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(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)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(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)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(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)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(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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4.1 標(biāo)簽芯片技術(shù)

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

4.3.1 標(biāo)簽芯片構(gòu)造

標(biāo)簽芯片主要由三部分組成：數(shù)字部分，模擬部分和存儲(chǔ)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(yùn)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(shí)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(gè)標(biāo)簽芯片供電，主頻時(shí)鐘為數(shù)字部分和存儲(chǔ)部分提供系統(tǒng)的震蕩時(shí)鐘，調(diào)制解調(diào)完成標(biāo)簽與閱讀器通信的信號(hào)處理工作。存儲(chǔ)部分為EPC、TID、User等區(qū)的存儲(chǔ)區(qū)，現(xiàn)在的常用存儲(chǔ)器為NVM（非易失性存儲(chǔ)器）或者EEPROM，一般存儲(chǔ)大小為幾百比特。

圖4-28標(biāo)簽芯片電路結(jié)構(gòu)圖

通過圖4-29的標(biāo)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(gè)主要器件：整流器（Rectifier），起前端整流作用；基準(zhǔn)電壓（Vreg），為整個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并控制存儲(chǔ)部分的讀寫操作。最右邊的是EEPROM存儲(chǔ)器（存儲(chǔ)部分），其內(nèi)部有一個(gè)電荷泵升壓電路（Charge Pump），為寫標(biāo)簽時(shí)提供高電壓。

圖4-29標(biāo)簽芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)在的標(biāo)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(biāo)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(gè)晶元盤上有十幾萬同樣的標(biāo)簽芯片。通過對(duì)圖中注釋的分析，可知：芯片的尺寸460μm×505μm；芯片的四個(gè)凸點(diǎn)的位置以及尺寸為60μm×60μm；RF1和RF2凸點(diǎn)是連接天線的，而TP1和TP2兩個(gè)凸點(diǎn)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(chǔ)分區(qū)及操作命令

超高頻RFID的標(biāo)簽芯片需要符合EPC C1Gen2標(biāo)準(zhǔn)（簡稱Gen2 協(xié)議），也就是說所有的超高頻RFID標(biāo)簽芯片內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)大致一樣。如圖4-31所示，標(biāo)簽芯片的存儲(chǔ)區(qū)分為四個(gè)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(biāo)簽芯片存儲(chǔ)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(dāng)使用鎖定命令后，需要通過訪問密碼才可以對(duì)芯片的一些區(qū)域進(jìn)行讀寫。當(dāng)需要?dú)⑺佬酒臅r(shí)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(biāo)簽的信息是EPC信息，之后才能訪問其他存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行訪問。EPC區(qū)分為三個(gè)部分：

CRC16校驗(yàn)部分共16比特，通信時(shí)負(fù)責(zé)校驗(yàn)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(jìn)制數(shù)乘以16為EPC長度，如96比特EPC時(shí)的PC=3000，其前5個(gè)比特為00110，對(duì)應(yīng)十進(jìn)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(dāng)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(shí)的應(yīng)用中經(jīng)常有人搞不清楚EPC中PC的作用，會(huì)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(huì)重點(diǎn)介紹。

Bank 3為用戶存儲(chǔ)區(qū)，該存儲(chǔ)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(chǔ)空間，最常見的存儲(chǔ)空間為128比特或512比特。

在了解了標(biāo)簽的存儲(chǔ)區(qū)之后，需要進(jìn)一步了解Gen2的幾個(gè)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(gè)，且標(biāo)簽的存儲(chǔ)區(qū)狀態(tài)只有兩種：鎖定、未鎖定。

因?yàn)樽x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(duì)四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)共有4個(gè)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(jìn)行鎖定命令。對(duì)應(yīng)四個(gè)區(qū)的操作如表3-1所示。

表3-1鎖定命令與存儲(chǔ)區(qū)

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

表3-2讀命令與存儲(chǔ)區(qū)

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

表3-3寫命令與存儲(chǔ)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(dòng)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(huì)把芯片殺死。如果你想在芯片被殺死后再來溯源獲得這個(gè)芯片的TID號(hào)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(shí)應(yīng)用中盡量不要啟動(dòng)殺死命令。同樣在項(xiàng)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(hù)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(biāo)識(shí)，是伴隨其生命周期的唯一可靠代碼。在這一串?dāng)?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(biāo)簽芯片的標(biāo)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(hào)，64比特能代表的數(shù)字大小為2的64次方。已經(jīng)是一個(gè)天文數(shù)字了，可以把地球上的每一粒沙子都編上號(hào)，所以大家不用擔(dān)心出現(xiàn)重號(hào)的問題。

圖4-32 H3芯片TID

早期的時(shí)候一些廠商的唯一編碼為32比特，其實(shí)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(shí)別編碼的長度都升級(jí)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(hào)，表3-4統(tǒng)計(jì)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(shí)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(qǐng)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(yuǎn)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(huì)有更多的廠商加入到超高頻RFID芯片的行業(yè)中。