无源高频RFID芯片的FPGA原型验证平台设计

利用Xilinx的FPGA设计了一个FPGA原型验证平台，用于无源高频电子标签芯片的功能验证。主要描述了验证平台的硬件设计，解决了由分立元件实现模拟射频前端电路时存在的问题，提出了FPGA器件选型原则和天线设计的理论模型。同时，给出了验证平台的测试结果，通过实际的测试证明了验证平台设计的正确性和可靠性。该验证平台有力地支撑了RFID芯片的功能验证，大大提高了标签芯片的投片成功率。
关键词： RFID； FPGA原型验证； ISO/IEC 15693

    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[1]。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[2]。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[3]。
　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。

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。