摘 要：根據ISO／IEC 14443一A協議．完成無源電子標簽數字集成電路的設計及其功能測試，實現了對芯片面積、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

    在無線通信中數據的傳輸在空間進行，因此無源電子標簽的數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議有多種，其中ISO／IEC14443協議是目前應用較廣的協議。本文采用這一協議在安全性設計基礎上，完成無源電子標簽數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協議對標簽通信的規(guī)定，本文設計的無源電子標簽數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。

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議控制2個子電路模塊協同完成。主控制子電路模塊用于協調通信安全、信息安全以及存儲等單元中各子電路模塊，為從協議控制子電路模塊做準備；從協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)數為32位，而各子電路模塊的接口總線為8位，為了協調電路系統(tǒng)發(fā)送存儲數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，以暫存數據。
    標簽操作的數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方式設計加密協處理器，使有效數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，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初始置換的功能。考慮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。
    對置換選擇A，將其置換表中的數值分成上下2部分，每部分數據按照每行8位的格式排列，并將上半部分的前4位數據和下半部分的后4位數據合成為1個字節(jié)，而且對經過置換選擇的密鑰進行循環(huán)左移，結構如圖2中的置換選擇A電路結構所示。
4．2 三重相互認證機制
    由于信息安全單元采用對稱密鑰DES密碼體系對數據進行加解密，閱讀器和標簽具有相同的密鑰，因此，可采用基于DES密碼體系的三重認證機制確保數據的真實性。閱讀器和標簽只有經過相互認證后，才能對存儲的數據和參數進行操作，主要步驟包括：
    (1)閱讀器發(fā)送“認證查詢口令”到標簽，標簽產生一隨機數RA，加密后反饋回閱讀器；
    (2)閱讀器產生一隨機數RB，并且使用共同的密鑰K，將RA和RB加密成數據塊Tokenl并發(fā)送給標簽，標簽對收到的Tokenl解密，并將從中取得的RA與原先發(fā)送的RA比較，一致時，將收到的RB加密成數據塊Token2，并反饋回閱讀器，進一步確認雙方的合法身份；
    (3)閱讀器對收到的Token2解密，并將從中取得的RB與原先發(fā)送的RB比較，一致時，則發(fā)送身份確認命令到標簽，標簽響應并確認。

5 驗證平臺
    為檢驗所設計數字集成電路芯片的通信功能，本文設計了相應的驗證平臺，結構如圖3所示。

    測試向量發(fā)生器用于產生各測試向量，為芯片提供輸入信號；閱讀器數據發(fā)送器將測試向量轉換為電子標簽數字集成電路能夠識別的幀格式；響應分析器用于偵查所設計芯片的響應是否為輸入信號要求的反饋。
    針對通信功能，本文對輸入信號組合加于約束，所設計的測試向量集具備如下特征：
    (1)測試校驗出錯情況：當標簽接收數據的校驗碼出錯，測試檢錯功能。
    (2)測試序列號出錯情況：當標簽接收的序列號與期望值不一致，測試檢錯功能。
    (3)測試命令數目出錯情況：當標簽接收的命令數目與期望值不一致，命令數目約束比期望值多或少，測試檢錯功能。
    (4)測試命令出錯情況：當標簽接收命令為當前通信狀態(tài)不能接收的命令，命令約束為其他通信狀態(tài)的操作命令，測試檢錯功能。
    (5)測試命令操作時間間隔出錯情況：當標簽在規(guī)定的時間間隔內接收命令，時間間隔范圍約束為一次操作完成時間和幀保護時間，測試檢錯功能。

6 結 語
    本文采用Synopsys工具，結合中芯國際的0．35μm工藝庫，可以得到本文所設計芯片的面積和功耗如表1、表2所示：

    表1、表2中，工藝庫定義的芯片面積以一個與非門作為單位，因此本文設計芯片的面積為36 877．750 000 μm2，功耗為30．845 8 mw。根據上述驗證平臺和測試向量集，對本文所研制芯片進行通信功能測試，其結果的波形截圖如圖4所示。由圖4可見設計電路能夠檢測出校驗碼、命令數目和命令等出錯情況。