RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

掃碼觀看本章節(jié)視頻講解

4.1 標簽芯片技術(shù)

超高頻RFID標簽基本構(gòu)成的三個要素中最重要的是芯片，它決定了這個標簽的功能和主要性能，同樣芯片也是設(shè)計最復(fù)雜技術(shù)難度最高的部分。

4.3.1 標簽芯片構(gòu)造

標簽芯片主要由三部分組成：數(shù)字部分，模擬部分和存儲部分，如圖4-28所示。其中數(shù)字部分的作用為：協(xié)議處理、邏輯處理、全局運算控制處理等，第3章內(nèi)容中所有與協(xié)議相關(guān)的功能都由數(shù)字部分處理。模擬部分的作用是：電源管理、調(diào)制解調(diào)、主頻時鐘，其中電源管理部分把接收到的射頻電磁波整流成為直流電給整個標簽芯片供電，主頻時鐘為數(shù)字部分和存儲部分提供系統(tǒng)的震蕩時鐘，調(diào)制解調(diào)完成標簽與閱讀器通信的信號處理工作。存儲部分為EPC、TID、User等區(qū)的存儲區(qū)，現(xiàn)在的常用存儲器為NVM（非易失性存儲器）或者EEPROM，一般存儲大小為幾百比特。

圖4-28標簽芯片電路結(jié)構(gòu)圖

通過圖4-29的標簽結(jié)構(gòu)框圖，可以更明確的了解三部分之間的關(guān)系。最左邊是模擬射頻接口部分（Analog RF interface），天線連接在模擬部分上，其中有4個主要器件：整流器（Rectifier），起前端整流作用；基準電壓（Vreg），為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓；解調(diào)器（Demodulator）；調(diào)制器（Modulator）。中間部分為數(shù)字控制部分（Digital Control），其功能為防沖突算法（Anti-collision）；讀寫操作（Read Write Control）；訪問控制（Access Control）；射頻接口控制（RF Interface Control），數(shù)字部分與模擬部分進行數(shù)據(jù)通信，并控制存儲部分的讀寫操作。最右邊的是EEPROM存儲器（存儲部分），其內(nèi)部有一個電荷泵升壓電路（Charge Pump），為寫標簽時提供高電壓。

圖4-29標簽芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)在的標簽芯片出廠形式為晶元盤，英文名Wafer，一般一盤Wafer包含芯片幾萬顆到幾十萬顆不等，如圖4-30所示為NXP Ucode7晶元盤上的標簽芯片位置圖。在圖中可以看到芯片在晶元盤內(nèi)只是占有非常小的一塊面積，也可以說一個晶元盤上有十幾萬同樣的標簽芯片。通過對圖中注釋的分析，可知：芯片的尺寸460μm×505μm；芯片的四個凸點的位置以及尺寸為60μm×60μm；RF1和RF2凸點是連接天線的，而TP1和TP2兩個凸點只是起支撐作用。

圖4-30 NXP Ucode7 晶元盤布局圖

4.3.2 芯片的存儲分區(qū)及操作命令

超高頻RFID的標簽芯片需要符合EPC C1Gen2標準（簡稱Gen2 協(xié)議），也就是說所有的超高頻RFID標簽芯片內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)大致一樣。如圖4-31所示，標簽芯片的存儲區(qū)分為四個區(qū)（Bank）分別是Bank 0保留區(qū)（Reserved）、Bank 1電子編碼區(qū)（EPC）、Bank 2 廠商編碼區(qū)（TID）、Bank 3 用戶區(qū)（User）。

圖4-31標簽芯片存儲區(qū)結(jié)構(gòu)圖

其中Bank 0 保留區(qū)又稱密碼區(qū)，內(nèi)部有兩組32比特密碼，分別是訪問密碼（Access Password）和滅活密碼（Kill Password），滅活密碼俗稱殺死密碼。當使用鎖定命令后，需要通過訪問密碼才可以對芯片的一些區(qū)域進行讀寫。當需要殺死芯片的時候，通過殺死密碼可以將芯片徹底殺死。

Bank 1為電子編碼區(qū)，是大家最熟悉的EPC區(qū)。根據(jù)Gen2協(xié)議，最先獲得標簽的信息是EPC信息，之后才能訪問其他存儲區(qū)進行訪問。EPC區(qū)分為三個部分：

CRC16校驗部分共16比特，通信時負責校驗閱讀器獲得的EPC是否正確。

PC部分（Protocol Control）共16比特，控制EPC的長度，其前5比特的二進制數(shù)乘以16為EPC長度，如96比特EPC時的PC=3000，其前5個比特為00110，對應(yīng)十進制為6，乘以16為96Bit。根據(jù)協(xié)議要求，PC可以等于0000到F100，相當于EPC的長度為0、32比特、64比特直到496比特。但是一般情況下超高頻RFID應(yīng)用中EPC的長度在64比特到496比特之間，也就是說PC值在2800到F100之間。在平時的應(yīng)用中經(jīng)常有人搞不清楚EPC中PC的作用，會卡在EPC長度的設(shè)置上從而帶來很多麻煩。

EPC部分，這部分才是最終用戶從應(yīng)用層獲得的芯片電子編碼。

Bank 2為廠商編碼區(qū)，每顆芯片都有自己的唯一編碼。4.3.3節(jié)中會重點介紹。

Bank 3為用戶存儲區(qū)，該存儲區(qū)根據(jù)協(xié)議規(guī)定最小空間為0，但是多數(shù)芯片為了方便客戶應(yīng)用，增加了用戶存儲空間，最常見的存儲空間為128比特或512比特。

在了解了標簽的存儲區(qū)之后，需要進一步了解Gen2的幾個操作命令即讀（Read）、寫（Write）、鎖（Lock）、殺（Kill）。Gen2的命令很簡單，操作命令只有4個，且標簽的存儲區(qū)狀態(tài)只有兩種：鎖定、未鎖定。

因為讀寫命令都與數(shù)據(jù)區(qū)是否鎖定相關(guān)，我們先從鎖命令講起。鎖命令對四個存儲區(qū)共有4個分解命令分別是鎖定（Lock）、解鎖（Unlock）、永久鎖定（Permanent Lock）、永久解鎖（Permanent Unlock），只要訪問密碼非全0即可進行鎖定命令。對應(yīng)四個區(qū)的操作如表3-1所示。

表3-1鎖定命令與存儲區(qū)

讀命令，顧名思義就是讀取存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，如果存儲區(qū)被鎖定，可以通過Access命令以及訪問密碼對該數(shù)據(jù)區(qū)進行訪問，具體讀取操作如表3-2所示。

表3-2讀命令與存儲區(qū)

寫命令，與讀命令類似，如果存儲區(qū)未鎖定，可以直接操作，如果存儲區(qū)已經(jīng)被鎖定需要通過Access命令以及訪問密碼對該數(shù)據(jù)區(qū)進行訪問具體讀取操作如表3-3所示。

表3-3寫命令與存儲區(qū)

殺死命令是一條終結(jié)芯片生命的命令，一旦芯片被殺死就再也不能起死回生了，這不像鎖定命令還可以解鎖。只要保留區(qū)被鎖定且殺死密碼非全0，則可以啟動殺死命令。一般情況下殺死命令極少使用，只有在一些涉密或涉及隱私的應(yīng)用中才會把芯片殺死。如果你想在芯片被殺死后再來溯源獲得這個芯片的TID號碼，只能通過解剖芯片的方法，解剖芯片花銷巨大，所以在平時應(yīng)用中盡量不要啟動殺死命令。同樣在項目里也要防止別人搞破壞，最好的方法是把保留區(qū)鎖定，并保護好訪問密碼。

4.3.3 廠商編碼TID

廠商編碼（TID）是芯片最重要的標識，是伴隨其生命周期的唯一可靠代碼。在這一串數(shù)字中隱藏著很多密碼。如圖4-32所示為一顆H3芯片的TID：E20034120614141100734886，其中：

E2字段代表芯片類型，所有的超高頻RFID標簽芯片的標簽類型都為E2；

003字段為廠商代碼，03代表美國意聯(lián)科技Alien Technology；廠商代碼的首字段可以為8或0，如Impinj的廠商代編碼一般為E2801開頭。

412字段代表芯片類型Higgs-3；

后面的64比特為芯片的串號，64比特能代表的數(shù)字大小為2的64次方。已經(jīng)是一個天文數(shù)字了，可以把地球上的每一粒沙子都編上號，所以大家不用擔心出現(xiàn)重號的問題。

圖4-32 H3芯片TID

早期的時候一些廠商的唯一編碼為32比特，其實已經(jīng)夠用了，但是為了體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)量，現(xiàn)在主流的芯片廠商的唯一識別編碼的長度都升級為64比特。

為了方便各位讀者了解現(xiàn)在所有的廠商以及芯片型號，表3-4統(tǒng)計了全球所有超高頻RFID芯片的廠商代碼（數(shù)據(jù)更新截至2020年4月13日），讀者在遇到新的芯片時可以直接查表。

表3-4全球TID廠商代碼

根據(jù)表3-4，全球共有63家公司申請了超高頻RFID芯片廠商代碼，其中不乏一些中國的企業(yè)，如坤銳、復(fù)旦、國民技術(shù)、遠望谷等超過10家企業(yè)，說明我國在超高頻RFID方面投入了很大的精力，并在核心芯片技術(shù)上努力奮斗著。這張表格也在不斷更新，相信會有更多的廠商加入到超高頻RFID芯片的行業(yè)中。