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符合ISO/IEC 18000-6C标准UHF RFID阅读器数字基带系统ASIC设计

作　者: 刘静
导　师: 赖宗声
学　校: 华东师范大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 超高频射频识别技术阅读器数字基带 ISO/IEC18000-6C 专用集成电路物理设计
分类号: TP391.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

物联网(Internet of Things, IoT)是目前信息网络化发展的重要趋势,被称为计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。作为物联网发展的关键技术,射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)成为了市场最为关注的技术。近年来射频识别技术的研究和开发也正突飞猛进的发展,RFID阅读器在射频识别系统中起着举足轻重的作用,它是负责读取或写入标签信息的设备。UHF(超高频)频段是RFID应用最广泛的频段,其最新的协议是EPC global C1G2,已被国际标准组织纳入ISO/IEC 18000-6C标准。目前国内外的产业界和学术界都致力于单芯片的UHF RFID阅读器系统的开发,而将数字基带模块与模拟射频模块集成的SoC单芯片的UHF RFID阅读器产品还很少。本文主要研究了可应用于单芯片UHF RFID阅读器SoC系统中的UHF RFID阅读器数字基带系统,进行了相关的电路设计、FPGA验证及ASIC设计。本文的主要研究目标和研究成果如下：1)完善了基于ISO/IEC 18000-6C标准的UHF RFID阅读器数字基带系统的电路设计,发送链路采用PIE编码方式,数据速率为40kbps,发出I/Q两路正交信号供模拟射频模块ASK调制,接收采用FM0译码方式,数据速率为80kbps,接收标签返回的经模拟射频模块ASK解调的信号；2)为实现SoC单芯片UHF RFID阅读器,在现有研究结果的基础上,提出增加串口控制器来实现阅读器数字基带与外部控制器之间的通信,可以在PC端通过UART串口通信控制RFID阅读器数字基带的工作方式,包括状态机的跳转,指定发送命令及发送数据等,使本文设计的阅读器可以适应多种不同的应用场合；标签返回的信息可以发送到PC上实时显示,且可以存储下来；3)将UHF RFID阅读器数字基带FPGA实现与阅读器射频、模拟电路搭建板级电路,与天线和标签组成测试系统,阅读器数字基带控制UHF RFID阅读器系统发出信号通过天线发送给标签,并能收到标签反射回来的信号,成功对标签进行访问；4)在对UHF RFID阅读器数字基带进行RTL设计和FPGA验证的基础上,采用CMOS 0.13μm RF数模混合工艺以及业内先进的EDA工具进行了从综合、形式验证、静态时序分析到布局布线的ASIC设计实现,PR后的网表提取寄生参数做后仿真和静态时序验证sign-off,生成符合流片需要的GSDⅡ文件,芯片面积为2*2mm2：5)在ASIC前端设计以及物理实现的过程中,引入了多种先进的低功耗设计方法,如门控时钟等,使UHF RFID数字基带功耗比之前降低了50%。本文所设计的UHF RFID数字基带可形成一款IP,应用于SoC单芯片RFID阅读器系统设计研究中,为深入研究RFID技术和物联网技术奠定了基础。本论文研究受“核心电子器件、高端通用芯片以及基础软件产品”国家重大专项中《嵌入式多模、多频收发器关键IP硬核研究》项目的资助(项目编号：2009ZX01034-002-002-001-02)。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-12
第一章引言  12-20
  1.1 研究背景  12-14
    1.1.1 物联网的发展  12-13
    1.1.2 RFID技术在物联网中的应用  13-14
  1.2 RFID的频段分类及标准  14-17
  1.3 UHF RFID系统产业界和学术界的研发现状  17-18
  1.4 本文的主要工作和组织结构  18-20
第二章 UHF RFID阅读器数字基带系统的设计  20-41
  2.1 UHF RFID阅读器系统和数字基带系统  20-22
  2.2 UHF RFID阅读器数字基带发送链路  22-29
    2.2.1 信号编码模块的设计  22-26
    2.2.2 波形整形电路的设计  26-28
    2.2.3 发送链路的仿真验证  28-29
  2.3 UHF RFID阅读器数字基带接收链路  29-32
    2.3.1 信号译码模块的设计  29-30
    2.3.2 信道滤波器的设计  30-32
    2.3.3 接收链路的仿真验证  32
  2.4 数字基带控制单元设计  32-34
  2.5 UHF RFID阅读器UART通信单元的设计  34-40
    2.5.1 UART接口和RS232通信协议  34-36
    2.5.2 串口通信模块的设计  36-37
    2.5.3 串口通信模块的仿真验证  37-40
  2.6 本章小结  40-41
第三章 UHF RFID阅读器数字基带FGPA实现及系统验证  41-48
  3.1 RFID阅读器系统模拟、射频关键模块的介绍  41-42
  3.2 RFID阅读器系统测试方案及平台  42-43
  3.3 RFID阅读器系统测试结果  43-47
    3.3.1 PC与RFID的通信结果  43
    3.3.2 UHF RFID阅读器发送数据测试  43-45
    3.3.3 RFID阅读器接收数据测试  45-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章 UHF RFID阅读器数字基带系统的ASIC设计  48-75
  4.1 UHF RFID数字基带系统的综合  48-50
  4.2 静态时序分析和形式验证  50-52
  4.3 数字基带系统的物理设计实现  52-73
    4.3.1 物理设计流程  52-54
    4.3.2 RFID数字基带芯片的布图规划和电源规划  54-61
    4.3.3 布局(Place)  61-63
    4.3.4 时钟树综合(CTS)  63-68
    4.3.5 布线(Routing)  68-71
    4.3.6 信号完整性(Signal Integrity)分析  71-73
    4.3.7 DRC和LVS  73
  4.4 布线后仿真  73-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章 UHF RFID阅读器数字基带ASIC设计采用的低功耗设计方法  75-86
  5.1 芯片功耗的起源和组成  75-77
    5.1.1 静态功耗  75-76
    5.1.2 动态功耗  76-77
  5.2 低功耗设计流程  77-79
  5.3 本设计中采用的低功耗设计方法  79-85
    5.3.1 门控时钟  79-83
    5.3.2 电路动态调整  83-84
    5.3.3 降低系统工作频率  84
    5.3.4 时钟树优化  84
    5.3.5 门级功耗优化  84-85
  5.4 本章小结  85-86
第六章总结与展望  86-88
  6.1 本文小结  86-87
  6.2 工作展望  87-88
附录  88-89
  攻读硕士期间发表的学术论文  88
  攻读硕士期间申请的发明专利  88-89
参考文献  89-92
致谢  92

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