規(guī)定進行解碼。模擬前端傳送過來的數(shù)據(jù)是4取1或256取1的脈沖調(diào)制編碼，對其進行解碼時要抓住PPM的特點，確保這兩種編碼都支持。解碼的流程圖如圖2所示，兩種編碼的識別和數(shù)據(jù)的解碼都是通過判斷兩個相鄰凹槽的距離來判斷。最先識別開始幀（SOF），把256取1模式的初始化數(shù)據(jù)定為“255d”，因為如果將它的SOF的后一個槽算作之前的一個數(shù)據(jù)，則它所在凹槽的位置就是“255d”；同樣可以得到4取1模式的初始化數(shù)據(jù)為“10b”。數(shù)值通過相鄰凹槽的時間差來判斷。由于數(shù)據(jù)信號的凹槽寬度為9.44 μs，解碼的計時取9.44 μs為1，可以準確識別每個數(shù)據(jù)，并且采用此方法可以識別的最小信號寬度達到700 ns，比協(xié)議中要求的2.1 μs～9.44μs[3]識別的寬度范圍要廣。處理更加靈活，同時減小了射頻前端模擬解調(diào)的壓力。此外，ASK調(diào)制系數(shù)有10%和100%兩種，信號與時鐘進行“與”運算，并將兩種情況統(tǒng)一，則可使處理更加簡單，資源利用率更高。協(xié)議中提到的所有數(shù)據(jù)格式都能滿足，最終確保解碼完全準確。

2.2 編碼設(shè)計的方案
    在VICC收到正確的請求處理完成之后，要響應(yīng)VCD，響應(yīng)的數(shù)據(jù)要通過特殊的編碼處理。為保證控制命令高速長距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性,對其進行平衡編碼，采用曼徹斯特編碼將消除直流分量，從而使控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能[5]。低速模式持續(xù)的時間和脈沖個數(shù)是高速模式的4倍, 而且不同模式的載波對應(yīng)的編碼方式不同。時鐘由不同的速率模式控制,高速與低速對應(yīng)的編碼是一致的，不同的只是編碼時間，因此低速的時鐘分頻系數(shù)是高速的4倍。根據(jù)曼切斯特編碼的特點，“0”就是1到0的跳變，“1”就是0到1的跳變，1是32分頻的時鐘，而0在單副載波情況下是無調(diào)制的，雙副載波調(diào)制下是28分頻的時鐘，因此只要加一個選擇器，對應(yīng)的模式就選擇對應(yīng)的副載波，兩種副載波調(diào)制也就完成了。整個的編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。進入場復(fù)位之后編碼模塊處于空閑狀態(tài)，當(dāng)編碼使能信號置1時開始傳輸響應(yīng)，先發(fā)送開始幀，之后傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后發(fā)送結(jié)束幀，最后編碼使能置0回到空閑狀態(tài)。這樣確保了響應(yīng)的安全可靠。

3 仿真驗證
    采用Verilog HDL語言編寫程序并進行了測試，用ModelSim進行了功能仿真驗證；同時選用CycloneIVE系列開發(fā)板進行 FPGA驗證。此處選用4取1的PPM編碼方式，從輸入的第一個字節(jié)為“02h”可以看出，響應(yīng)編碼是高速率傳輸，單幅載波模式。由兩波形圖可以看出，編碼與解碼的功能得到實現(xiàn)，數(shù)據(jù)完整可靠。
    圖4中“i_dec_clk”是解碼模塊的時鐘信號；“i_dec_nrst”是解碼模塊的復(fù)位信號；“i_dec_data”是射頻輸入信號；“o_trans256_sof”是接收數(shù)據(jù)為256取1（PPM方式）的標志；“o_trans4_sof”是接收數(shù)據(jù)為4取1的標志，此處是4取1的PPM編碼，有置“1”；“o_dec_byte”是接收完一個整字節(jié)的標志，每個字節(jié)輸出時都有置“1”；“o_dec_byte_num”是接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，共9 B；“o_dec_eof”是接收數(shù)據(jù)的結(jié)束幀標志；“o_dec_command”是接收的數(shù)據(jù)解碼之后按十六進制顯示的結(jié)果。
    圖5中“i_en”是編碼模塊的使能信號；“i_mod”是編碼模式，即低位是副載波形式，高位是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率；“i_tx_end”是響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括16 bit的CRC傳輸完成標志；“i_data”是要編碼的數(shù)據(jù)，按位顯示；“o_rd”是編碼完成的數(shù)據(jù)；“o_end”是編碼完成的標志，包括EOF；“o_tx_en”是傳輸編碼數(shù)據(jù)的使能信號，不包括SOF與EOF。

    本文給出的編解碼系統(tǒng)的設(shè)計已成功應(yīng)用于基于ISO/IEC 15693標準的RFID標簽芯片的開發(fā)項目中，并通過了仿真驗證和FPGA驗證。從仿真驗證結(jié)果來看, 該部分編碼解碼完全正確, 凹槽寬度可以小到700 ns，且具有設(shè)計簡單、硬件資源利用率低、抗干擾性強等特點, 并且功能仿真結(jié)果表明，在與整個標簽芯片中其他模塊代碼進行連接時，編解碼系統(tǒng)的設(shè)計完全滿足ISO/IEC 15693標準的所有編解碼模式。疏耦合的RFID標簽應(yīng)用范圍廣，市場需求大。通過調(diào)節(jié)編解碼模式可靈活控制識別距離，迎合市場不同需求。
參考文獻
[1] 黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)射頻識別(RFID)核心技術(shù)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.
[2] Identification cards-Contactless integrated circuit cards  Vicinity cards-Part 1：Physical characteristics[S].ISO/IEC 15693-1，2010-10-01.
[3] Identification cards-Contactless integrated circuit cards Vicinity cards-Part 2：Air interface and initialization[S]. ISO/IEC 15693-2，2006-12-15.
[4] Identification cards-Contactless integrated circuit(s) cards  Vicinity cards-Part 3：Anti-collision and transmission protocol[S].ISO/IEC 15693-3，2000-03-10.
[5] 劉敬彪，琚汝強，盛慶.基于光纜的深海攝像系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(3)：30-33.