高频RFID芯片的FPGA原型验证平台设计及验证

射频识别即RFID技术又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术。RFID技术作为物联网发展的关键技术，其应用必将随着物联网的发展而扩大。常用的RFID分低频、高频、超高频3种，其中高频RFID典型工作频率为13.56 MHz，一般以无源为主。高频标签比超高频标签具有价格便宜、节省能量、穿透非金属物体力强、工作频率不受无线电频率管制约束的优势，最适合应用于含水成分较高的物体中，例如水果等。
基于FPGA的原型验证方法凭借其速度快、易修改、真实性的特点，已经成为ASIC芯片设计中重要的验证方法。本文主要描述高频RFID芯片的FPGA原型验证平台的设计，并给出验证结果。
1、RFID芯片的FPGA原型验证环境概述
一套完整的RFID系统是由阅读器(Reader)、电子标签芯片(Tag)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件三部分组成。
电子标签芯片的FPGA原型验证环境也是一套完整的RFID系统，用FPGA原型验证平台替代上述的电子标签芯片(Tag)，使用上层的应用软件开发验证激励。通过阅读器与FPGA原型验证平台进行通信来实现对FPGA中的数字逻辑进行验证的目的。图1是典型的RFID芯片的FPGA原型验证环境原理图。

沈茜

2019-5-29 17:05:51

2、验证平台的硬件设计
2.1 验证平台硬件系统结构
FPGA原型验证平台利用自身的硬件资源，模拟实现RFID芯片的各功能模块。其中数字逻辑单元和存储器是FPGA原型验证的对象，由FPGA内部的资源实现。图2为验证平台硬件系统结构图。
下面详细介绍FPGA器件选型、模拟射频前端(AFE)电路设计、天线设计及调试，其中重点是FPGA器件选型和模拟射频前端电路设计，难点是天线设计及调试。
2.2 FPGA器件选型
FPGA原型验证平台中FPGA器件选型主要考虑FPGA的逻辑资源、存储资源、I/O资源和时钟资源，另外兼顾器件的供货渠道、速度等级、温度等级等。
FPGA的逻辑资源应为待验证ASIC逻辑门数的2~3倍或更高;存储资源、满足待验证ASIC存储资源的需求，主要是Blockram资源，I/O资源，用户可配置的I/O数量除了满足ASIC设计的数字端口信号需求外，还要预留一定量的调试I/O;时钟资源，主要指全局时钟数量，ASIC低功耗设计会用到大量的门控时钟，转化门控时钟需用到FPGA的全局时钟资源。
根据以上原则，本次FPGA采用Xilinx Spartan3-1000芯片。该芯片可编程约10万门的ASIC逻辑;16组blockram，提供432 kbit地址空间;8个全局时钟bufer用于定义时钟;4个DCM模块，可以精确地实现内部时钟分频、倍频;用户可用的I/O多达173个。
本次待验证的RFID芯片的数字逻辑规模约为1万门，存储器容量为1 kbit，时钟网络简单，端口I/O少。实验证明，该FPGA的资源完全满足RFID芯片的原型验证需求。
2.3 模拟射频前端(AFE)电路设计
在搭建RFID芯片的验证平台时，模拟射频前端(AFE)通常采用分立元件实现。分立器件实现的AFE电路稳定性差，受环境影响比较大，调试难度大。例如，包络检波器的输出幅值随场强变化较大，导致电压比较器工作失常，由此转换出的数字信号出现错误。
为改善以上稳定性差的问题，本次模拟射频前端采用AFE IC实现。AFE IC完成信号能量交流直流转换、限压、稳压、信号调制和解调、时钟产生及上电复位等功能。该芯片经过了成熟的测试，稳定性好，受磁场环境的影响小，电路稳定性大大增强，调试风险大大降低。图3为模拟射频前端(AFE)与其他功能模块的连接关系图。

2.4 天线设计及调试
2.4.1 天线设计原理
高频电子标签的天线线圈进入阅读器产生的交变磁场时，读写器与标签之间可等效为变压器耦合方式。读写器天线相当于变压器的初级线圈，标签上的天线相当于次级线圈[4]。对于无源电子标签，电子标签可以简化为天线与芯片的直接电连(标签天线可等效为天线等效内阻与等效感应电压源的串联组合，标签芯片可等效为纯阻抗)。图4为无源高频电子标签等效电路图。

符合ISO/IEC l5693标准的RFID系统，电子标签和阅读器之间的载波频率为13.56 MHz。为了保证阅读器与标签之间的良好通信，标签的谐振频率要接近13.56 MHz。本文描述的FPGA原型验证平台设计中，天线设计也是基于以上理论模型，设计成矩型天线。
ISO/IEC 15693-1协议中规定，标签天线尺寸最大不超过86 mm×54 mm，典型线圈有3~6匝[3]。这样可以根据实际的设计需求先确定天线尺寸，本次设计的天线长和宽分别为79 mm和47 mm，天线线圈的线宽为6 mil，线圈间距为9 mil，线圈匝数为4。

根据式(2)可以推算出天线线圈的等效电感，再根据式(1)可以计算出并联电容的理论值。
为了补偿电路板加工偏差以及电路中其他参数的不确定因素，消除线圈计算值与加工后实际值之间的误差，线圈匝数预留3.5、4.5圈可选的跳线。调试时根据实际测量结果，确定并联电容的容值和线圈的具体匝数。
2.4.2 天线调试
验证平台电路板加工、焊接完成后，使用阻抗分析仪测量天线的实际电感值，本次测到的天线线圈的电感值近似为2.9 nH;根据式(1)重新计算并联电容的值为47.55 nF，校正理论计算与加工后实际值之间的偏差。
并联电容值确定后，使用矢量网络分析仪测量天线的谐振频率。根据谐振频率的偏移情况，逐步增加或者减少线圈匝数，直到达到指定的谐振频率13.56 MHz。
根据矢量网络分析仪的测量结果显示，本次天线能成功谐振在13.56 MHz，此时线圈匝数为4，并联电容大小为47 nF。图6、图7为矢量网络分析仪测量的谐振图。

2、验证平台的硬件设计
2.1 验证平台硬件系统结构
FPGA原型验证平台利用自身的硬件资源，模拟实现RFID芯片的各功能模块。其中数字逻辑单元和存储器是FPGA原型验证的对象，由FPGA内部的资源实现。图2为验证平台硬件系统结构图。
下面详细介绍FPGA器件选型、模拟射频前端(AFE)电路设计、天线设计及调试，其中重点是FPGA器件选型和模拟射频前端电路设计，难点是天线设计及调试。
2.2 FPGA器件选型
FPGA原型验证平台中FPGA器件选型主要考虑FPGA的逻辑资源、存储资源、I/O资源和时钟资源，另外兼顾器件的供货渠道、速度等级、温度等级等。
FPGA的逻辑资源应为待验证ASIC逻辑门数的2~3倍或更高;存储资源、满足待验证ASIC存储资源的需求，主要是Blockram资源，I/O资源，用户可配置的I/O数量除了满足ASIC设计的数字端口信号需求外，还要预留一定量的调试I/O;时钟资源，主要指全局时钟数量，ASIC低功耗设计会用到大量的门控时钟，转化门控时钟需用到FPGA的全局时钟资源。
根据以上原则，本次FPGA采用Xilinx Spartan3-1000芯片。该芯片可编程约10万门的ASIC逻辑;16组blockram，提供432 kbit地址空间;8个全局时钟bufer用于定义时钟;4个DCM模块，可以精确地实现内部时钟分频、倍频;用户可用的I/O多达173个。
本次待验证的RFID芯片的数字逻辑规模约为1万门，存储器容量为1 kbit，时钟网络简单，端口I/O少。实验证明，该FPGA的资源完全满足RFID芯片的原型验证需求。
2.3 模拟射频前端(AFE)电路设计
在搭建RFID芯片的验证平台时，模拟射频前端(AFE)通常采用分立元件实现。分立器件实现的AFE电路稳定性差，受环境影响比较大，调试难度大。例如，包络检波器的输出幅值随场强变化较大，导致电压比较器工作失常，由此转换出的数字信号出现错误。
为改善以上稳定性差的问题，本次模拟射频前端采用AFE IC实现。AFE IC完成信号能量交流直流转换、限压、稳压、信号调制和解调、时钟产生及上电复位等功能。该芯片经过了成熟的测试，稳定性好，受磁场环境的影响小，电路稳定性大大增强，调试风险大大降低。图3为模拟射频前端(AFE)与其他功能模块的连接关系图。

2.4 天线设计及调试
2.4.1 天线设计原理
高频电子标签的天线线圈进入阅读器产生的交变磁场时，读写器与标签之间可等效为变压器耦合方式。读写器天线相当于变压器的初级线圈，标签上的天线相当于次级线圈[4]。对于无源电子标签，电子标签可以简化为天线与芯片的直接电连(标签天线可等效为天线等效内阻与等效感应电压源的串联组合，标签芯片可等效为纯阻抗)。图4为无源高频电子标签等效电路图。

符合ISO/IEC l5693标准的RFID系统，电子标签和阅读器之间的载波频率为13.56 MHz。为了保证阅读器与标签之间的良好通信，标签的谐振频率要接近13.56 MHz。本文描述的FPGA原型验证平台设计中，天线设计也是基于以上理论模型，设计成矩型天线。
ISO/IEC 15693-1协议中规定，标签天线尺寸最大不超过86 mm×54 mm，典型线圈有3~6匝[3]。这样可以根据实际的设计需求先确定天线尺寸，本次设计的天线长和宽分别为79 mm和47 mm，天线线圈的线宽为6 mil，线圈间距为9 mil，线圈匝数为4。

根据式(2)可以推算出天线线圈的等效电感，再根据式(1)可以计算出并联电容的理论值。
为了补偿电路板加工偏差以及电路中其他参数的不确定因素，消除线圈计算值与加工后实际值之间的误差，线圈匝数预留3.5、4.5圈可选的跳线。调试时根据实际测量结果，确定并联电容的容值和线圈的具体匝数。
2.4.2 天线调试
验证平台电路板加工、焊接完成后，使用阻抗分析仪测量天线的实际电感值，本次测到的天线线圈的电感值近似为2.9 nH;根据式(1)重新计算并联电容的值为47.55 nF，校正理论计算与加工后实际值之间的偏差。
并联电容值确定后，使用矢量网络分析仪测量天线的谐振频率。根据谐振频率的偏移情况，逐步增加或者减少线圈匝数，直到达到指定的谐振频率13.56 MHz。
根据矢量网络分析仪的测量结果显示，本次天线能成功谐振在13.56 MHz，此时线圈匝数为4，并联电容大小为47 nF。图6、图7为矢量网络分析仪测量的谐振图。

李牧喜

2019-5-29 17:06:03

3、测试结果
FPGA原型验证平台经过器件选型、硬件设计、数字逻辑单元的移植实现以及系统调试后，能够与支持ISO/IEC15693协议的阅读器进行稳定通信。图8显示了阅读器下发查询(Inventory)命令时空间场波形信息;图9显示了阅读器下发查询(Inventory)命令时，标签收到的时钟信号(clk)、解调信号(demo_data)以及标签返回的调制信号(modu_data)波形。

本文结合RFID芯片的设计特点，描述了一种FPGA原型验证平台的设计，支撑无源高频RFID芯片的FPGA原型验证。经测试表明，该验证平台能够实现ISO/IEC15693协议中的通信功能，能与多款阅读器进行稳定的通信，读写性能优异，稳定性、可靠性都能达到预期的效果，满足标签芯片FPGA原型验证的需求。
本文设计的FPGA原型验证平台还可以作为电子标签芯片的原型设计提供给客户试用，提前进行软件开发;还可以提前进行第三方的认证工作。另外，该验证平台对于符合其他协议标准的RFID芯片的验证平台的设计也有很好的参考价值。

徐珺

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沈茜

李牧喜

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