摘 要：根據ISO／IEC 14443一A協(xié)議．完成無源電子標簽數(shù)字集成電路的設計及其功能測試，實現(xiàn)了對芯片面積、速度和功耗之間較好的平衡。結果表明，在采用中芯國際的0．35 μm工藝條件下，所研制芯片面積為36 877.75μm2，功耗為30．845 8 mW，可完全滿足協(xié)議對標簽的性能要求。
關鍵詞：RFID ISO／IEC 14443一A；電子標簽；DES

在無線通信中數(shù)據的傳輸在空間進行，因此無源電子標簽的數(shù)據通信涉及通信和信息安全等技術，其中信息的安全性是無源電子標簽設計時需要解決的核心問題。適應于無源電子標簽的通信協(xié)議有多種，其中ISO／IEC14443協(xié)議是目前應用較廣的協(xié)議。本文采用這一協(xié)議在安全性設計基礎上，完成無源電子標簽數(shù)字集成電路芯片的設計。

l 芯片的電路結構
根據ISO／IEC 14443一A協(xié)議對標簽通信的規(guī)定，本文設計的無源電子標簽數(shù)字電路芯片的結構如圖1所示，主要由通信安全、信息安全、存儲以及控制等4個單元組成，圖l同時給出各個單元中所需子電路模塊的組成結構。

由于電子標簽采用的半雙工通信方式，為減小芯片面積，本文采用復用的方法對各單元的子電路模塊進行設計。在信道層次上，將加密／解密子電路模塊復用，將校驗碼的生成和校驗子電路模塊復用；在子電路模塊內部層次上，將計數(shù)器以及鎖存器等電路復用。
電子標簽以被動方式通過天線的感應獲得能量，如果電路的功耗過大，將出現(xiàn)能量不足和信號不穩(wěn)定等狀態(tài)，因此本文采用門控時鐘技術和控制電路節(jié)點跳變方法降低所設計電子標簽的功耗。在結構層次上，以門控時鐘取代原始時鐘，為子電路模塊提供時鐘信號；在子電路模塊內部層次上，控制電路系統(tǒng)內部各觸發(fā)器和鎖存器輸出的跳變次數(shù)。

2 控制單元以及存儲單元
考慮到系統(tǒng)任務的復雜度，控制單元調度任務的工作由主控制和從協(xié)議控制2個子電路模塊協(xié)同完成。主控制子電路模塊用于協(xié)調通信安全、信息安全以及存儲等單元中各子電路模塊，為從協(xié)議控制子電路模塊做準備；從協(xié)議控制子電路模塊用于完成預設的通信方案。
由于本文設定標簽接收和發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)為32位，而各子電路模塊的接口總線為8位，為了協(xié)調電路系統(tǒng)發(fā)送存儲數(shù)據和加密操作的時序，控制單元設置了一由28個字節(jié)構成的寄存器組，作為虛擬RAM，以暫存數(shù)據。
標簽操作的數(shù)據存放在存儲單元的E2PROM電路中，為了與總線接口配合，存儲單元中包含了接口電路，以完成控制單元與E2PROM之間的總線轉換。

3 通信安全單元
在無線通信過程中，由于信號容易受到突發(fā)的偶然因素和系統(tǒng)本身使用特點的影響產生干擾，考慮到電子標簽的半雙工通信方式及其成本，本文在通信安全單元的設計中，采用數(shù)據編碼技術、信道編碼技術和防沖突訪問控制等3種技術進行檢錯。通過改進米勒碼解碼器對接收信號進行解碼，并以曼徹斯特碼編碼器對發(fā)送信號進行編碼。通信安全單元既需要生成信道循環(huán)冗余校驗碼和奇校驗碼，又要對接收的信道校驗碼進行校驗，這2個功能具有相同的電路結構，數(shù)據以比特流的形式傳輸，因此可采用功能復用方法設計循環(huán)冗余校驗和奇校驗模塊子電路。本文同時基于面向位沖突幀的樹型搜索算法的防沖突訪問機制，設計防沖突訪問控制子電路模塊。

4 信息安全單元
對無源電子標簽信息的安全性造成威脅的因素有人為和客觀2種，結合本文研制的電子標簽存儲的數(shù)據量較少特點，信息安全單元可采用如下技術設計：
(1)采用基于DES(Data Encryption Standard)密碼體系的CFB方式設計加密協(xié)處理器，使有效數(shù)據加密后才在信道中傳輸；
(2)采用基于DES密碼體系的三重相互認證機制，使閱讀器和電子標簽可分別確認對方操作的合法性。
4．1 密碼體系的優(yōu)化設計
DES密碼體系CFB方式的設計核心是加密函數(shù)，其結構以及優(yōu)化方案可由圖2所示體系給出。主要包括初始置換、逆初始置換、循環(huán)結構以及置換選擇A的優(yōu)化設計。

如果以連線方法實現(xiàn)初始置換的位映射關系，不僅使版圖的布局布線工作量增大，而且連線占用面積也較大，因此，本文采用移位寄存器方法實現(xiàn)初始置換的功能?？紤]到初始置換表中每一列的值分別對應每一輸入字節(jié)的位2，4，6，8和位1，3，5，7，而且這里設定的接口總線寬為1個字節(jié)，所以可將初始置換表按照如下矩陣進行轉換：{初始置換表}={初始置換的每一列}×{每個字節(jié)由低位到高位排列}
而且，每一位數(shù)據分別存儲在8個移位寄存器的第一個位置，當接收到1個字節(jié)，各移位寄存器的內容均右移一位，于是便可得到圖2中的初始置換電路結構。類似地，逆初始置換也以移位寄存器的方法實現(xiàn)位映射關系。
考慮到研制芯片中時鐘周期的裕度較大，因此，采用兩次循環(huán)結構展開和二級流水線相結合的技術設計循環(huán)結構，實現(xiàn)了在面積和速度上取得較好平衡的目標，其結構的優(yōu)化方法在如圖2中一并給出。