探索NXP UCODE G2XM和G2XL：超高频RFID芯片的卓越之选

在当今的科技领域，超高频（UHF）射频识别（RFID）技术正发挥着越来越重要的作用。NXP Semiconductors的UCODE G2XM和G2XL芯片，作为该领域的佼佼者，为供应链管理、物流追踪等诸多应用提供了强大的支持。今天，我们就来深入了解一下这两款芯片的特点、应用及技术细节。

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一、芯片概述

UCODE G2XM和G2XL是NXP Semiconductors UCODE产品家族中的成员，专门为无源、智能标签和标签设计，支持EPCglobal Class 1 Generation 2 UHF RFID标准。该标准推动了UHF RFID技术在无源智能标签和标签中的大规模商业应用。这两款芯片特别适用于需要数米操作距离和高抗冲突率的应用场景，无需外部电源，通过与询问器（阅读器）的无线通信实现数据传输。

二、特性与优势

2.1 关键特性

• 内存配置：G2XM拥有512位用户内存，此外，两款芯片都具备240位的EPC内存和64位标签标识符（TID），其中包含32位唯一序列号。
• 安全保护：提供内存读取保护功能，同时具备32位销毁密码和32位访问密码，分别用于永久禁用标签和进入安全传输状态。
• 功能指令：支持EAS（电子商品防盗）命令和校准命令，增强了芯片的实用性。
• 频率范围：具有广泛的国际工作频率，从840 MHz到960 MHz，适应不同地区的使用需求。
• 数据传输：前向链路数据速率为40 - 160 kbit/s，返回链路数据速率为40 - 640 kbit/s，保证了快速的数据传输。

2.2 关键优势

• 高灵敏度与长读取范围：芯片的高灵敏度特性使得其具有较长的读取范围，能够在较大的距离内准确识别标签。
• 低Q因子：在不同材料上都能保持一致的性能，减少了材料对标签性能的影响。
• 抗干扰能力强：具备出色的干扰抑制能力，能够在多阅读器环境中可靠运行。
• 易于组装：较大的输入电容便于组装，提高了组装良率。
• 先进的抗冲突技术：高度先进的抗冲突算法，实现了最高的识别速度，适用于密集阅读器和嘈杂环境。

2.3 自定义命令

• EAS报警：使UHF RFID标签无需后端数据库即可用作EAS标签，实现快速、可靠的商品防盗功能。
• 读取保护：保护所有内存内容（包括CRC16）不被未经授权的读取，确保数据安全。
• 校准：激活永久反向散射，用于评估标签到阅读器的性能。

三、应用领域

UCODE G2XM和G2XL芯片适用于多种应用场景，包括但不限于以下几个方面：

• 供应链管理：实现对货物的实时追踪和监控，提高供应链的透明度和效率。
• 物品级标签：为单个物品提供唯一标识符，便于管理和追溯。
• 资产管理：对资产进行精准定位和管理，减少资产流失和浪费。
• 集装箱识别：快速准确地识别集装箱，提高物流运输效率。
• 托盘和箱跟踪：实时跟踪托盘和箱的位置和状态，优化物流流程。
• 产品认证：确保产品的真实性和合法性，防止假冒伪劣产品的流通。

四、订购信息

UCODE G2XM和G2XL提供了不同的型号和封装选项，以满足不同用户的需求。具体的订购信息如下表所示：	类型	型号	封装	描述
G2XM	SL3ICS1002FUG/V7AF	晶圆	切割晶圆上的凸块芯片
G2XM	SL3S1002FTB1	XSON3塑料极薄小外形封装；3引脚；尺寸1 x 1.45 x 0.5 mm	-
G2XL	SL3ICS1202FUG/V7AF	晶圆	切割晶圆上的凸块芯片
G2XL	SL3S1202FTB1	XSON3塑料极薄小外形封装；3引脚；尺寸1 x 1.45 x 0.5 mm	-

五、芯片结构

SL3ICS1002/1202 IC主要由三个主要模块组成：

5.1 模拟RF接口

提供稳定的电源电压，对从阅读器接收到的数据进行解调，以便数字部分进行处理。同时，模拟部分的调制晶体管将数据回传给阅读器。

5.2 数字控制器

包含状态机，处理协议并与EEPROM进行通信，EEPROM中存储着EPC和用户数据。

5.3 EEPROM

存储EPC和用户数据，确保数据的可靠存储。

其结构框图如下所示：

六、性能参数

6.1 极限值

芯片的极限值参数包括存储温度范围、工作温度、静电放电电压等，具体如下表所示：	符号	参数	条件	最小值	最大值	单位
Die	存储温度范围	-	-55	+125	℃
Die	工作温度	-	-40	+85	℃
Die	静电放电电压	人体模型	-	±2	kV
SOT1122	存储温度范围	-	-55	+125	℃
SOT1122	总功耗	-	-	30	mW
SOT1122	工作温度	-	-40	+85	℃
SOT1122	静电放电电压	人体模型	-	±2	kV

6.2 特性参数

• 晶圆特性：包括EEPROM数据保留时间、写入耐久性、总功耗、工作频率、最小工作电源等参数，确保芯片在不同环境下的稳定运行。
• 封装特性：如输入电容和阻抗等参数，影响芯片与外部电路的匹配性能。

七、工作原理

7.1 功率传输

询问器提供射频（RF）场，为配备UCODE G2X的标签供电。天线将自由空间的阻抗转换为芯片输入阻抗，以获取最大的功率。RF场在询问器提供的工作频率上振荡，经过整流后为IC的模拟和数字模块提供平滑的直流电压。

7.2 数据传输

• 阅读器到G2X链路：询问器通过调制840 MHz - 960 MHz频率范围内的RF信号将信息传输到UCODE G2X，标签从该RF信号中获取信息和工作能量。
• G2X到阅读器链路：询问器向标签发送连续波RF信号，G2X通过调制其天线的反射系数来响应，产生调制边带，将信息信号反向散射回询问器。

7.3 操作距离

基于UCODE G2X的RFID标签的最大操作距离可以根据以下公式计算： $R{max }=sqrt{frac{E I R P cdot G{t a g} cdot lambda^{2}}{(4 pi)^{2} P{t a g}}} cdot eta$ 其中，$P{tag}$ 为标签所需的最小RF功率，$G{tag}$ 为标签天线的增益，$EIRP$ 为发射的RF功率，$lambda$ 为波长，$R{max}$ 为最大操作距离，$eta$ 为考虑匹配和封装损耗的损耗因子，假定为0.5。不同地区和频率范围的计算读取距离如下表所示：	频率范围	地区	可用功率	计算读取距离（单天线）	单位
868.4 - 868.65 MHz (UHF)	欧洲	0.5W ERP	3.6	m
865.5 - 867.6 MHz (UHF)	欧洲	2W ERP	7.1	m
902 - 928 MHz (UHF)	美洲	4W EIRP	7.5	m

需要注意的是，这些读取距离是一般标签和标签的最大值，实际可用值可能会因物体材料和环境条件的影响而降低。

7.4 空中接口标准

G2X芯片符合EPCglobal 1.0.9标准，并完全支持“Specification for RFID Air Interface EPCglobal, EPCTM Radio - Frequency Identity Protocols, Class - 1 Generation - 2 UHF RFID, Protocol for Communications at 860 MHz - 960 MHz, Version 1.1.0”的所有部分，确保了芯片的兼容性和互操作性。

八、物理层和信号处理

8.1 阅读器到G2X通信

• 物理层：询问器到G2X的链路调制遵循特定的规范，具体可参考相关文档的附件部分。
• 调制方式：询问器使用双边带幅度键控（DSB - ASK）、单边带幅度键控（SSB - ASK）或相位反转幅度键控（PR - ASK），并采用脉冲间隔编码（PIE）格式将信息发送到G2X。
• 数据编码：采用PIE编码，相关的参考时间间隔（Tari）定义了数据传输的时间基准。
• 数据速率：询问器应使用6.25 μs - 25 μs之间的Tari值进行通信，推荐使用6.25 μs、12.5 μs或25 μs的Tari值。

8.2 G2X到阅读器通信

• 调制方式：UCODE G2X通过反向散射调制RF载波的幅度和/或相位来传输信息，询问器应能够解调这两种调制类型。
• 数据编码：根据询问器的命令，选择FM0基带或米勒调制子载波进行编码。
• 数据速率：G2X IC支持标签到询问器的特定数据速率和链路频率。

8.3 链路时序

询问器与配备UCODE G2X的标签进行交互时，需要满足精确的链路和响应时序要求，包括再生时间、启动时间和持久时间等。

8.4 位和字节排序

所有R => T和T => R通信的传输顺序遵循特定的约定，即每个消息中最重要的字先传输，每个字中最重要的位（MSB）先传输。

8.5 数据完整性

G2X会忽略无效命令，“无效”命令包括不符合当前状态、不被支持、参数错误、CRC错误等情况。同时，芯片使用CRC - 16和CRC - 5进行数据校验，确保数据的准确性。

九、标签选择、库存管理和访问

询问器可以使用选择、库存管理和访问三种基本操作来管理UCODE G2X标签群体，具体如下：

9.1 选择操作

询问器使用一个或多个选择命令选择特定的标签群体进行库存管理和访问。

9.2 库存管理操作

询问器通过在四个会话之一中发送查询命令开始库存管理轮次，一个或多个G2X可能会回复，询问器检测到单个G2X的回复后，请求芯片的PC、EPC和CRC - 16。

9.3 访问操作

询问器与单个G2X进行交易（读取或写入），在访问之前必须唯一标识该G2X。访问操作包括多个命令，其中一些命令采用基于一次性密码的R => T链路覆盖编码。

十、自定义命令详解

10.1 ReadProtect

该命令用于对整个G2X内存进行可靠的读取保护。在安全状态下执行ReadProtect命令将设置ReadProtect位为'1'，此时部分命令将被禁用，标签将仅对防冲突命令做出响应，并返回零作为EPC和CRC - 16内容（除PC/密码外）。可以通过执行Reset ReadProtect命令来移除读取保护。

10.2 Reset ReadProtect

允许询问器重置ReadProtect位，并根据EPCglobal规范重新启用对G2X内存内容的读取。该命令需要在开放或安全状态下执行，并且需要满足一定的条件才能成功。

10.3 ChangeEAS

使配备G2X的RFID标签具备独立的EAS报警功能。通过设置EAS - Alarm位为'1'，标签可以在不使用选择或查询命令的情况下，对EAS_Alarm命令进行响应，反向散射64位报警代码。该命令只能在安全状态下执行。

10.4 EAS_Alarm

当EAS - Alarm位设置为'1'时，该命令将使G2X立即反向散射EAS报警代码，无需选择、查询，也不需要后端数据库。

10.5 Calibrate

执行该命令后，G2X将在无限循环中连续反向散射用户内存内容（G2XL将连续反向散射零），可用于频谱测量。该命令只能在安全状态下，且设置了非零访问密码时执行。

十一、总结

NXP的UCODE G2XM和G2XL芯片以其丰富的特性、出色的性能和广泛的应用领域，为UHF RFID技术的发展提供了强有力的支持。无论是在供应链管理、物流追踪还是资产监控等方面，这两款芯片都能发挥重要作用。作为电子工程师，我们在设计相关应用时，可以根据具体需求合理选择和使用这两款芯片，同时要充分考虑芯片的特性和工作原理，以实现最佳的设计效果。在实际应用中，你是否遇到过类似芯片的使用问题？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。