細(xì)究EPC Gen2架構(gòu)特性 掌握RFID晶片/標(biāo)籤技術(shù)

　　以供應(yīng)鏈應(yīng)用為主的EPC Class1 Gen2標(biāo)準(zhǔn)底定至今已約一年多，但全球已推出符合此一標(biāo)準(zhǔn)的RFID晶片與標(biāo)籤產(chǎn)品的業(yè)者，仍為數(shù)不多，除整體市場(chǎng)供需因素使然外，其晶片設(shè)計(jì)與封裝的困難度高，亦是相關(guān)業(yè)者所面臨的一大挑戰(zhàn)。

　　無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)是利用無(wú)線電傳送辨識(shí)資料，主要功能為非接觸式的識(shí)別碼確認(rèn)。無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由讀取器(Reader)和電子標(biāo)籤所組成，標(biāo)籤則由一顆含唯一識(shí)別碼(UID)的晶片和天線，經(jīng)特殊封裝技術(shù)組裝而成。通常無(wú)線射頻識(shí)別依能量供應(yīng)方式可區(qū)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，主動(dòng)式具有電池，被動(dòng)式則無(wú)。無(wú)線射頻識(shí)別讀取器則由天線、無(wú)線電收發(fā)模組，以及資料處理模組所構(gòu)成。

　　因?yàn)楸粍?dòng)式的標(biāo)籤本身并無(wú)電源，其電能須透過(guò)讀取器供應(yīng)。一般而言，讀取器與標(biāo)籤主要的互動(dòng)關(guān)係包括：(1)由讀取器經(jīng)由天線將電磁能量傳送出去，而標(biāo)籤則利用本身的天線，接收從讀取器所傳送的電磁能量，轉(zhuǎn)換為內(nèi)部晶片工作所需的電能；(2)讀取器須接收由電子標(biāo)籤將內(nèi)部的識(shí)別碼經(jīng)適當(dāng)處理后所傳送出的資料，進(jìn)行辨識(shí)處理；(3)若電子標(biāo)籤含有可寫(xiě)入的記憶體，讀取器可將數(shù)據(jù)資料傳送至電子標(biāo)籤，進(jìn)行資料登錄作業(yè)。

　　被動(dòng)式標(biāo)籤，因?yàn)椴缓姵?，具有使用壽命長(zhǎng)、體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。讀取器與電子標(biāo)籤間，利用防碰撞協(xié)定或二進(jìn)制搜尋法(Binary Search)技術(shù)，可同時(shí)辨識(shí)數(shù)十個(gè)標(biāo)籤，使其應(yīng)用層面大幅提升。由於無(wú)線射頻識(shí)別儲(chǔ)存的是數(shù)位資料，因此應(yīng)用端可以利用加密或解密方式達(dá)到保密效果，且很適合資訊流通。

超高頻被動(dòng)式標(biāo)籤之基本架構(gòu)

　　超高頻被動(dòng)式標(biāo)籤使用的頻段范圍為400M～1GHz，常見(jiàn)的規(guī)格為868MHz～950MHz，目前已成為市場(chǎng)主流。其優(yōu)點(diǎn)為傳輸速率較快，且因天線可採(cǎi)蝕刻或印刷方式製造，因此成本較低，讀取距離約8公尺遠(yuǎn)，可同時(shí)進(jìn)行大量的標(biāo)籤讀取與辨識(shí)。但缺點(diǎn)為在金屬與液體的物品上的應(yīng)用較不理想?，F(xiàn)今最主要的應(yīng)用為航空旅客與行李管理系統(tǒng)、貨架及棧板管理、出貨管理、物流管理等。

　　圖1為被動(dòng)式RFID標(biāo)籤之基本功能方塊圖，其細(xì)部功能說(shuō)明如下：

．整流器(Rectifier)：利用二極體正向?qū)ㄔ?，將從讀取器所送來(lái)的弦波經(jīng)由半波整流以達(dá)到檢波的作用，如圖2示。

．調(diào)節(jié)器(Regulator)：為整個(gè)電路電源的核心，目的是產(chǎn)生穩(wěn)定直流電壓，以供給整個(gè)標(biāo)籤運(yùn)做的能量。

．時(shí)脈產(chǎn)生器(CLK GEN)：主要是產(chǎn)生數(shù)位及記憶體工作時(shí)序之參考時(shí)脈，以利編解碼或狀態(tài)轉(zhuǎn)換等工作執(zhí)行。

．?dāng)?shù)位區(qū)塊(Digital Block)：為整個(gè)電路之控制核心，主要是控制標(biāo)籤操作時(shí)序、編解碼作業(yè)，及保密功能之執(zhí)行。

．記憶體(Memory)：為標(biāo)籤儲(chǔ)存識(shí)別碼之處。

．解調(diào)變(Demodulation)：其功能是將讀取器送來(lái)之調(diào)變訊號(hào)，還原為數(shù)位波形(即還原讀取器所發(fā)出的命令訊號(hào))，以利后端數(shù)位電路解碼，并分辨命令種類(lèi)。

　　當(dāng)被動(dòng)式標(biāo)籤要回覆資訊給讀取器時(shí)，并非像主動(dòng)式標(biāo)籤一樣，利用發(fā)射電路發(fā)射訊號(hào)給讀取器，而是利用回散射調(diào)變(Backscatter Modulation)方式，將訊號(hào)傳送至讀取器。所謂回散射調(diào)變係指當(dāng)標(biāo)籤內(nèi)部的數(shù)位電路經(jīng)1與0編碼后，會(huì)控制標(biāo)籤內(nèi)部電晶體(如圖3中N電晶體)打開(kāi)與關(guān)閉，隨著電晶體的開(kāi)與關(guān)，將使標(biāo)籤的天線對(duì)讀取端所發(fā)出的訊號(hào)，作訊號(hào)的反射或吸收，此即回散射調(diào)變機(jī)制。

EPC Class1 Gen2規(guī)范特色

　　所有符合電子產(chǎn)品碼(Electronic Product Code, EPC)規(guī)范的標(biāo)籤，具有全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，亦即其標(biāo)籤之資料儲(chǔ)存格式，與讀取器間的通訊協(xié)定包括通訊頻率、調(diào)變方式、傳輸速度以及指令等，皆採(cǎi)EPC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。而EPC碼更為EPC系統(tǒng)中的特別設(shè)計(jì)，為物件在整個(gè)無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)中的唯一代號(hào)，藉此物件相關(guān)資訊得以在全球的EPC網(wǎng)絡(luò)中存取，進(jìn)而建立訊息交換標(biāo)準(zhǔn)。

EPC編碼特性

　　EPC碼的標(biāo)示對(duì)象，除可包含使用傳統(tǒng)條碼的物品外，小至物件單一品項(xiàng)、箱子，大至棧板、推車(chē)、貨柜、貨車(chē)等，甚至擴(kuò)及服務(wù)項(xiàng)目，皆合適採(cǎi)用，以提供這些實(shí)體或虛擬物件，全球唯一的編號(hào)。EPC編碼具有以下幾種特色：

．號(hào)碼容量大：當(dāng)EPC碼核發(fā)后，使用者可依據(jù)其產(chǎn)業(yè)需要進(jìn)行后續(xù)編碼，其容量之大，不僅滿(mǎn)足現(xiàn)行的需要，也兼顧未來(lái)發(fā)展的擴(kuò)充性。

．獨(dú)一無(wú)二的編碼：EPC碼的設(shè)計(jì)，視物件的單一品項(xiàng)為不同的個(gè)體。

．可擴(kuò)充性：由於標(biāo)頭版本及其結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使EPC碼容量極大化，保留許多剩餘空間得以隨時(shí)擴(kuò)展編碼。

EPC通訊協(xié)定特性

　　表1為EPC通訊規(guī)范的主要特色，再此特別針對(duì)幾項(xiàng)規(guī)范技術(shù)進(jìn)行討論。

．可變資料傳送速度

　　無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)中，如何提高其傳輸速度以及讀取可靠度，為重要的評(píng)量點(diǎn)，但此兩項(xiàng)數(shù)值卻無(wú)法兼得。換言之，要讀取速度快則會(huì)犧牲可靠度，反之要增加可靠度，則會(huì)犧牲讀取率。為解決此問(wèn)題，EPC規(guī)范中，將讀取速度交由使用者決定，在沒(méi)有干擾的環(huán)境中，使用者可用最快的讀取速度來(lái)操作；相對(duì)的，若系統(tǒng)操作的環(huán)境干擾嚴(yán)重，使用者可調(diào)降讀取速度，進(jìn)而提高讀取可靠度。

．搜尋標(biāo)籤之機(jī)制－反碰撞搜尋法

　　當(dāng)EPC讀取器進(jìn)行多個(gè)標(biāo)籤讀取時(shí)，需要一種搜尋標(biāo)籤之機(jī)制，其目的是找到其中一個(gè)標(biāo)籤進(jìn)行通訊上的溝通，而目前常見(jiàn)的搜尋機(jī)制有二進(jìn)制搜尋法以及反碰撞搜尋法。在EPC通訊規(guī)范中是以反碰撞搜尋法作為其搜尋標(biāo)籤的方式，其方式是在每個(gè)標(biāo)籤中建立一個(gè)獨(dú)立的亂數(shù)產(chǎn)生器，當(dāng)進(jìn)行多個(gè)標(biāo)籤讀取時(shí)，其每個(gè)標(biāo)籤的亂數(shù)產(chǎn)生器會(huì)各產(chǎn)生一組亂數(shù)(圖4)，而此亂數(shù)會(huì)載入計(jì)數(shù)器并利用命令同時(shí)進(jìn)行往下數(shù)的動(dòng)作，直到哪個(gè)標(biāo)籤先數(shù)到零，則讀取器就會(huì)跟此標(biāo)籤進(jìn)行讀取上的溝通。因此，標(biāo)籤中的亂數(shù)產(chǎn)生器的效能便格外重要。如圖4中有四個(gè)標(biāo)籤，每個(gè)標(biāo)籤有獨(dú)立的亂數(shù)產(chǎn)生器，當(dāng)碰撞發(fā)生，即代表任兩個(gè)以上標(biāo)籤亂數(shù)值最小且相同，因此亂數(shù)產(chǎn)生器的亂數(shù)是否足夠亂，將直接影響到標(biāo)籤搜尋的效率。至於如何防止碰撞，有幾個(gè)基本的方法：

．加大亂數(shù)產(chǎn)生器所產(chǎn)生出的亂數(shù)位元

　　一般而言，只要亂數(shù)產(chǎn)生器位元(Bit)數(shù)夠大，就能產(chǎn)生較亂的亂數(shù)。但其缺點(diǎn)為，若目標(biāo)只有兩個(gè)標(biāo)籤卻用10位元寬度去數(shù)，則搜尋標(biāo)籤的速率會(huì)差。但此種情形在EPC Gen2規(guī)范中并不會(huì)發(fā)生，因?yàn)槠湟?guī)范是讓使用者依照目標(biāo)有多少標(biāo)籤，來(lái)判斷計(jì)數(shù)器須要用幾個(gè)寬度去數(shù)。

．以讀取器解碰撞訊號(hào)

　　用此種方式解碰撞訊號(hào)，大多是碰撞時(shí)的訊號(hào)會(huì)以先后次序傳送到讀取器，故只須把前后次序訊號(hào)分析后即可解決，但缺點(diǎn)是讀取器電路會(huì)變復(fù)雜，且若碰撞前后訊號(hào)重疊，仍然無(wú)法解決。

．重排

　　當(dāng)碰撞發(fā)生后讀取器就發(fā)出命令，通知標(biāo)籤的亂數(shù)產(chǎn)生器，重新產(chǎn)生一組新的亂數(shù)，此方法的缺點(diǎn)是若每次所產(chǎn)生出來(lái)的亂數(shù)只要有兩組相同，則此搜尋就無(wú)法成功。

先進(jìn)旗標(biāo)操作模式

　　EPC Gen2規(guī)范定義了五種旗標(biāo)以及三種操作模式，其目的是將目標(biāo)所有的標(biāo)籤「分類(lèi)」，以加速讀取效率和防止環(huán)境的雜訊干擾，來(lái)增加讀取可靠度。表2為EPC規(guī)范中定義的旗標(biāo)之動(dòng)作意義，其中S0為使用者自行定義其動(dòng)作，而S1定義標(biāo)籤有電與沒(méi)電時(shí)的動(dòng)作，S2、S3、SL定義了沒(méi)電時(shí)的動(dòng)作，而其動(dòng)作原因詳述如下：

．S1旗標(biāo)有電時(shí)的操作模式：在經(jīng)過(guò)時(shí)間T的范圍后，S1旗標(biāo)必須轉(zhuǎn)態(tài)，而此操作的用意為「再分類(lèi)」。如當(dāng)目標(biāo)有1,000個(gè)標(biāo)籤，則計(jì)數(shù)器可能需要較寬的位元數(shù)去數(shù)，使排序效率不佳，解決的方式可以把目標(biāo)1,000個(gè)標(biāo)籤分成兩分，各500個(gè)標(biāo)籤，即可不需要太寬的位元數(shù)去數(shù)。因此，假設(shè)剛開(kāi)始時(shí)讀取器發(fā)出S1=A的命令，則此時(shí)所有的標(biāo)籤S1旗標(biāo)都等於A。一直持續(xù)到五秒后，開(kāi)始產(chǎn)生變化－最初時(shí)間為0時(shí)，之前設(shè)定旗標(biāo)等於A的標(biāo)籤，開(kāi)始由A變成B，則其結(jié)果會(huì)從原本只有S1=A的一種標(biāo)籤，變成S1=A以及S1=B兩種標(biāo)籤(圖5)。

．S1、S2、S3、SL旗標(biāo)無(wú)電時(shí)的操作模式：標(biāo)籤由有電到?jīng)]電后，至少須在經(jīng)過(guò)時(shí)間K的范圍內(nèi)，其所指定的旗標(biāo)必須維持先前的數(shù)值，而此操作的用意，在於避免外界干擾而使得標(biāo)籤操作重新再開(kāi)始。

例如當(dāng)讀取器正在讀取某一標(biāo)籤時(shí)，突然因?yàn)槟承┉h(huán)境因素，以致於此標(biāo)籤在某個(gè)短暫時(shí)間內(nèi)，無(wú)法接收到讀取器能量，如圖6所示，則正常情況讀取器就必須重新再利用搜尋機(jī)制，尋找此一標(biāo)籤。但若先設(shè)定S2旗標(biāo)=B，只要此標(biāo)籤無(wú)法接收能量的時(shí)間小於K秒，則利用搜尋指令找S2旗標(biāo)=B，即可立即找到先前失去能量的標(biāo)籤。

Gen2標(biāo)籤實(shí)現(xiàn)的困難點(diǎn)

　　目前EPC Class1 Gen2標(biāo)籤主要有兩項(xiàng)技術(shù)困難點(diǎn)，一為電路設(shè)計(jì)，二為標(biāo)籤的封裝與測(cè)試。

在電路設(shè)計(jì)方面，主要包括類(lèi)比、數(shù)位及記憶體等電路設(shè)計(jì)的技術(shù)障礙。類(lèi)比電路須強(qiáng)調(diào)微瓦級(jí)(μWatts)的低功耗設(shè)計(jì)、高效率電壓供應(yīng)(降低射頻能量轉(zhuǎn)成電壓的損失)，及準(zhǔn)確的延遲電路設(shè)計(jì)(用於旗標(biāo)，維持約4秒暫態(tài))；數(shù)位電路除同樣強(qiáng)調(diào)低功耗外，也要注意亂數(shù)產(chǎn)生器是否夠亂，同時(shí)要選擇使用保險(xiǎn)絲架構(gòu)，抑或狀態(tài)控制器來(lái)達(dá)成自殺功能；至於記憶體電路，由於目前可用在無(wú)線射頻識(shí)別晶片的可重覆讀寫(xiě)(MTP)記憶體技術(shù)，大多掌握在國(guó)外業(yè)者手中，因而形成不小的進(jìn)入門(mén)檻。

　　至於標(biāo)籤封測(cè)方面，傳統(tǒng)上，是以增加晶片測(cè)試點(diǎn)，利用探針卡的點(diǎn)針來(lái)進(jìn)行晶片測(cè)試，但容易增加晶片面積與成本。目前已有業(yè)者不在晶片上製作測(cè)試點(diǎn)，而利用讀取器來(lái)測(cè)試及驗(yàn)證功能，但如此將無(wú)法做完整的測(cè)試，可能影響晶片可靠度。

　　而在晶片封裝上，傳統(tǒng)作法是在接點(diǎn)上加錫球(Solder Bump)，但缺點(diǎn)是限制了切割道與裸晶(Die)間的距離(如圖7中A的距離)，無(wú)法在晶圓(Wafer)上製作更多晶片?，F(xiàn)今已有業(yè)者採(cǎi)用不加錫球的方式，但效果仍視各公司的技術(shù)而定；此外，採(cǎi)用晶片到模組(圖8)與模組到天線(圖9)(Chip-To-Module，Module-To-Antenna)兩階段標(biāo)籤製作方式，可使標(biāo)籤使用壽命較長(zhǎng)，可靠度佳，但製造時(shí)間較久，單位時(shí)間產(chǎn)量受限，增加製造成本。因此，目前國(guó)內(nèi)外許多業(yè)者都正在開(kāi)發(fā)晶片直接接上天線(Chip-To-Antenna)的技術(shù)，將有助提升單位時(shí)間產(chǎn)量，進(jìn)而降低標(biāo)籤生產(chǎn)成本。

(本文作者任職於工研院無(wú)線辨識(shí)科技中心)

(詳細(xì)圖表請(qǐng)見(jiàn)新電子244期7月號(hào))