在無線通信中數(shù)據(jù)的傳輸在空間進行,，因此無源電子標簽的數(shù)據(jù)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,。
1 芯片的電路結構
根據(jù)ISO／IEC 14443-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1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),。
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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(jù)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(jù)。
標簽操作的數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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：
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{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(jù)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,。
對置換選擇A,，將其置換表中的數(shù)值分成上下2部分，每部分數(shù)據(jù)按照每行8位的格式排列,，并將上半部分的前4位數(shù)據(jù)和下半部分的后4位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和參數(shù)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(shù)RA,，加密后反饋回閱讀器,；
(2)閱讀器產生一隨機數(shù)RB,，并且使用共同的密鑰K，將RA和RB加密成數(shù)據(jù)塊Token1并發(fā)送給標簽,，標簽對收到的Token1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(shù)據(jù)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(shù)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。
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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(shù)據(jù)發(fā)送器將測試向量轉換為電子標簽數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)目出錯情況：當標簽接收的命令數(shù)目與期望值不一致,，命令數(shù)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：
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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 000μm2,，功耗為30.845 8 mW,。根據(jù)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(shù)目和命令等出錯情況,。綜合上述結果可見,，設計的芯片符合ISO／IEC14443-A協(xié)議，并可以滿足元源電子標簽對通信和信息安全性的雙重要求,。
在無線通信中數(shù)據(jù)的傳輸在空間進行,，因此無源電子標簽的數(shù)據(jù)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,。
1 芯片的電路結構
根據(jù)ISO／IEC 14443-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1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),。
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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(jù)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(jù),。
標簽操作的數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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,。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：
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{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(jù)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,。
對置換選擇A，將其置換表中的數(shù)值分成上下2部分,，每部分數(shù)據(jù)按照每行8位的格式排列,，并將上半部分的前4位數(shù)據(jù)和下半部分的后4位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和參數(shù)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(shù)RA,，加密后反饋回閱讀器,；
(2)閱讀器產生一隨機數(shù)RB，并且使用共同的密鑰K,，將RA和RB加密成數(shù)據(jù)塊Token1并發(fā)送給標簽,，標簽對收到的Token1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(shù)據(jù)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(shù)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,。
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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(shù)據(jù)發(fā)送器將測試向量轉換為電子標簽數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)目出錯情況：當標簽接收的命令數(shù)目與期望值不一致，命令數(shù)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：
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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 000μm2,，功耗為30.845 8 mW。根據(jù)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(shù)目和命令等出錯情況,。綜合上述結果可見，設計的芯片符合ISO／IEC14443-A協(xié)議,，并可以滿足元源電子標簽對通信和信息安全性的雙重要求,。
