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基于ISO/IEC15693标准的高安全性电子标签芯片关键技术研究

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摘要

1绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2高频电子标签芯片研究现状

1.2.1高频电子标签相关标准

1.2.2高频电子标签芯片技术

1.2.3高安全性电子标签技术

1.3论文的主要研究内容与贡献

1.4论文的组织架构

2高频电子标签芯片系统设计

2.1高频射频识别系统架构原理

2.1.1高频射频识别系统组成

2.1.2高频射频识别系统能量传输

2.1.3电子标签到读写器的数据传输

2.2 ISO/IEC 15693协议简介

2.2.1物理特性

2.2.2空气接口与初始化

2.2.3防冲突与传输协议

2.3高频电子标签芯片整体架构设计

2.4本章小结

3高频电子标签芯片模拟前端关键模块设计

3.1模拟前端系统架构设计

3.2低功耗基准电流源设计

3.2.1基准电流源温度补偿原理

3.2.2片上电阻的温度特性分析

2.2.3温度补偿电路分析

3.2.4基准电流源设计

3.2.5基准电流源仿真结果

3.3低功耗动态锁存比较器设计

3.3.1传统动态锁存比较器工作原理

3.3.2改进型动态锁存比较器设计

3.3.3动态锁存比较器电路仿真结果

3.3.4动态锁存比较器版图设计

3.4基于引脚互连状态检测电路的防伪验证机制设计

3.4.1标签出厂环节引脚互连状态检测

3.4.2标签真伪验证检测

3.5标签芯片模拟前端其他关键电路设计

3.5.1整流电路设计

3.5.2解调电路设计

3.5.3上电复位电路设计

3.5.4时钟电路设计

3.5.5稳压电路设计

3.6本章小结

4高频电子标签芯片数字基带电路关键模块设计

4.1数字基带电路架构设计

4.2同步模块设计

4.3解码模块设计

4.4主状态机设计

4.5编码模块设计

4.6加密模块设计

4.7本章小结

5标签芯片模拟前端整体后仿真与FPGA原型验证

5.1模拟前端电路顶层版图设计与测试PCB设计

5.2模拟前端后仿真

5.3标签芯片数字基带电路FPGA原型验证

5.4本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

个人简介、在校期间发表的学术论文与研究成果

致谢

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摘要

射频自动识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种将无线射频信号相互耦合实现无接触识别的技术。随着物联网(Internet of Things,IoT)技术的迅猛发展,RFID电子标签以其低成本、存储量大、识别距离远等特点,在各个领域得到了广泛的应用。本论文从现有RFID电子标签商品防伪技术无法有效防范标签芯片信息被复制或者回收标签进行伪造的问题出发,对高频电子标签芯片的关键技术进行相关研究。  本论文首先对高频电子标签芯片的研究现状以及高安全性电子标签技术进行分析,在研究高频RFID系统能量与数据传输原理的基础上,结合ISO/IEC15693协议相关内容,提出了可用于防伪领域的电子标签芯片架构。然后,对标签芯片模拟前端关键电路进行研究,利用片上电阻和MOS管阈值电压的温度特性在工艺偏差下较稳定的特点,提出了一种新型的基准电流源结构,得到了不同工艺角下均具有良好温度特性的基准电流;对标签芯片的硬件防伪技术进行研究,设计了一种基于引脚互连信息状态检测的硬件防伪电路,提出了一种利用该电路的标签芯片防伪验证机制;对低功耗锁存比较器技术进行研究,优化设计了比较器电路的再生级模块,在提高比较器速度的同时降低了电路的功耗;完成了模拟前端中整流限幅电路、解调电路、上电复位电路、时钟电路以及稳压电路等模块的设计、仿真与优化,同时给出了仿真结果与部分模块的版图设计。其次,在对协议深入分析的基础上,对标签芯片的数字基带电路架构进行了设计,给出了同步、解码、主状态机、编码等模块设计思想与实现方式;在数字基带电路中引入加密模块,增强了标签芯片数据通讯的安全性,提出了一种利用加解密变量实现标签真伪验证的方法。最后,本文采用0.18μm CMOS工艺完成了标签芯片模拟前端的版图设计与后仿真分析,同时对数字基带电路进行了FPGA原型验证,后仿真与验证结果表明各模块的功能满足设计需求。  综上,本文采用模块化设计思想和自顶向下的设计方法,通过理论分析、仿真与测试验证,完成了基于ISO/IEC15693协议的高安全性电子标签芯片的设计工作。

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