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细究EPC Gen2架构特性 掌握RFID晶片/标籤技术


作者:张劭彰 来源:台湾新电子 2006-11-10 10:18:28

摘要:细究EPC Gen2架构特性 掌握RFID晶片/标籤技术

关键词:EPC[141篇]  Gen2[17篇]  RFID芯片[28篇]  

  以供应链应用為主的EPC Class1 Gen2标準底定至今已约一年多,但全球已推出符合此一标準的RFID晶片与标籤產品的业者,仍為数不多,除整体市场供需因素使然外,其晶片设计与封装的困难度高,亦是相关业者所面临的一大挑战。

  无线射频识别系统(RFID)是利用无线电传送辨识资料,主要功能為非接触式的识别码确认。无线射频识别系统主要由读取器(Reader)和电子标籤所组成,标籤则由一颗含唯一识别码(UID)的晶片和天线,经特殊封装技术组装而成。通常无线射频识别依能量供应方式可区分為主动式和被动式两种,主动式具有电池,被动式则无。无线射频识别读取器则由天线、无线电收发模组,以及资料处理模组所构成。

  因為被动式的标籤本身并无电源,其电能须透过读取器供应。一般而言,读取器与标籤主要的互动关係包括:(1)由读取器经由天线将电磁能量传送出去,而标籤则利用本身的天线,接收从读取器所传送的电磁能量,转换為内部晶片工作所需的电能;(2)读取器须接收由电子标籤将内部的识别码经适当处理后所传送出的资料,进行辨识处理;(3)若电子标籤含有可写入的记忆体,读取器可将数据资料传送至电子标籤,进行资料登录作业。

  被动式标籤,因為不含电池,具有使用寿命长、体积小、价格便宜等优点。读取器与电子标籤间,利用防碰撞协定或二进制搜寻法(Binary Search)技术,可同时辨识数十个标籤,使其应用层面大幅提升。由於无线射频识别储存的是数位资料,因此应用端可以利用加密或解密方式达到保密效果,且很适合资讯流通。

 

超高频被动式标籤之基本架构

  超高频被动式标籤使用的频段范围為400M~1GHz,常见的规格為868MHz~950MHz,目前已成為市场主流。其优点為传输速率较快,且因天线可採蚀刻或印刷方式製造,因此成本较低,读取距离约8公尺远,可同时进行大量的标籤读取与辨识。但缺点為在金属与液体的物品上的应用较不理想。现今最主要的应用為航空旅客与行李管理系统、货架及栈板管理、出货管理、物流管理等。

  图1為被动式RFID标籤之基本功能方块图,其细部功能说明如下:

.整流器(Rectifier):利用二极体正向导通原理,将从读取器所送来的弦波经由半波整流以达到检波的作用,如图2示。

.调节器(Regulator):為整个电路电源的核心,目的是產生稳定直流电压,以供给整个标籤运做的能量。

.时脉產生器(CLK GEN):主要是產生数位及记忆体工作时序之参考时脉,以利编解码或状态转换等工作执行。

.数位区块(Digital Block):為整个电路之控制核心,主要是控制标籤操作时序、编解码作业,及保密功能之执行。

.记忆体(Memory):為标籤储存识别码之处。

.解调变(Demodulation):其功能是将读取器送来之调变讯号,还原為数位波形(即还原读取器所发出的命令讯号),以利后端数位电路解码,并分辨命令种类。

  当被动式标籤要回覆资讯给读取器时,并非像主动式标籤一样,利用发射电路发射讯号给读取器,而是利用回散射调变(Backscatter Modulation)方式,将讯号传送至读取器。所谓回散射调变係指当标籤内部的数位电路经1与0编码后,会控制标籤内部电晶体(如图3中N电晶体)打开与关闭,随著电晶体的开与关,将使标籤的天线对读取端所发出的讯号,作讯号的反射或吸收,此即回散射调变机制。

 

EPC Class1 Gen2规范特色

  所有符合电子產品码(Electronic Product Code, EPC)规范的标籤,具有全球统一的标準,亦即其标籤之资料储存格式,与读取器间的通讯协定包括通讯频率、调变方式、传输速度以及指令等,皆採EPC标準规范。而EPC码更為EPC系统中的特别设计,為物件在整个无线射频识别系统中的唯一代号,藉此物件相关资讯得以在全球的EPC网络中存取,进而建立讯息交换标準。

 

EPC编码特性

  EPC码的标示对象,除可包含使用传统条码的物品外,小至物件单一品项、箱子,大至栈板、推车、货柜、货车等,甚至扩及服务项目,皆合适採用,以提供这些实体或虚拟物件,全球唯一的编号。EPC编码具有以下几种特色:

.号码容量大:当EPC码核发后,使用者可依据其產业需要进行后续编码,其容量之大,不仅满足现行的需要,也兼顾未来发展的扩充性。

.独一无二的编码:EPC码的设计,视物件的单一品项為不同的个体。

.可扩充性:由於标头版本及其结构化设计,使EPC码容量极大化,保留许多剩餘空间得以随时扩展编码。

 

EPC通讯协定特性

  表1為EPC通讯规范的主要特色,再此特别针对几项规范技术进行讨论。

.可变资料传送速度

  无线射频识别系统中,如何提高其传输速度以及读取可靠度,為重要的评量点,但此两项数值却无法兼得。换言之,要读取速度快则会牺牲可靠度,反之要增加可靠度,则会牺牲读取率。為解决此问题,EPC规范中,将读取速度交由使用者决定,在没有干扰的环境中,使用者可用最快的读取速度来操作;相对的,若系统操作的环境干扰严重,使用者可调降读取速度,进而提高读取可靠度。

.搜寻标籤之机制-反碰撞搜寻法

  当EPC读取器进行多个标籤读取时,需要一种搜寻标籤之机制,其目的是找到其中一个标籤进行通讯上的沟通,而目前常见的搜寻机制有二进制搜寻法以及反碰撞搜寻法。在EPC通讯规范中是以反碰撞搜寻法作為其搜寻标籤的方式,其方式是在每个标籤中建立一个独立的乱数產生器,当进行多个标籤读取时,其每个标籤的乱数產生器会各產生一组乱数(图4),而此乱数会载入计数器并利用命令同时进行往下数的动作,直到哪个标籤先数到零,则读取器就会跟此标籤进行读取上的沟通。因此,标籤中的乱数產生器的效能便格外重要。如图4中有四个标籤,每个标籤有独立的乱数產生器,当碰撞发生,即代表任两个以上标籤乱数值最小且相同,因此乱数產生器的乱数是否足够乱,将直接影响到标籤搜寻的效率。至於如何防止碰撞,有几个基本的方法:

.加大乱数產生器所產生出的乱数位元

  一般而言,只要乱数產生器位元(Bit)数够大,就能產生较乱的乱数。但其缺点為,若目标只有两个标籤却用10位元宽度去数,则搜寻标籤的速率会差。但此种情形在EPC Gen2规范中并不会发生,因為其规范是让使用者依照目标有多少标籤,来判断计数器须要用几个宽度去数。

.以读取器解碰撞讯号

  用此种方式解碰撞讯号,大多是碰撞时的讯号会以先后次序传送到读取器,故只须把前后次序讯号分析后即可解决,但缺点是读取器电路会变复杂,且若碰撞前后讯号重叠,仍然无法解决。

.重排

  当碰撞发生后读取器就发出命令,通知标籤的乱数產生器,重新產生一组新的乱数,此方法的缺点是若每次所產生出来的乱数只要有两组相同,则此搜寻就无法成功。

 

先进旗标操作模式

  EPC Gen2规范定义了五种旗标以及三种操作模式,其目的是将目标所有的标籤「分类」,以加速读取效率和防止环境的杂讯干扰,来增加读取可靠度。表2為EPC规范中定义的旗标之动作意义,其中S0為使用者自行定义其动作,而S1定义标籤有电与没电时的动作,S2、S3、SL定义了没电时的动作,而其动作原因详述如下:

.S1旗标有电时的操作模式:在经过时间T的范围后,S1旗标必须转态,而此操作的用意為「再分类」。如当目标有1,000个标籤,则计数器可能需要较宽的位元数去数,使排序效率不佳,解决的方式可以把目标1,000个标籤分成两分,各500个标籤,即可不需要太宽的位元数去数。因此,假设刚开始时读取器发出S1=A的命令,则此时所有的标籤S1旗标都等於A。一直持续到五秒后,开始產生变化-最初时间為0时,之前设定旗标等於A的标籤,开始由A变成B,则其结果会从原本只有S1=A的一种标籤,变成S1=A以及S1=B两种标籤(图5)。

.S1、S2、S3、SL旗标无电时的操作模式:标籤由有电到没电后,至少须在经过时间K的范围内,其所指定的旗标必须维持先前的数值,而此操作的用意,在於避免外界干扰而使得标籤操作重新再开始。

例如当读取器正在读取某一标籤时,突然因為某些环境因素,以致於此标籤在某个短暂时间内,无法接收到读取器能量,如图6所示,则正常情况读取器就必须重新再利用搜寻机制,寻找此一标籤。但若先设定S2旗标=B,只要此标籤无法接收能量的时间小於K秒,则利用搜寻指令找S2旗标=B,即可立即找到先前失去能量的标籤。

 

Gen2标籤实现的困难点

  目前EPC Class1 Gen2标籤主要有两项技术困难点,一為电路设计,二為标籤的封装与测试。

在电路设计方面,主要包括类比、数位及记忆体等电路设计的技术障碍。类比电路须强调微瓦级(μWatts)的低功耗设计、高效率电压供应(降低射频能量转成电压的损失),及準确的延迟电路设计(用於旗标,维持约4秒暂态);数位电路除同样强调低功耗外,也要注意乱数產生器是否够乱,同时要选择使用保险丝架构,抑或状态控制器来达成自杀功能;至於记忆体电路,由於目前可用在无线射频识别晶片的可重覆读写(MTP)记忆体技术,大多掌握在国外业者手中,因而形成不小的进入门槛。

  至於标籤封测方面,传统上,是以增加晶片测试点,利用探针卡的点针来进行晶片测试,但容易增加晶片面积与成本。目前已有业者不在晶片上製作测试点,而利用读取器来测试及验证功能,但如此将无法做完整的测试,可能影响晶片可靠度。

  而在晶片封装上,传统作法是在接点上加锡球(Solder Bump),但缺点是限制了切割道与裸晶(Die)间的距离(如图7中A的距离),无法在晶圆(Wafer)上製作更多晶片。现今已有业者採用不加锡球的方式,但效果仍视各公司的技术而定;此外,採用晶片到模组(图8)与模组到天线(图9)(Chip-To-Module,Module-To-Antenna)两阶段标籤製作方式,可使标籤使用寿命较长,可靠度佳,但製造时间较久,单位时间產量受限,增加製造成本。因此,目前国内外许多业者都正在开发晶片直接接上天线(Chip-To-Antenna)的技术,将有助提升单位时间產量,进而降低标籤生產成本。

 

(本文作者任职於工研院无线辨识科技中心)

(详细图表请见新电子244期7月号)

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