CN103177285B - 无源低功耗超高频电子标签芯片及低功耗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源低功耗超高频电子标签芯片，包括整流电路、稳压电路、复位电路、时钟电路、解调电路、解码器模块、循环校验模块、状态控制机模块、存储器电路、防碰撞模块、编码器模块、调制电路、电源关断控制模块和电源关断矩阵电路，电源关断控制模块通过各种输入信号判断各耗电模块的状态，通过电源关断矩阵电路实现对各耗电模块的电源启断控制，达到节能目的。本发明还公开了一种无源低功耗超高频电子标签芯片的低功耗控制方法，根据各模块的实时工作状态，在该模块需要工作时开启其电源，工作结束后关断其电源，实现整个芯片低功耗运行的目的。本发明通过对大部分模块的电源分时控制管理实现节能，有效地提升了标签芯片的整体性能。

Description

无源低功耗超高频电子标签芯片及低功耗控制方法

技术领域

本发明涉及一种无源超高频（UHF频段）电子标签芯片，尤其涉及一种无源低功耗超高频电子标签芯片及低功耗控制方法。

背景技术

射频识别（即RFID，英文“RadioFrequency Identification”的简称）技术是利用射频方式进行远距离的通信以达到物品识别的目的，可用来追踪和管理几乎所有物理对象，在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域，甚至军事用途具有广泛的应用前景，目前已引起了广泛的关注。

为了适应远距离识别应用的需要，ISO/IEC推出了针对频率为超高频（UHF）频段（860～960MHz），用于物品管理的无接触通信空气接口参数的ISO/IEC18000-6系列标准，该系列标准包括了ISO/IEC18000-6A，ISO/IEC18000-6B，ISO/IEC18000-6C三种类型的无源超高频电子标签。

无源超高频电子标签具有作用距离远，成本低的特点，典型的无源超高频电子标签的芯片包括两个主要部分，分别为射频模拟前端和数字系统。

现有的无源超高频电子标签结构如图1所示，具体结构如下：

射频模拟前端主要包括整流电路、稳压电路、调制电路、解调电路、复位电路和时钟电路。其中整流电路是将接收下来的射频信号转化为所需要的整流电压，稳压电路是对整流电压进行稳压，为标签提供工作电压，解调电路将射频信号包络中携带的数据恢复为数字系统可以处理的解调数据，并送到数字系统中的解码器模块进行处理，调制电路采用反向散射调制的方法对数字系统中编码器模块输出的调制数据进行调制，通过天线端口传输反向散射信号，时钟电路为数字系统提供稳定的时钟信号，复位电路为数字系统提供所需的复位信号。

数字系统主要包括一个解码器模块、编码器模块、循环校验模块、状态控制机模块、防碰撞模块和存储器电路。当电子标签芯片数字系统接收到从射频模拟前端的解调电路传送过来的解调数据时，解码器模块接收解调数据，对解调数据进行解码，输出解码数据到状态控制机模块和循环校验模块，循环校验模块完成对解码数据的循环校验向状态控制机发送循环校验结果，同时状态控制机模块根据解码数据进行指令分析和数据处理，并根据指令分析和数据处理结果通过存储器总线对存储器电路进行读写操作，同时通过防碰撞控制信号控制防碰撞电路完成防碰撞操作，并在操作完成后将编码数据送给编码器模块，经编码器模块进行编码然后输出调制数据到射频模拟前端的调制电路。

在该系统方案中，标签芯片中所有模块电路在进入射频场后均处于上电状态。为了控制系统的功耗，通常在数字系统中假如门控时钟的方式进行低功耗设计。虽然门控时钟可以较好的抑制数字系统的动态功耗，但是无法减小数字系统的静态功耗。但是，随着制造工艺的进步，以电路漏电流为主等构成的静态功耗成为电路总功耗的主导部分。同时由于门控时钟只局限在数字系统中使用，无法兼顾模拟电路的功耗控制。这就使得传统的无源超高频电子标签结构和低功耗控制方法无法有效地将芯片的整体功耗控制在一个较小范围内。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够有效地将芯片的整体功耗控制在一个较小范围内的无源低功耗超高频电子标签芯片及低功耗控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述无源低功耗超高频电子标签芯片包括整流电路、稳压电路、复位电路、时钟电路、解调电路、解码器模块、循环校验模块、状态控制机模块、存储器电路、防碰撞模块、编码器模块、调制电路、电源关断控制模块和电源关断矩阵电路，所述电源关断控制模块的电源输入端、时钟信号输入端、复位信号输入端、分时控制信号输入端、解码开始信号输入端和编码结束信号输入端分别与所述稳压电路的电源输出端、所述时钟电路的输出端、所述复位电路的输出端、所述状态控制机模块的分时控制信号输出端、所述解码器模块的解码开始信号输出端和所述编码器模块的编码结束信号输出端对应连接，所述电源关断控制模块的电源关断控制信号输出端与所述电源关断矩阵电路的电源关断控制信号输入端连接，所述电源关断矩阵电路的电源输入端与所述稳压电路的电源输出端连接，所述电源关断矩阵电路的可关断工作电压输出端分别与所述状态控制机模块的可关断工作电压输入端、所述解码器模块的可关断工作电压输入端、所述编码器模块的可关断工作电压输入端、所述循环校验模块的可关断工作电压输入端、所述存储器电路的可关断工作电压输入端、所述防碰撞模块的可关断工作电压输入端、所述解调电路的可关断工作电压输入端和所述调制电路的可关断工作电压输入端对应连接。

具体地，所述电源关断控制模块包括能够根据输入信号输出控制信号的关断判别模块和能够输出多个电源关断控制信号的关断使能模块，所述关断判别模块的信号输入端为所述电源关断控制模块的信号输入端，所述关断判别模块的控制信号输出端与所述关断使能模块的控制信号输入端连接，所述关断使能模块的电源关断控制信号输出端为所述电源关断控制模块的电源关断控制信号输出端。

所述电源关断矩阵电路由一组相互独立的NMOS管组成，所述NMOS管的漏极与所述稳压电路的电源输出端连接；所述NMOS管的栅极为所述电源关断矩阵电路的电源关断控制信号输入端；所述NMOS管的源极为所述电源关断矩阵电路的可关断工作电压输出端。本发明中，所述NMOS管为八个。

本发明所述无源低功耗超高频电子标签芯片的低功耗控制方法，包括以下步骤：

步骤（a）：标签进入射频场上电，电源关断控制模块检测复位信号低有效，此时，电源关断控制模块所有电源关断控制信号为高，芯片正常复位；

步骤（b）：电源关断控制模块检测复位信号为高，此时，电源关断控制模块通过电源关断矩阵电路将编码器模块、防碰撞模块、解码器模块、解调电路和调制电路的电源关断；

步骤（c）：状态控制机模块控制循环校验模块和存储器电路，完成上电循环码校验，在校验完成后，向电源关断控制模块发出分时控制信号；

步骤（d）：电源关断控制模块在接收到分时控制信号后，通过电源关断矩阵电路将循环校验模块、存储器电路和状态控制机模块的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路将解码器模块和解调电路的电源开启；

步骤（e）：解码器模块检测到解调电路传输过来的解调数据后，对解调数据进行解码，同时向电源关断控制模块提供解码开始信号；

步骤（f）：电源关断控制模块在接收到解码开始信号后，通过电源关断矩阵电路将循环校验模块、存储器电路、防碰撞模块和状态控制机模块的电源开启，状态控制机模块控制循环校验模块、防碰撞模块和存储器电路分别完成数据的循环校验处理、防碰撞操作和存储器的读写操作后，向电源关断控制模块发送分时控制信号，并向编码器模块和循环校验模块输出编码数据；

步骤（g）：电源关断控制模块在接收到分时控制信号后，通过电源关断矩阵电路将存储器电路和防碰撞模块的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路将编码器模块和调制电路的电源开启；

步骤（h）：编码器模块接收状态控制机模块提供的编码数据和循环校验模块提供的循环校验码，编码后经调制电路发送，并在所有数据发送完毕后，向电源关断控制模块发送编码完成信号；

步骤（i）：电源关断控制模块在接收到编码完成信号后，通过电源关断矩阵电路将状态控制机模块、编码器模块和调制电路的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路将解码器模块和解调电路的电源开启，以检测下一帧数据。

本发明的有益效果在于：

由于本发明采用了电源关断技术对电子标签芯片中的大部分功能模块和电路进行电源实时管理，并在分时控制方法的控制下，依次关断或开启相应模块的电源，在不影响标签正常通信功能的情况下，同一时刻标签中只有少数几个模块电路处于上电工作状态，能够有效地将芯片的整体功耗控制在一个较小范围内，所以，相对于所有模块电路均一直处于工作状态直到脱离射频场的现有无源超高频电子标签芯片技术，本发明明显具有更低的功耗，有效地提升了电子标签芯片的整体性能。

附图说明

图1是传统无源超高频电子标签芯片的结构原理图；

图2是本发明所述无源低功耗超高频电子标签芯片的结构原理图；

图3是本发明所述电源关断控制模块的结构原理图；

图4是本发明所述电源关断矩阵电路的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图2所示，本发明所述无源低功耗超高频电子标签芯片包括整流电路111、稳压电路112、复位电路110、时钟电路109、解调电路113、解码器模块102、循环校验模块104、状态控制机模块101、存储器电路105、防碰撞模块106、编码器模块103、调制电路114、电源关断控制模块107和电源关断矩阵电路108，电源关断控制模块107的电源输入端、时钟信号输入端、复位信号输入端、分时控制信号输入端、解码开始信号输入端和编码结束信号输入端分别与稳压电路112的电源输出端、时钟电路109的输出端、复位电路110的输出端、状态控制机模块101的分时控制信号输出端、解码器模块102的解码开始信号输出端和编码器模块103的编码结束信号输出端对应连接，电源关断控制模块107的电源关断控制信号输出端与电源关断矩阵电路108的电源关断控制信号输入端连接，电源关断矩阵电路108的电源输入端与稳压电路112的电源输出端连接，电源关断矩阵电路108的可关断工作电压输出端分别与状态控制机模块101的可关断工作电压输入端、解码器模块102的可关断工作电压输入端、编码器模块103的可关断工作电压输入端、循环校验模块104的可关断工作电压输入端、存储器电路105的可关断工作电压输入端、防碰撞模块106的可关断工作电压输入端、解调电路113的可关断工作电压输入端和调制电路114的可关断工作电压输入端对应连接。

图2中的部分信号走向未在图中示全，比如：电源关断控制模块107控制解码器模块、编码器模块、循环校验模块、存储器电路、防碰撞模块、解调电路和调制电路的电源启断的信号走向，这是由于连接线太多会影响图示效果，但根据文字说明能够准确地理解。

上述内容描述了与电源关断控制模块107和电源关断矩阵电路108相关的电连接结构，其它模块电路之间的相互电连接结构与传统的无源超高频电子标签芯片的结构一致，所以未在本文中说明，结合附图和传统技术即可理解。

如图3所示，电源关断控制模块107包括能够根据输入信号输出控制信号的关断判别模块201和能够输出多个（本例中为八个）电源关断控制信号的关断使能模块202，关断判别模块201的信号输入端为电源关断控制模块107的信号输入端，关断判别模块201的控制信号输出端与关断使能模块202的控制信号输入端连接，关断使能模块202的电源关断控制信号输出端为电源关断控制模块107的电源关断控制信号输出端。如图2和图3所示，关断判别模块201的信号输入端共五个，分别为时钟信号输入端、复位信号输入端、分时控制信号输入端、解码开始信号输入端和编码结束信号输入端，关断使能模块202的电源关断控制信号输出端共八个，分别用于控制状态控制机模块101、解码器模块102、编码器模块103、循环校验模块104、存储器电路105、防碰撞模块106、解调电路113和调制电路114的电源开启和关断。

如图4所示，电源关断矩阵电路108由一组相互独立的NMOS管组成，NMOS管为八个，即M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8，八个NMOS管的漏极（即D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8）均与稳压电路112的电源输出端（即图4中的稳压电压）连接；八个NMOS管的栅极（即G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8）分别为电源关断矩阵电路108的电源关断控制信号输入端，与图3中的关断使能模块202的八个电源关断控制信号输出端对应连接；八个NMOS管的源极（即S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8）分别为电源关断矩阵电路108的八个可关断工作电压输出端，分别与状态控制机模块101、解码器模块102、编码器模块103、循环校验模块104、存储器电路105、防碰撞模块106、解调电路113和调制电路114的电源端连接（见图4和图2）。

如图4所示，八个NMOS管的工作原理相同，具体如下：当电源关断控制信号为高时，NMOS管导通，此时输出可关断工作电压；当电源关断控制信号为低时，NOMS管截止，此时可关断工作电压输出截止。

结合图2-图4，本发明所述无源低功耗超高频电子标签芯片的低功耗控制方法，包括以下步骤：

步骤（a）：标签进入射频场上电，电源关断控制模块107检测复位信号低有效，此时，电源关断控制模块107的所有电源关断控制信号为高，芯片正常复位；

步骤（b）：电源关断控制模块107检测复位信号为高，此时，电源关断控制模块107通过电源关断矩阵电路108将编码器模块103、防碰撞模块106、解码器模块102、解调电路113和调制电路114的电源关断；

步骤（c）：状态控制机模块101控制循环校验模块104和存储器电路105，完成上电循环码校验，在校验完成后，向电源关断控制模块107发出分时控制信号；

步骤（d）：电源关断控制模块107在接收到分时控制信号后，通过电源关断矩阵电路108将循环校验模块104、存储器电路105和状态控制机模块101的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路108将解码器模块102和解调电路113的电源开启；

步骤（e）：解码器模块102检测到解调电路113传输过来的解调数据后，对解调数据进行解码，同时向电源关断控制模块107提供解码开始信号；

步骤（f）：电源关断控制模块107在接收到解码开始信号后，通过电源关断矩阵电路108将循环校验模块104、存储器电路105、防碰撞模块106和状态控制机模块101的电源开启，状态控制机模块101控制循环校验模块104、防碰撞模块106和存储器电路105分别完成数据的循环校验处理、防碰撞操作和存储器的读写操作后，向电源关断控制模块107发送分时控制信号，并向编码器模块103和循环校验模块104输出编码数据；

步骤（g）：电源关断控制模块107在接收到分时控制信号后，通过电源关断矩阵电路108将存储器电路105和防碰撞模块106的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路108将编码器模块103和调制电路114的电源开启；

步骤（h）：编码器模块103接收状态控制机模块101提供的编码数据和循环校验模块104提供的循环校验码，编码后经调制电路114发送，并在所有数据发送完毕后，向电源关断控制模块107发送编码完成信号；

步骤（i）：电源关断控制模块107在接收到编码完成信号后，通过电源关断矩阵电路108将状态控制机模块101、编码器模块103和调制电路114的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路108将解码器模块102和解调电路113的电源开启，以检测下一帧数据。

上述实施例是为了帮助读者理解本发明原理的优选实施例，应被理解为本发明的保护范围并不局限于上述实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质内容的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无源低功耗超高频电子标签芯片，包括整流电路、稳压电路、复位电路、时钟电路、解调电路、解码器模块、循环校验模块、状态控制机模块、存储器电路、防碰撞模块、编码器模块和调制电路，其特征在于：还包括电源关断控制模块和电源关断矩阵电路，所述电源关断控制模块的电源输入端、时钟信号输入端、复位信号输入端、分时控制信号输入端、解码开始信号输入端和编码结束信号输入端分别与所述稳压电路的电源输出端、所述时钟电路的输出端、所述复位电路的输出端、所述状态控制机模块的分时控制信号输出端、所述解码器模块的解码开始信号输出端和所述编码器模块的编码结束信号输出端对应连接，所述电源关断控制模块的电源关断控制信号输出端与所述电源关断矩阵电路的电源关断控制信号输入端连接，所述电源关断矩阵电路的电源输入端与所述稳压电路的电源输出端连接，所述电源关断矩阵电路的八个可关断工作电压输出端分别与所述状态控制机模块的可关断工作电压输入端、所述解码器模块的可关断工作电压输入端、所述编码器模块的可关断工作电压输入端、所述循环校验模块的可关断工作电压输入端、所述存储器电路的可关断工作电压输入端、所述防碰撞模块的可关断工作电压输入端、所述解调电路的可关断工作电压输入端和所述调制电路的可关断工作电压输入端对应连接。

2.根据权利要求1所述的无源低功耗超高频电子标签芯片，其特征在于：所述电源关断控制模块包括能够根据输入信号输出控制信号的关断判别模块和能够输出多个电源关断控制信号的关断使能模块，所述关断判别模块的信号输入端为所述电源关断控制模块的信号输入端，所述关断判别模块的控制信号输出端与所述关断使能模块的控制信号输入端连接，所述关断使能模块的电源关断控制信号输出端为所述电源关断控制模块的电源关断控制信号输出端。

3.根据权利要求1所述的无源低功耗超高频电子标签芯片，其特征在于：所述电源关断矩阵电路由一组相互独立的NMOS管组成，所述NMOS管的漏极与所述稳压电路的电源输出端连接；所述NMOS管的栅极为所述电源关断矩阵电路的电源关断控制信号输入端；所述NMOS管的源极为所述电源关断矩阵电路的可关断工作电压输出端。

4.根据权利要求3所述的无源低功耗超高频电子标签芯片，其特征在于：所述NMOS管为八个。

5.一种如权利要求1-4中任何一项所述的无源低功耗超高频电子标签芯片的低功耗控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(a)：标签进入射频场上电，电源关断控制模块检测复位信号低有效，此时，电源关断控制模块所有电源关断控制信号为高，芯片正常复位；

步骤(b)：电源关断控制模块检测复位信号为高，此时，电源关断控制模块通过电源关断矩阵电路将编码器模块、防碰撞模块、解码器模块、解调电路和调制电路的电源关断；

步骤(c)：状态控制机模块控制循环校验模块和存储器电路，完成上电循环码校验，在校验完成后，向电源关断控制模块发出分时控制信号；

步骤(d)：电源关断控制模块在接收到分时控制信号后，通过电源关断矩阵电路将循环校验模块、存储器电路和状态控制机模块的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路将解码器模块和解调电路的电源开启；

步骤(e)：解码器模块检测到解调电路传输过来的解调数据后，对解调数据进行解码，同时向电源关断控制模块提供解码开始信号；

步骤(f)：电源关断控制模块在接收到解码开始信号后，通过电源关断矩阵电路将循环校验模块、存储器电路、防碰撞模块和状态控制机模块的电源开启，状态控制机模块控制循环校验模块、防碰撞模块和存储器电路分别完成数据的循环校验处理、防碰撞操作和存储器的读写操作后，向电源关断控制模块发送分时控制信号，并向编码器模块和循环校验模块输出编码数据；

步骤(g)：电源关断控制模块在接收到分时控制信号后，通过电源关断矩阵电路将存储器电路和防碰撞模块的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路将编码器模块和调制电路的电源开启；

步骤(h)：编码器模块接收状态控制机模块提供的编码数据和循环校验模块提供的循环校验码，编码后经调制电路发送，并在所有数据发送完毕后，向电源关断控制模块发送编码完成信号；

步骤(i)：电源关断控制模块在接收到编码完成信号后，通过电源关断矩阵电路将状态控制机模块、编码器模块和调制电路的电源关断，同时通过电源关断矩阵电路将解码器模块和解调电路的电源开启，以检测下一帧数据。