中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：EPC Class-1 Generation-2 UHF RFID 前端電路驗證系統之建立與設計
Design and Building of EPC Class-1 Generation-2 UHF RFID Front End Circuit
系 所 別：電機工程學系 碩士班 學號姓名：
M09301056 黃俊源 指導教授： 田 慶 誠 博士
中華民國 九十五 年 十一 月
EPC Class-1 Generation-2 UHF RFID 前端電路驗證系統之建立與設計
指導教授:田慶誠 博士 研究生:黃俊源 中華大學電機工程學系碩士班 通訊組
摘要
本論文主要目的在建立與設計“超高頻射頻辨識前端電路”(UHF RFID Front end circuit)，同時結合同學的數位防碰撞系統電路[1]，另 在數位系統中，加入Miller-modulated subcarrier 編碼子電路，最後連 結 Alien ALR-9780 讀卡機，成功驗證國際通用標準 EPC class-1 generation-2 UHF RFID protocol [2]。前端電路設計上使用 ADS 模擬
軟 體 。 數 位 電 路 使 用 ALTERA QuartusⅡ模擬的 FPGA 晶片為:
ALTERA APEX20KE EP20K1500EBC652-1X。依據上面的描述，
最後成功地在UHF RFID 系統中整合 EPC class-1 generation-2 通訊協 定。
(關鍵詞: 射頻辨識，前端電路，防碰撞)
Design and Building of
EPC Class-1 Generation-2 UHF RFID Front End Circuit
Advisor: Dr. Ching-Cheng Tien Student: Chun-Yuan Huang
Department of Electrical Engineering Chung Hua University
Abstract
The purpose of this thesis is design and building of UHF RFID front end circuit. It combines the thesis of Digital Anti-Collision System Circuits [1] of my classmate and then adds Miller-modulated subcarrier encoding sub-circuit into digital block. Finally, it connects with Alien ALR-9780 reader to test and verify EPC class-1 generation-2 UHF RFID protocol [2] successfully. In front end circuit, I use principally ADS tool for waveform simulation. To implement the digital design on FPGA board ALTERA APEX20KE EP20K1500EBC652-1X with ALTERA Quartus II tools for the waveform simulation. Base on above descriptions, I integrate EPC class-1 generation-2 protocols with UHF RFID system successfully in the end.
(keyword: RFID，front end circuit，Anti-collision)
致謝
非常感謝指導老師田慶誠博士與王志湖老師在過去兩年的細心 指導，老師的循循善誘，常常單獨長時間教導我“最基本＂的原理以 及如何待人處世，感謝兩位老師，在我碩一下學期時，讓我接下中央 大學的計畫，那段時間中我磨練了許多專業技能，也感謝那段時間與 我共同分工合作的三位學弟云于、詠証、昌宏，如果沒有三位學弟的 參與，計畫也不會這麼快速順利的完成。然而兩位老師對我的再次信 任，在我碩二時，讓我接下與交大的共同計畫，在這次計劃裡我學習 到了做研究的態度與方法以及更多的基本原理，另外這次也要感謝與 我共同分工合作的瑋廷、佳勳。最後真心感激田老師與王老師能夠給 我機會以及信任我，讓我能接下兩個計畫，使我這兩年多裡，能夠接 觸類比及數位與射頻電路，讓我兩年多對這三種電路都能有接觸與學 習的工作經驗。
再來感謝我的好同學:榮楨、瑋廷、建君、信宏，與他們一起研究、
討論以及共同出遊等等的美好回憶。再感謝子彬、麗君、名諺、明希 等等的同班同學，有這些同學平常在實驗室裡真的很開心!另外感謝 許多學長可以跟你們一同討論專業知識，增加在不同領域中的學習機 會。還有與我共同討論與分工合作的學弟: 云于、詠証、昌宏以及佳
勳和怡誠，很感激有你們的幫忙。
最後感激我女朋友沛華，可以一路陪我走過來，沒有她的支持與 鼓勵，研究所畢業這路沒有她真的很難堅持下去。還有感激我的家人 能夠在我念研究所中一直給我鼓勵與付出，再次感激家人在後面的陪 伴。最後最後謝謝大家在這兩年多的相處與共，真的很開心這段時 間，謝謝!
黃俊源 謹識 中華民國九十五年十一月
目錄
摘要... I ABSTRACT ...II 致謝... III 目錄...V 圖表目錄...VII
第一章 序論...1
1.1 論文研究動機 ...1
1.2 研究目標 ...2
1.3 論文研究流程 ...3
第二章 RFID系統操作原理說明 ...6
2.1RFID系統整體架構 ...6
2.2UHF被動式RFID標籤操作原理簡介...8
2.3BACKSCATTER...9
2.4RFID系統傳輸方式 ...9
2.5ANTI-COLLISION防碰撞...10
第三章 RFID系統電路建立與設計 ...14
3.1RFID系統驗證電路建立 ...14
3.2 本篇論文被動式標籤整體架構介紹...14
3.3 天線設計...15
3.4 本篇論文前端電路架構...16
3.4.1 解調(DEMODULATION)電路...16
3.4.2 調變(MODULATION)電路...17
3.4.3CLKGENERATOR電路...18
3.5ANTI-COLLISION數位系統電路介紹...19
3.6 模擬結果...21
3.6.1 市售標籤電路 50Ω匹配電路模擬(ADS) ...21
3.6.2 天線模擬(HFSS) ...22
3.6.3ANTI-COLLISION數位系統電路模擬(QUARTUSⅡ) ...23
第四章 RFID系統實現與驗證 ...25
4.1 市售標籤電路的實現與驗證...25
4.2 天線實現圖...26
4.3 實現RFID前端整合電路...26
4.4 驗證EPC CLASS-1 GENERATION-2UHFRFID PROTOCOL...28
4.5 自製RFID 標籤系統驗證設定說明...30
4.6 自製RFID 標籤系統驗證量測結果...31
4.7 結合天線與整合標籤實現電路圖...33
4.8EPC CLASS-1 GENERATION-2UHFRFID防碰撞系統驗證實測...34
第五章 結論...36
參考文獻...38
圖表目錄
圖1-1UHFRFID 標籤系統架構圖...2
圖1-2 研究流程圖...5
圖2-1RFID系統整體架構...6
圖2-2 市售EPC CLASS-1 GENERATION-2UHFRFID標籤 ...7
圖2-3 市售RFIDREADER...7
圖2-4 被動式標籤架構圖...8
圖2-5BACKSCATTER示意圖...9
圖2-6 電阻與電容回散射調變模式...9
圖2-7 傳輸方式示意圖...10
圖2-8RFID信號碰撞CASE-1 圖2-9RFID信號碰撞CASE-2... 11
圖2-10 「SLOTTED RANDOM ALOHA」ANTI-COLLISION CASE-1 ...12
圖2-11 「SLOTTED RANDOM ALOHA」ANTI-COLLISION CASE-2 ...13
圖3-1 市售RFID系統連線示意圖 ...14
圖3-2 標籤電路架構圖...15
圖3-3 天線設計圖...16
圖3-4 解調電路圖...17
圖3-5BACKSCATTER 電路圖...18
圖3-6CLK GENERATOR電路圖...19
圖3-7MILLER-MODULATED SUBCARRIER BASIS FUNCTIONS...20
圖3-8MILLER-MODULATED SUBCARRIER GENERATOR STATE DIAGRAM...20
圖3-9MILLER-MODULATED SUBCARRIER SEQUENCES...20
圖3-10 「RFID數位防碰撞系統電路」組成方塊圖 ...21
圖3-11VNA量側的S11 ...21
圖3-12ADS模擬電路圖 ...22
圖3-13 標籤匹配電路模擬結果...22
圖3-14S11 參數...23
圖3-15 天線場圖...23
圖3-16 「RFID數位防碰撞系統電路」整體數位系統的模擬結果...24
圖4-1READER...25
圖4-2WRITER...25
圖4-3 天線模擬圖...26
圖4-4 天線成品...26
圖4-5 整合前端電路實現圖...27
圖4-6 輸入電壓 圖4-7 前端電路工作電壓 ...27
圖4-8 SETTLING TIME解調訊號...27
圖4-9 COMMAND解調訊號...28
圖4-10 時脈訊號...28
圖4-11PROTOCOL驗證設定與架構圖...29
圖4-12 單一標籤PROTOCOL...29
圖4-13 單一標籤回覆模式...29
圖4-14 自製RFID 標籤系統驗證設定...31
圖4-15 自製標籤電路驗證實現圖...32
圖4-16 自製RFID標籤系統驗證結果 ...32
圖4-17EPC碼對照圖...33
圖4-18EPC碼顯示結果圖...33
圖4-19 前端電路整合實現圖...33
圖4-20RFID 標籤最後實現電路圖...34
圖4-21 與市售標籤做防碰撞實驗結果...35
圖4-22 自製RFID標籤測試最遠讀取距離圖 ...35
表1-1RFID頻段分類...4
第一章 序論
1.1 論文研究動機
無線射頻辨識(Radio Frequency Identification ; RFID)是本世紀十 大重要技術之一，因為這樣的技術同時擁有「非接觸式」以及「不易 偽造」的特性，因此在實際應用面上吸引人們的注目。近年來 RFID 被 認為是影響未來產業發展之重要技術，尤其是應用在物流上面，將使 物品的追蹤更即時，對產業也越來越具有影響。
全世界最大的零售業龍頭，威明百貨（Wal-Mart）從 2005 年 1 月1 日開始，正式啟動 RFID 試驗。威名百貨計劃從德州的 3 個暢貨 中心開始，要求前 100 大供應商，分別在運送過程中置放貨物的棧板 和出貨產品中，導入 RFID 系統，預計 2006 年所有旗下供應商全面 導入。德國連鎖商店麥德龍（Metro）使用 RFID 貨架的「未來商店」
也於今年5 月開張，他們都希望藉由 RFID 技術的導入，提升產品的 管理效率。
RFID 利用 IC 及無線技術存放與傳遞辨識資料，具有耐環境、可 重複讀寫、非接觸式、資料記錄豐富、可同時讀取範圍內多個 RFID 標 籤等特性，目前雖然RFID 有許多的優點，但目前迫切需要解決的問 題就是「資料的防碰撞」。因此本論文結合同學的數位防碰撞系統，
以相互連結驗證UHF class-1 generation-2 RFID 標籤電路的操作與工 作方式。預期與市售的Alien ALR-9780 Reader 做溝通，並驗證 EPC Class-1 Generation-2 通訊協定與防碰撞機制。圖 1-1 為目前 UHF RFID 標籤常見的系統架構圖。
圖1-1 UHF RFID 標籤系統架構圖
1.2 研究目標
本論文EPC class-1 generation-2 UHF RFID 前端電路驗證系統之 建立與設計的研究目標有驗證EPC class-1 generation-2 protocol、整合 前端電路(Front end circuit)與數位防碰撞系統(Digital anti-collision)、
實現EPC class-1 generation-2 UHF RFID 標籤。
驗證EPC class-1 generation-2 UHF RFID protocol:以單一標籤的溝 通為基礎，分析及驗證 Query、RN16、ACK、PC+EPC+CRC16 與 QueryRep 等訊號。
整合前端電路與數位防碰撞系統:前端電路中包括解調與調變電 路、Power On Reset(POR)電路、CLK generator 等，數位電路架構包
含解碼、編碼與Anti-Collision 防碰撞等數位電路。
實現EPC class-1 generation-2 UHF RFID 標籤:加入天線與前端電 路及數位電路結合在一起，並實測市售Alien ALR-9780 Reader 與市 售標籤做相互溝通與驗證，最後將 EPC 碼顯示在電腦螢幕上，實際 驗證完整功能的EPC class-1 generation-2 UHF RFID 標籤。
1.3 論文研究流程
RFID 標籤依電源分類有主動式標籤（Active 標籤）、被動式標 籤（Passive 標籤）以及半主動式標籤等三種，將這三種電源分類進 行討論:
1. 主動式標籤（Active 標籤）
主動式標籤又稱為有源標籤，內建電池，可利用自有電
力在標簽周圍形成有效活動區，主動偵測周遭有無讀卡機發射的呼叫 信號，並將自身的資料傳送給讀取器。
2. 被動式標籤（Passive 標籤）
被動式標籤是由讀卡機發出射頻來「喚醒」，標籤在接收 讀卡機傳來的電波後，轉化為自身電力來回傳信號，因此，被動標籤 需要較強的射頻信號，且讀取距離較近。好處是價格便宜、體積小、
壽命長、數位資料可攜性等等。
3. 半主動式標籤
半主動式標籤也內建電源，可使用內部能量監測周圍環 境，但也需要讀卡機發出射頻訊號喚醒標籤後才回送信號。半主動和 被動的區別在半自動系統中有電力，標籤能夠發揮其作用，例如監測 周圍環境的溫度，震盪情況等，同時，半主動式標籤讀取距離較長、
抗干擾能力更強。依標籤的操作頻率可分類如表1-1:
表1-1 RFID 頻段分類
頻率 優點 缺點 應用範圍
低頻 (9-135Khz)
此頻段在絕大多數的國家屬 於開放，不涉及法規開放和執 照申請的問題。
讀取範圍受限制 (在 1.5 公尺內)
1.畜牧或寵物的管理 2. 門禁管理、防盜系統
高頻 (13.56Mhz)
1.高接受度的頻段
2.在絕大多數的環境都能正 常運行
1.在金屬物品附近無法正 常運作
2.讀取範圍在 1.5 公尺左右
1. 圖書館管理 2. 貨版追蹤 3.大樓識別証 4. 航空行李標籤或電 子機票
超高頻 (300-1200Mhz)
1.讀取範圍超過 1.5 公尺 2.不易受天候影響
1.此頻段在日本不允許作為 商業用途
2.頻率太相近時會產生同頻 干擾
3.在陰濕的環境下會影響系 統運作
1.工廠的物料清點系 統
2.卡車與拖車的追蹤
微波 (2.45 或 5.8Gzh)
超過1.5 公尺的取範圍
1.此頻段在某些歐洲國家不 允許作為商業用途
2.複雜的系統開發流程 3.在先今環境不被廣泛使 用
高速公路收費系統
本論文研究 RFID 前端電路驗證系統之建立與設計，因此再研究 流程上，以市售讀卡機與自製前端電路，加本實驗室研究的防碰撞數
位系統整合驗證作為考量重點。研究流程如圖1-2 所示:
圖1-2 研究流程圖
第二章 RFID 系統操作原理說明
2.1 RFID 系統整體架構
完整RFID 的系統架構是由標籤、讀卡機與系統應用三大部分，
如圖2-1，其動作原理是從應用程式發出指令給讀卡機，由讀卡機發 送特定頻段的頻率之指令給標籤，用以驅動標籤，標籤接收指令後，
會將內部的辨識碼送回給讀卡機，讀卡機進行辨識，再傳回給應用系 統做最後確認。
圖2-1 RFID 系統整體架構
將三大部分分述如下：
1.電子標籤(Tag)：
通常以電池的有無區分為被動式和主動式兩種類型。被動式標籤 是接收讀卡機所傳送的能量，轉換成電子標籤內部電路的操作電能，
不需外加電池；可達到體積小、價格便宜、壽命長以及數位資料可攜
性等優點。[圖 2-2 所示]
圖2-2 市售 EPC class-1 generation-2 UHF RFID 標籤
2.讀卡機(Reader)：
利用高頻電磁波傳遞能量與訊號，電子標籤的辨識速率每秒可達 50 個以上。可以利用有線或無線通訊方式，與應用系統結合使用。[圖 2-3 所示]
圖2-3 市售 RFID Reader
3.系統應用(Application)：
RFID 系統結合資料庫管理系統、電腦網路與防火牆等技術，提 供全自動安全便利的即時監控系統功能。相關整合應用包括航空行李 監控、生產自動化管控、倉儲管理、運輸監控、保全管制以及醫療管 理等。
2.2 UHF 被動式 RFID 標籤操作原理簡介
圖2-4 為常見的被動式標籤架構圖，讀卡機發送出指令，標籤從 天線端接收能量與指令訊號，在前端電路的操作下產生直流電壓，並 且同時解調出讀卡機發出的指令，在同一時間產生時脈訊號。因為前 端電路能夠整流出穩定且足夠的操作電壓及電流，解調出的指令訊號 送給數位系統電路做指令辨別處理，並從記憶體取出存放的辨識碼。
再由數位架構回覆數位編碼給前端電路，調變電路利用backscatter 技術將資料回傳給讀卡機，以上大略是UHF 被動式標籤的操作機制。
圖2-4 被動式標籤架構圖
2.3 Backscatter
數位訊號處理系統輸出的0 與 1 訊號，會控制標籤內部電晶體的 開啟與關閉，隨著電晶體的開與關，將使標籤的天線對讀取端所發出 的信號，做訊號的反射或吸收，此機制稱之為回散射調變（Backscatter Modulation）。如圖 2-5 與圖 2-6 所示[3]:
圖2-5 Backscatter 示意圖
圖2-6 電阻與電容回散射調變模式
2.4 RFID 系統傳輸方式
無線射頻辨識系統的傳輸方式主要可分為全多工(Full Duplex;
FDX)傳輸，半多工(Half Duplex; HDX)傳輸，接續(Sequential; SEQ) 傳輸等三種[3]，圖 2-7 所示可知這三種傳輸差別在於能量與資料傳 輸。
圖2-7 傳輸方式示意圖
2.5 Anti-Collision 防碰撞
防碰撞系統，主要是應用在 EPC-global 的「識別系統（EPC 標 籤與讀卡機）」中，也就是說資料碰撞的層面主要發生在讀卡機和標 籤之間。
那何謂「碰撞」呢？所謂的碰撞指的是當讀卡機和標籤相互溝通 時，在同一時間點，有兩筆或是兩筆以上的資料同時廣播或同時接 收，因而破壞了信號的完整性，使的信號判讀錯誤或者是無法判讀，
因此，我們所說的「RFID 數位防碰撞系統電路」，就是為了儘量降低
兩個標籤可能同時廣播而相互損害對方信號的可能性。
信號碰撞的主要來源有二，一是當一台讀卡機進行讀取時，有兩 個或兩個以上標籤同時廣播回傳信號，造成信號碰撞，而使讀卡機誤 判，如圖2-8 所示;二是同一標籤在兩台或兩台以上讀卡機的讀取範圍 內，標籤同時收到多筆指令，而使標籤產生誤判，如圖2-9 所示;所以，
設計「數位防碰撞系統電路」，便是要防範以上兩種碰撞的可能。
圖2-8 RFID 信號碰撞 case-1 圖 2-9 RFID 信號碰撞 case-2
在EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860MHz-960MHz Version 1.09 的規範之下，我們選定的 RFID Anti-Collision Algorithm 為「Slotted Random Aloha」(或稱為「Slotted Random」or 「Slotted Aloha」)，此
種演算方式不同於早期RFID「Binary Tree」的演算法。
而我們所採用的「Slotted Random Aloha」Anti-Collision Algorithm 則是利用分時多工的概念，完成RFID 之間的防碰撞。
為了防範第一種碰撞的情形，當每台讀卡機開始要在自己的讀取
範圍內讀取多個標籤時，讀卡機讓每個標籤隨機產生亂數，之後讓亂 數倒數，先倒數為0 的標籤率先回傳確認碼回讀卡機，讀卡機確認無 誤後，在通知標籤回傳其ID Code，所以利用分時多工的概念預防第 一種碰撞情形，如圖2-10 所示。
圖 2-10 「Slotted Random Aloha」Anti-collision case-1
對於第二種碰撞的情形，則是利用「Session」概念[2]，就是當 每台讀卡機要在自己的讀取範圍內讀取多個標籤時，每台讀卡機給予 自己獨取範圍內的標籤不同的session 碼，使的標籤藉以 session 碼區 分要回覆哪一台讀卡機，如圖2.11 所示。
圖 2-11 「Slotted Random Aloha」Anti-collision case-2
除此之外，「Slotted Random Aloha」Anti-Collision Algorithm 更多 了「Flag」的概念[2]，「Flag」有 2 種數值，A 和 B，比方一開始是將 整群標籤設為Flag-A，已被讀卡機讀取過 ID code 的標籤就將其 Flag 反轉為 Flag-B，也就是說已經被讀過的標籤要等到下一個 round，才 會再次被讀取，利用此技術可大幅減少信號碰撞的可能性。
雖然「Slotted Random Aloha」Anti-Collision Algorithm 其判別線 性度比「Binary Tree」Algorithm 低，但是讀取的速度卻遠高於「Binary Tree」Algorithm，而且演算機制完整，可防範多種信號碰撞的可能性，
大幅將低信號的碰撞率。
第三章 RFID 系統電路建立與設計
3.1 RFID 系統驗證電路建立
本篇論文裡，首先要建立市售讀卡機與市售標籤完整地RFID 系 統的有線溝通模式，做為之後自製標籤電路驗證的基礎，本篇提及的 市售系統之建立如圖3-1 所示:
圖3-1 市售 RFID 系統連線示意圖
3.2 本篇論文被動式標籤整體架構介紹
本篇論文中的標籤電路架構可以分成天線、前端電路、數位系統 電路三大部分，如圖 3-2 所示。天線設計操作在 902~928 MHz 頻段 中，負責接收與傳送訊號，做為讀卡機與標籤溝通的連接。前端電路 裡以電池加入穩壓 IC 做為提供整體前端電路的工作電壓與電流，另 外在前端電路中，還包含解調電路與利用 Backscatter 技術的調變電
路，再加上 Power on Reset 電路與產生時脈訊號給數位系統所需的 CLK generator。數位系統架構則包含編碼、解碼與 Anti-Collision 技
術的電路。至於記憶體部分則用指撥開關暫時代替做為可變的 EPC 碼。
圖3-2 為本篇 EPC class-1 generation-2 UHF RFID 標籤的架構:
圖3-2 標籤電路架構圖
3.3 天線設計
天線與電路匹配傳統上使用史密斯圖技術，在加入元件時可能會 造成信號的損失，這些訊號的損失加上較複雜的技術所需要的成本較 高，對RFID 應用上來說是不利的。如果匹配上不額外增加元件或結
構而能達到最佳的效果，便可以迅速的將天線設計出來。所以在標籤 電路上天線的設計占了相當重要的角色。圖3-3 天線設計圖。
圖3-3 天線設計圖
3.4 本篇論文前端電路架構
3.4.1 解調(Demodulation)電路
解調電路的架構是與調變電路做並聯方式連接，電容 C1 需要 可以接收UHF 頻率的訊號，而適合的電容 C2 與電阻 R1 的選擇，
需要讓 ASK 訊號可以做解調，滿足 RC 時間常數並且可以濾波高 頻訊號解調出讀卡機發送出的指令，解調出的訊號再傳送給比較器 作數位訊號0 與 1 轉換，最後再傳送給數位系統電路做解碼。解調 電路如圖3-4 所示
圖3-4 解調電路圖
3.4.2 調變(Modulation)電路
調變電路是利用backscatter 技術做訊號回傳。Backscatter 是由雷 達原理所發展成的技術，並應用於RFID 標籤技術上。主要是利用電 磁波遇到障礙物會產生反射，並將反射訊號加以調變而成的技術。圖 3-5 就是利用電晶體作為開關而造成反射量的變化。依據反射量的大 小對反射訊號加以調變，只要Tx 資料有 0 或 1 的變化讀卡機便能接 收感應出反射訊號的差異，這與RFID 整體系統的操作方式有很大的 關係。數位訊號輸出 0 或 1 就可以改變整體標籤電路的輸入阻抗，最 後反射調變訊號給讀卡機。
圖3-5 Backscatter 電路圖
3.4.3 CLK Generator 電路
CLK generator 在整體標籤電路最重要的功用是產生數位時脈 與提供數位系統內部所需的操作時序。例如解碼電路需要時脈來辨 識讀卡機所傳送出來指令為寫入或讀取。假使時脈訊號的頻率如果 不準確會造成數位電路解碼上的誤判，或是導致整體數位系統的不 動作。
圖 3-6 所示，U1 為反相器，R1 當作回授電阻讓電路進入直流 工作點，C1 與 C2 是振盪電路所需的負載電容，改變 C1 與 C2 可 以微調CLK 的輸出頻率。
圖3-6 CLK generator 電路圖
3.5 Anti-Collision 數位系統電路介紹
參考「RFID 數位防碰撞系統電路」的系統開立規格，以及使用
同學論文中的 Anti-Collision 數位系統電路[1]，並且另外再加入 Miller-modulated subcarrier 編碼子電路，如圖 3-7 到圖 3-9 所介紹，
多加入一種編碼方式主要為了可與市售讀卡機做溝通，也多一項驗證 通訊協定的方法。之後便可確立防碰撞系統的各級子電路的操作架 構，圖3-10 為「RFID 數位防碰撞系統電路」組成方塊圖。
圖3-7 Miller-modulated subcarrier Basis Functions
圖3-8 Miller-modulated subcarrier Generator State Diagram
圖3-9 Miller-modulated subcarrier Sequences
圖3-10 「RFID 數位防碰撞系統電路」組成方塊圖
3.6 模擬結果
3.6.1 市售標籤電路 50Ω 匹配電路模擬(ADS)
使用VNA 量測市售標籤的 S11 參數，如圖 3-11 所示，並且使用 ADS 軟體模擬將輸入阻抗匹配到 50Ω，匹配電路需要考量傳輸線與 SMD 元件 pad 在電路上造成的影響。[圖 3-12 與圖 3-13]
圖3-11 VNA 量側的 S11
S1P SNP3
File="E:\ADS_Design\Tag_S11_TRL_VNA_CalData\Tag1\DATA08.S1"
1 Ref
MLIN TL10
L=200.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
S1P SNP4
File="E:\ADS_Design\VIA_S11_TRL_VNA_CalData\2\03.S1"
1
Ref
MLIN TL11
L=80.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
VAR VAR1
L1=80 tune{ 40 to 300 by 5.95 } L3=300 tune{ 100 to 400 by 20 } L2=85 tune{ 20 to 200 by 2.1 } Eqn
Var SRLC
SRLC2 C=0.82 pF L=0.65 nH R=0.209 Ohm
SRLC SRLC3
C=12 pF L=0.7 nH R=0.321 Ohm
SRL SRL1 L=11.66 nH R=1.232 Ohm C C1 C=0.2 pF
MSUB MSub1
Rough=0 mil TanD=0.015 T=0.7 mil Cond=1.0E+50 Mur=1 Er=4.2 H=16 mil MSub S_Param
SP1 Step=1 MHz Stop=1.627 GHz Start=203 MHz
S-PARAMETERS Term
Term1 Z=50 Ohm Num=1
MTEE_ADS Tee1
W3=30.0 mil W2=30.0 mil W1=30.0 mil Subst="MSub1"
MLIN TL5 L=14.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MLINTL6
L=14.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MGAP Gap3
S=32.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MLIN TL9
L=L2 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MLIN TL7
L=L1 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MGAP Gap1 S=32.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MLIN TL1 L=14.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MLIN TL2 L=14.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MLIN TL4
L=14.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MLIN TL3
L=14.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
MGAP Gap2
S=32.0 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
DisplayTemplate disptemp2
"Circles_Stability"
"Circles_Ga_NF"
Tem pDis p DisplayTemplate disptemp1
"S_21_11_wZoom"
"S_Params_Quad_dB_Smith"
Tem pDis p Options
Options2
MaxWarnings=10 GiveAllWarnings=yes I_RelTol=1e-6 V_RelTol=1e-6 TopologyCheck=yes Tnom=25 Temp=16.85
OPTIONS MLIN
TL8
L=L3 mil W=30.0 mil Subst="MSub1"
圖3-12 ADS 模擬電路圖
圖3-13 標籤匹配電路模擬結果
3.6.2 天線模擬(HFSS)
天線模擬使用HFSS 做為模擬工具，模擬結果在圖 3-14 與圖 3-15 所示。
nothing (-1.000 to 1.000)
S(1,1)[low_index::high_index] <invalid>gamma_cmplx <invalid>
freq (203.0MHz to 1.627GHz)
S(1,1) m1
m2 m3
m4m5
m1 freq=
S(1,1)=0.001 / -19.785 impedance = 50.103 - j0.037
915.0MHz
m2freq=
S(1,1)=0.336 / -133.894 impedance = 28.103 - j15.332
756.0MHz
m3freq=
S(1,1)=0.335 / -24.970 impedance = 87.953 - j28.044
1.041GHz
m4freq=
S(1,1)=0.034 / -165.071 impedance = 46.839 - j0.814
902.0MHz
m5freq=
S(1,1)=0.033 / 0.823 impedance = 53.435 + j0.051
928.0MHz
Zoomed Forward Transmission, dB Zoomed Input Reflection Coefficient
圖3-14 S11 參數
圖3-15 天線場圖
3.6.3 Anti-Collision 數位系統電路模擬(QuartusⅡ)
Anti-Collision 數位系統電路的模擬，參考同學 EPC Class-1 Generaton-2 Protocol 之無線射頻辨識-數位防碰撞系統設計[1]一起做 系統整合，依照 EPC class-1 generation-2 UHF RFID protocol V1.0.9 標 準模擬操作訊號。圖3-16 為數位電路模擬結果。
圖3-16 「RFID 數位防碰撞系統電路」整體數位系統的模擬結果
第四章 RFID 系統實現與驗證
4.1 市售標籤電路的實現與驗證
圖 4-1 與圖 4-2 為市售標籤電路與市售讀卡機使用 cable 連線做 讀與寫的操作驗證結果圖。
圖4-1 Reader
圖 4-2 Writer
4.2 天線實現圖
圖4-3 天線模擬圖，使用天線模擬軟體再與軟體繪出天線圖，
操作頻率在902~928 MHz。
圖4-3 天線模擬圖
圖4-4 天線完成圖，經實驗測試可與 RFID 標籤電路連接操作 頻率在902~928 MHz。
圖4-4 天線成品
4.3 實現 RFID 前端整合電路
實現整合前端電路其中包含電源電路、可調EPC 碼、解調與 調變電路、POR、CLK 產生電路。圖 4-5 為整合前端電路的實現 圖。
圖4-5 整合前端電路實現圖
圖4-6 與圖 4-7 分別為測試電源電路的輸入電壓(6V)與輸出工 作電壓(5V)。
圖 4-6 輸入電壓 圖 4-7 前端電路工作電壓
圖4-8、圖 4-9 所示，解調電路輸出送給數位電路的訊號。
圖4-8 settling time 解調訊號
圖4-9 command 解調訊號
圖4-10 CLK 電路所產生的時脈訊號，提供數位系統操作編解 碼與操作時序。
圖4-10 時脈訊號
4.4 驗證 EPC class-1 generation-2 UHF RFID
protocol
本節所要介紹的是針對單一標籤在 EPC class-1 generation-2 UHF RFID protocol [2] 驗證的架構與設定以及最後的量測結 果。圖 4-11 是驗證的設定與架構圖，配合前面的 50Ω 匹配標籤
電路，分析讀卡機與標籤的通訊協定。圖4-12 為單一標籤的通訊 協定，在邏輯分析儀上的量測結果。圖 4-13 為 EPC class-1 generation-2 UHF RFID protocol [2] 對單一標籤的溝通動作方式。
圖4-11 Protocol 驗證設定與架構圖
圖4-12 單一標籤 protocol
圖4-13 單一標籤回覆模式
4.5 自製 RFID 標籤系統驗證設定說明
整體標籤電路的驗證設定裝置如下，
1. 安裝 Alien 測試程式的電腦 2. 讀卡機:Alien ALR-9780 3. 衰減器
4. Power Divider 5. 邏輯分析儀 6. 信號產生器 7. 電源供應器
標籤系統驗證流程簡介:
電腦端控制讀卡機發射訊號經過衰減器與 RFID 標籤做連 線，將 Tx、Rx 訊號與邏輯分析儀做連接，由邏輯分析儀分析讀 卡機與標籤的通訊協定與操作方式。最後在驗證電腦螢幕上由 Alien 提供的程式是否有顯示 FPGA 發送出來的 EPC 碼。EPC 碼 可以由開關設定，在未來積體化做成標籤IC，即使用記憶體取代 現有改變EPC 碼的方法。
如圖4-14 RFID 標籤系統驗證設定。
圖4-14 自製 RFID 標籤系統驗證設定
4.6 自製 RFID 標籤系統驗證量測結果
RFID 系統預計的量測結果：標籤電路在加入前端電路與同學 EPC class-1 generaton-2 protocol 之無線射頻辨識-數位防碰撞系統結合 [1]，並連接市售 Alien 讀卡機，可以將 EPC 編碼顯示在螢幕上的測 試程式中。圖4-15 所示為標籤電路包含前端電路加上數位系統的測 試實現電路圖。
圖4-15 自製標籤電路驗證實現圖
圖4-16 到 4-18 所示為 RFID 標籤電路系統驗證量測結果，可設定 的EPC 編碼與實際電腦螢幕顯示的 EPC 碼互相比對無誤。
圖4-16 自製 RFID 標籤系統驗證結果
圖4-17 EPC 碼對照圖
圖4-18 EPC 碼顯示結果圖
4.7 結合天線與整合標籤實現電路圖
圖4-19 顯示使用天線取代 cable 連接前端電路，做實際標籤在整 體系統中的溝通方式。
圖4-19 前端電路整合實現圖
圖4-20 顯示為最後實現測試標籤，在加入天線與前端電路與數位 系統電路的完整標籤圖。
圖4-20 RFID 標籤最後實現電路圖
4.8 EPC class-1 generation-2 UHF RFID 防碰撞
系統驗證實測
圖 4-21 所示，自製標籤與市售Alien EPC class-1 generation-2 標 籤做防碰撞測試，並使用Alien 提供的測試程式能在螢幕上看見 EPC 碼。左邊為市售標籤，右邊為自製的可調EPC 編碼標籤。
圖4-21 與市售標籤做防碰撞實驗結果
圖4-22 所顯示自製可攜式的 RFID 標籤電路與市售讀卡機做連 線，最後在電腦螢幕上可以顯示出來 Gen2 的 EPC 編碼，在實際的狀 況下做量測，最遠可到達1.8 公尺左右。
圖4-22 自製 RFID 標籤測試最遠讀取距離圖
第五章 結論
此篇論文雖然將RFID 標籤系統電路相互整合驗證。但是整體系 統還是有許多需要努力改進的地方，未來預計將前端電路與數位防碰 撞系統電路先分開積體化設計，積體化後整合做為下一階段的目標。
另外列舉未來可以改進的方向:
1. 記憶體(Memory):
此次的設計上並未加入記憶體，如:EEPROM、RAM、
ROM 等，以更符合 EPC class-1 generation-2 UHF RFID 的規格。
2. 讀卡機(Reader):
使用市售的讀卡機做EPC class-1 generation-2 UHF RFID Protocol 的驗證，未來預計使用自製讀卡機做 EPC 規格的驗證，
並且加入一些應用做為設計考量。
3. 讀取率(Reading rate):
提高讀取率與穩定的辨識率是標籤在設定上所必須要克 服的難題，所以在設計上必須要更加努力的研究，如此自製的標 籤才有機會商品化。
4. 應用(Application):
現在RFID 系統的應用上，越來越多人在討論，例如在標 籤中加入感應器(sensor)像是溫度、壓力等等，作為標籤使用上，
更高階的應用，同時增加標籤的附加價值，及更廣泛的應用。
5. 電源電路的考量(Power):
這次標籤電路使用電池取代被動標籤的電源裝置，未來標 籤在被動與積體化的考量上，能夠降低功率消耗，使標籤在工作 時更有效率運作。
參考文獻
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Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz – 960 MHz Version 1.0.9 .
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Generation-2 UHF RFID Conformance Requirements Version 1.0.2 . [6] EPC™ Generation-1 Tag Data Standards Version 1.1 REV.1.27.
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[16]http://www.itri.org.tw/chi/news_events/feature/2004/fe-0930326- p2.jsp 工研院
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Circuits,vol.30,pp.306~309,March 1995.
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