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一种 UHF 及微波段 RFID 标签芯片的研究与应用
作者：程良伦 刘学钢
来源：RFID世界网
日期：2009-10-29 11:23:47
摘要：UCODE HSL 是目前唯一的一款能够工作在UHF 及微波段2.45GHz 的高集成度RFID 无源电子标签芯片, 并且具有防冲突及冲突仲裁技术。本文着重从内部结构、数据处理机制及基本命令等几个方面论述了UCODE HSL 的工作原理, 并阐述了它在海关进出车辆自动识别管理系统上的具体应用。
1 UCODE HSL 的性能概述
UCODE HSL 芯片是皇家飞利浦电子集团（Philips）推出新一代供应链管理应用RFID 半导体产品。能为所有主要的供应链与运筹管理应用提供RFID 解决方案。该无源Tag 芯片的主要特性有：
(1) 射频特性：工作频率为UHF 段的860MHz-960MHz 和微波段的2.4GHz- 2.5GHz；采用16 位CRC校验；具有防冲突仲裁机制；在使用单边天线时，最大有效操作距离可达到8.4M。
(2) 存储单元：具有2048bits 的存储空间（包括数据锁存标志位）；64bits UID 码，位于存储器的0- 7 字节单元；位于存储器8- 223 字节单元的216bytes 存储空间可供用户读写。
(3) 安全特性：64 位的唯一产品序列号；每字节的写保护机制。
(4) 操作距离：基于该UCODE HSL 的标签可达到的操作距离可以用以下公式计算:
(5) 空中接口标准与应用标准：空中接口技术规范包括信道频率和宽度、调制方式、功率和功率灵敏度以及数据结构。UCODE HSL 符合ISO18000- 4(2.45GHz)、ISO18000 - 6 (860 - 930MHz)、ANSI/INCITS 256 - 2001Part3 和ANSI/INCITS 256- 2001 Part4 标准。在行业应用方面，符合HH20.8.4、AIAG B- 11、EAN.UCC GTAG和ISO18185 标准。
表1 各地区不同标准下的UCODE HSL 读取距离理论值
注：最大的写入距离是其读取距离的70％
2 UCODE HSL 芯片的内部结构
UCODE HSL 芯片结构分为三个主要部分：射频接口、控制中心和EEPROM存储器。如下图所示。
3 数据处理机理
UCODE HSL 有三个主要的工作状态：准备状态(READY)、ID 确认状态(ID)和数据交换状态(DATA EXCHANGE)
。
在典型的应用系统中，基于HSL 的Tag 在进入Reader 发射的电磁场后首先会被自动设置为READY状态；接受选择寻卡命令经过防冲撞机制进入ID 状态；如果在ID 状态下检测到选择读取命令，就会由ID状态转换到DATA EXCHANGE 状态。在数据DATAEXCHANGE 状态下，可以进行读写操作和数据锁存操作。其具体状态流程图如图2。
3.2 通讯协议
(1)下行数据编码(Forward Link)
下行数据是指Tag 接收到的从Reader 发送过来的数据。在下行数据中，每帧的开头都包含有包头检测(PREAMBLE_DETECT)、数据包头(PREAMBLE)和开始标识符(START DELIMITER) 三部分，它们均采用NRZ 编码；数据帧包含其他数据如命令字、地址字和CRC- 16 校验字均采用Manchester 编码，其数据的传输带宽是NRZ 编码的两倍。采用18%和100%两种ASK 调制信号，波特率为8～40kBits/s。下行数据的包头字为18bits 二进制数据：01 01 01 01 01 01 01 0101，而开始标识符在返回数据波特率为接收时的1 倍时，定义为11 00 11 10 10，为4 倍时定义为11 01 1100 10 1。数据的帧格式如下图。
(2)上行数据编码(Return Link)
上行数据是指Tag 发送到Reader 的数据。上行数据帧的开头都包含有休眠和返回包头字节部分，与下行数据一样，上行数据的头部数据都采用NRZ 编码，不同的是，上行数据帧的返回数据字和CRC- 16 校验字均采用FM0 编码，这种编码即在比特时间边缘均发生电平跳变，若每比特时间中间发生电平跳变则代表数据0，否则代表数据1。其数据的传输带宽是NRZ 编码的两倍。返回数据的包头字定义为32bits 二进制数据：00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01。其帧格式如下图。
3.3 数据的完整性
传输数据的完整性是RFID 研究的热点问题之一。传输数据的错误有两种：调制编码错误和CRC 校验错误。这两种错误均可以导致命令不能被Tag 或者Reader 识别。在CRC 校验出现错误后，HSL 会返回到READY 状态；如果出现编码错误，当检测到有效的开始标识符后HSL 会自动返回到READY 状态，否则保持原来状态。
循环冗余码校验(Cyclical Redundancy Check, CRC)检错能力强，容易实现，是目前应用最广的检错码编码方式之一。在HSL 中CRC 检验的实现是选取CRC-16 码校验，符合CRC- CCIT 标准，约定的生成多项式G(x)=X16+X12+X5+1。HSL 在生成CRC 校验码时，首先会把所有的CRC 寄存器初始化为FFFFh；然后将数据的第一个8- bit 字符与16 位CRC 寄存器的低8 位进行异或，并把结果存入CRC 寄存器；再把CRC 寄存器向右移一位，MSB 补零，移出并检查LSB；如果LSB 为0，重复上一步；若LSB 为1，CRC 寄存器与多项式码相异或；重复上两步直到8 次移位全部完成。此时一个8- bit 数据处理完毕，重复直到所有数据全部处理完成，最终CRC 寄存器的内容即为CRC 值。
3.4 基本命令及代码
基于HSL 的Tag 通过执行一系列由Reader 发出的命令，在三个状态(READY、ID、DATA EXCHANGE)间切换，并完成防碰撞、EEPROM的数据读写等操作。HSL 的基本命令字及其代码如下表。
4 典型应用
基于UCODE HSL 的RFID 电子标签可以封装于PVC、PET、PP、不干胶纸等多种介质内，具有优异的物理特性及强大的信息管理和防伪功能。Philips 的UCODEHSL 标签芯片是专门面向无源式智能型标签所设计的芯片，与有源主动式电子标签相比，它的体积小，成本低，不用电池，可永久性使用，使用寿命长，应用在如电子不停车收费系统(ETC)中，无需经常更换标签，为系统的实施减少了投入，可靠性强，优势明显。它除了射频接口可以进行高速双向数据传输之外，还有先进的防冲突与冲突仲裁技术，可在同一时间读写多个标签，非常适合于长距离的应用, 如在供应链管理和物流应用领域的集装箱和货箱的跟踪上，每秒可阅读50 个标签。
把UCODE HSL 用于海关进出车辆自动识别管理系统上，利用RFID 技术对附有Tag 标签的通行车辆进行自动识别, 能有效地提高闸口通行效率并对各种过关车辆进行追踪管理。
其具体的工作过程是：当车辆或集装箱车进入通道，Tag 芯片被入口的Reader 感应圈激活，在7- 10 米的距离和0.5 秒内，不接触即可读出汽车电子标识内容。在动态行驶或静态的状况下，Reader 与车辆上安装的UCODE HSL 电子车牌进行短程微波无线通信，采集车辆标识卡中所存储的信息，对车辆或集装箱法定身份进行有效性检验。当离开监测区，出口感应圈检测到车辆时，清除车辆显示器（选件），关闭自动栏杆（选件），将出入车辆数据提交到信息管理系统。其系统图如下：
工作模式：R/W（读写），无源
存储容量：64 位ID 号
工作频率：902~928MHz
符合标准：FCC1 美国国家标准
读写距离远：0～10 米(与不同的天线相配套)
工作温度：- 20℃～+70℃
适应速度：<60km/h
安装方式：空气介质中使用
应用特点：具有防碰撞功能，适合单标签、多标签识别，移动状态标签的识别采用该基于UCODE HSL 的电子车牌后，提高了通关速度，缓解了口岸海关的通关压力，帮助解决了公路口岸长期存在的“瓶颈”堵塞问题，从而提高了通关效率。
5 结束语
UCODE HSL 是Philips 首款在UHF 和2.45GHz范围内的UCODE 集成电路产品。通过研究无源电子标签，将之应用于海关进出车辆自动识别管理系统上，创新点在于：成功的解决了标签寿命、读写距离、防冲突等的关键技术问题。实践证明：基于该标签的系统应用于供应链管理、资产管理、集装箱识别、栈板追踪等RFID 领域，起到了显著的效果。
（文/广东工业大学 程良伦 刘学钢 ）
UCODE HSL 芯片是皇家飞利浦电子集团（Philips）推出新一代供应链管理应用RFID 半导体产品。能为所有主要的供应链与运筹管理应用提供RFID 解决方案。该无源Tag 芯片的主要特性有：
(1) 射频特性：工作频率为UHF 段的860MHz-960MHz 和微波段的2.4GHz- 2.5GHz；采用16 位CRC校验；具有防冲突仲裁机制；在使用单边天线时，最大有效操作距离可达到8.4M。
(2) 存储单元：具有2048bits 的存储空间（包括数据锁存标志位）；64bits UID 码，位于存储器的0- 7 字节单元；位于存储器8- 223 字节单元的216bytes 存储空间可供用户读写。
(3) 安全特性：64 位的唯一产品序列号；每字节的写保护机制。
(4) 操作距离：基于该UCODE HSL 的标签可达到的操作距离可以用以下公式计算:
(5) 空中接口标准与应用标准：空中接口技术规范包括信道频率和宽度、调制方式、功率和功率灵敏度以及数据结构。UCODE HSL 符合ISO18000- 4(2.45GHz)、ISO18000 - 6 (860 - 930MHz)、ANSI/INCITS 256 - 2001Part3 和ANSI/INCITS 256- 2001 Part4 标准。在行业应用方面，符合HH20.8.4、AIAG B- 11、EAN.UCC GTAG和ISO18185 标准。
表1 各地区不同标准下的UCODE HSL 读取距离理论值
注：最大的写入距离是其读取距离的70％
2 UCODE HSL 芯片的内部结构
UCODE HSL 芯片结构分为三个主要部分：射频接口、控制中心和EEPROM存储器。如下图所示。
3 数据处理机理
UCODE HSL 有三个主要的工作状态：准备状态(READY)、ID 确认状态(ID)和数据交换状态(DATA EXCHANGE)
。
在典型的应用系统中，基于HSL 的Tag 在进入Reader 发射的电磁场后首先会被自动设置为READY状态；接受选择寻卡命令经过防冲撞机制进入ID 状态；如果在ID 状态下检测到选择读取命令，就会由ID状态转换到DATA EXCHANGE 状态。在数据DATAEXCHANGE 状态下，可以进行读写操作和数据锁存操作。其具体状态流程图如图2。
3.2 通讯协议
(1)下行数据编码(Forward Link)
下行数据是指Tag 接收到的从Reader 发送过来的数据。在下行数据中，每帧的开头都包含有包头检测(PREAMBLE_DETECT)、数据包头(PREAMBLE)和开始标识符(START DELIMITER) 三部分，它们均采用NRZ 编码；数据帧包含其他数据如命令字、地址字和CRC- 16 校验字均采用Manchester 编码，其数据的传输带宽是NRZ 编码的两倍。采用18%和100%两种ASK 调制信号，波特率为8～40kBits/s。下行数据的包头字为18bits 二进制数据：01 01 01 01 01 01 01 0101，而开始标识符在返回数据波特率为接收时的1 倍时，定义为11 00 11 10 10，为4 倍时定义为11 01 1100 10 1。数据的帧格式如下图。
(2)上行数据编码(Return Link)
上行数据是指Tag 发送到Reader 的数据。上行数据帧的开头都包含有休眠和返回包头字节部分，与下行数据一样，上行数据的头部数据都采用NRZ 编码，不同的是，上行数据帧的返回数据字和CRC- 16 校验字均采用FM0 编码，这种编码即在比特时间边缘均发生电平跳变，若每比特时间中间发生电平跳变则代表数据0，否则代表数据1。其数据的传输带宽是NRZ 编码的两倍。返回数据的包头字定义为32bits 二进制数据：00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01。其帧格式如下图。
3.3 数据的完整性
传输数据的完整性是RFID 研究的热点问题之一。传输数据的错误有两种：调制编码错误和CRC 校验错误。这两种错误均可以导致命令不能被Tag 或者Reader 识别。在CRC 校验出现错误后，HSL 会返回到READY 状态；如果出现编码错误，当检测到有效的开始标识符后HSL 会自动返回到READY 状态，否则保持原来状态。
循环冗余码校验(Cyclical Redundancy Check, CRC)检错能力强，容易实现，是目前应用最广的检错码编码方式之一。在HSL 中CRC 检验的实现是选取CRC-16 码校验，符合CRC- CCIT 标准，约定的生成多项式G(x)=X16+X12+X5+1。HSL 在生成CRC 校验码时，首先会把所有的CRC 寄存器初始化为FFFFh；然后将数据的第一个8- bit 字符与16 位CRC 寄存器的低8 位进行异或，并把结果存入CRC 寄存器；再把CRC 寄存器向右移一位，MSB 补零，移出并检查LSB；如果LSB 为0，重复上一步；若LSB 为1，CRC 寄存器与多项式码相异或；重复上两步直到8 次移位全部完成。此时一个8- bit 数据处理完毕，重复直到所有数据全部处理完成，最终CRC 寄存器的内容即为CRC 值。
3.4 基本命令及代码
基于HSL 的Tag 通过执行一系列由Reader 发出的命令，在三个状态(READY、ID、DATA EXCHANGE)间切换，并完成防碰撞、EEPROM的数据读写等操作。HSL 的基本命令字及其代码如下表。
4 典型应用
基于UCODE HSL 的RFID 电子标签可以封装于PVC、PET、PP、不干胶纸等多种介质内，具有优异的物理特性及强大的信息管理和防伪功能。Philips 的UCODEHSL 标签芯片是专门面向无源式智能型标签所设计的芯片，与有源主动式电子标签相比，它的体积小，成本低，不用电池，可永久性使用，使用寿命长，应用在如电子不停车收费系统(ETC)中，无需经常更换标签，为系统的实施减少了投入，可靠性强，优势明显。它除了射频接口可以进行高速双向数据传输之外，还有先进的防冲突与冲突仲裁技术，可在同一时间读写多个标签，非常适合于长距离的应用, 如在供应链管理和物流应用领域的集装箱和货箱的跟踪上，每秒可阅读50 个标签。
把UCODE HSL 用于海关进出车辆自动识别管理系统上，利用RFID 技术对附有Tag 标签的通行车辆进行自动识别, 能有效地提高闸口通行效率并对各种过关车辆进行追踪管理。
其具体的工作过程是：当车辆或集装箱车进入通道，Tag 芯片被入口的Reader 感应圈激活，在7- 10 米的距离和0.5 秒内，不接触即可读出汽车电子标识内容。在动态行驶或静态的状况下，Reader 与车辆上安装的UCODE HSL 电子车牌进行短程微波无线通信，采集车辆标识卡中所存储的信息，对车辆或集装箱法定身份进行有效性检验。当离开监测区，出口感应圈检测到车辆时，清除车辆显示器（选件），关闭自动栏杆（选件），将出入车辆数据提交到信息管理系统。其系统图如下：
工作模式：R/W（读写），无源
存储容量：64 位ID 号
工作频率：902~928MHz
符合标准：FCC1 美国国家标准
读写距离远：0～10 米(与不同的天线相配套)
工作温度：- 20℃～+70℃
适应速度：<60km/h
安装方式：空气介质中使用
应用特点：具有防碰撞功能，适合单标签、多标签识别，移动状态标签的识别采用该基于UCODE HSL 的电子车牌后，提高了通关速度，缓解了口岸海关的通关压力，帮助解决了公路口岸长期存在的“瓶颈”堵塞问题，从而提高了通关效率。
5 结束语
UCODE HSL 是Philips 首款在UHF 和2.45GHz范围内的UCODE 集成电路产品。通过研究无源电子标签，将之应用于海关进出车辆自动识别管理系统上，创新点在于：成功的解决了标签寿命、读写距离、防冲突等的关键技术问题。实践证明：基于该标签的系统应用于供应链管理、资产管理、集装箱识别、栈板追踪等RFID 领域，起到了显著的效果。
（文/广东工业大学 程良伦 刘学钢 ）
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