CN103226726A

CN103226726A - 一种新型半无源rfid标签芯片

Info

Publication number: CN103226726A
Application number: CN2013101574795A
Authority: CN
Inventors: 庞宇; 林金朝; 宋得龙; 李章勇; 罗志勇; 周前能; 彭琦; 王斌
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-07-31

Abstract

本发明请求保护一种半无源RFID标签芯片原理标签，涉及射频识别领域。将不同调制类型的信号分别送入可配置解调电路，可配置解调电路对接收的信息进行解调，完成调制解调模块的动态配置来适应不同信道的复杂性；通过读写器指令控制，启动电池供电或读写器提供的能量，以节省功耗，并且能够扩大信息的识别距离，保证信息的有效识别。同时，本发明芯片适用于高速数据通信，具有良好的稳定性和抗噪能力。

Description

一种新型半无源RFID标签芯片

技术领域

本发明涉及射频识别领域，特别的提出了一种新型半无源RFID标签芯片。该标签芯片能够有效地节省功耗，缩短标签识别的操作时间，增加信息的识别距离，有效提高读写器的吞吐量，能够适应复杂的信道传输环境。

背景技术

目前，对于半无源标签芯片的设计研究，日益受到国内外学者的关注和重视。半无源标签的系统性能指标包括了读写距离、识别率、识别速率、使用寿命四个方面。半无源标签芯片的设计难点，在于高灵敏度、无线充电、低功耗条件下的稳定唤醒以及通信安全等功能的实现。

标签芯片的基本结构一般都包含射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等单元。国际标准ISO14443TYPEA／B协议均采用ASK调制作为读写器向标签传输数据的调制方法，两种协议标准中都使用到了10％和100％调制度的ASK调制方式。当使用10％调制时采用NRZ编码，而使用100％调制时采用改进型Miller编码；解调模块由三部分组成，分别是RC回路，二阶低通滤波器和迟滞比较器。其中，RC回路由有源电阻和电容实现；稳压模块是将整流模块输出直流电压稳定在特定电平上，为整个标签芯片提供稳定的工作电压。基带稳压模块包含：输出功率器件、反馈电路、误差放大器以及输出储能电容；整流模块的功能主要是将天线感应的射频能量转化为供后级各模块使用的直流能量；上电复位模块在芯片上电时产生复位信号，用于数字基带处理部分寄存器的复位。芯片的上电复位电平与芯片的最低工作电压、储能电容等参数有关；时钟产生模块主要给数字基带处理器模块提供稳定的时钟信号，多采用片内设计振荡电路或时钟恢复电路得到所需时钟。时钟产生模块采用环形振荡器电路，并加入电压和温度补偿电路，保证在不同的工作电压和温度下，频率偏移在规定的范围(如±1％)内。

现已有多种商用RFID芯片，它们各自具有通常能在RFID集成电路中找到的标准内部功能模块。这些商用的RFID芯片有很多型号，例如A9210-BRFID标签芯片。这些标签芯片一般包括以下几部分电路模块：电源恢复电路模块、电源稳压电路模块、反向散射调制电路模块、解调电路模块、时钟提取/产生电路模块、启动信号产生电路模块、参考源产生电路模块、控制单元、存储器。

在RFID标签芯片中，传统的调制解调模块不能够进行动态配置来适应不同信道的复杂性，并且传统的半无源RFID标签芯片结构中没有同时含有扩频模块、电平阈值判断/充电模块和调制模式判断模块，不能有效缩小标签之间的冲撞概率，缩短读写器的识别操作时间，故其读写器的吞吐率不高，而且传统的半无源RFID芯片没有电平阈值判断/充电模块，不能保证较远距离信息的有效识别。

发明内容

本发明针对现有技术RFID标签芯片存在的不能够进行动态配置来适应不同信道，读写器的吞吐率不高，不能保证较远距离信息的有效识别的问题，提出一种新型半无源RFID标签芯片。

本发明解决上述问题的技术方案是，提出一种新型半无源RFID标签芯片，包括：天线，调制模式判断模块，可配置调制模块，整流模块，可配置解调模块，时钟恢复模块，检测/唤醒模块，电平阈值判断/充电模块，扩频模块，微型控制器（MCU），存储器。

外部射频信号通过天线端口输入到标签芯片进入整流模块，整流模块对射频信号经过整流处理，送入检测/唤醒模块，判断该标签芯片是否可以被唤醒，如果能够被唤醒，则触发标签芯片。检测/唤醒模块唤醒标签芯片后，产生一个高电平V_DD，提供MCU的工作电源。整流处理后的射频信号通过本发明增加的调制模式判断模块，判断接收到的信息所采用的调制类型，是10％调制度的ASK调制方式，还是100％调制度的ASK调制方式，然后将不同调制类型的信号分别送入可配置解调电路进行相应解调操作。可配置解调电路收到检测/唤醒电路发送的触发命令后，对接收的信息进行解调，解调出原信息的时钟信息和数据信息，数据信息则直接送入MCU（Micro Controller Unit微型控制器）进行处理，时钟信息送入时钟恢复模块进行信息恢复，然后用以控制MCU的时钟。本发明新增加的电平阈值判断/充电模块能够判断信息携带的能量是否满足芯片的工作能量，当标签芯片从读写器接收到的能量小于标签芯片工作启动的阈值时，芯片自身的电池开始对其提供能量，保证芯片的正常工作；当标签芯片从读写器接收到的能量大于标签芯片的启动阈值时，标签芯片直接使用读写器提供的能量进行工作，并且剩余的能量还可以用于给电池进行储能。

本发明增加的电平阈值判断/充电模块能够扩大标签芯片的识读距离，确保芯片在从读写器接收的能量不足时也可以正常工作，保证信息的有效识别。信息被送入到MCU模块进行处理，随后MCU模块将待反馈的信息传输到扩频模块，完成对信息的扩频操作，然后再送入可配置调制模块进行调制，最终通过天线将信息发射出去。

本发明增加的可配置调制解调模块，改变了传统的只能使用设定好的调制方式对所以信息进行调制解调，其通过读写器的控制指令可以在通用硬件平台上灵活改变芯片的调制模式，运用数据通道融合技术共享部分电路单元,最大限度的节省功耗,完成调制解调模块的动态配置来适应不同信道的复杂性。

本发明增加的扩频模块，依据码分多址技术的保密性、抗干扰性和多址通信能力，并结合标签芯片的成本和功耗要求，通过扩频模块，在标签中植入多组具有良好正交性的扩频码，当读写器识别过程中用以防冲撞算法使用，扩频码可以是常用的三种码组：Walsh码、m序列和Gold序列。缩小标签之间的冲撞概率，缩短读写器操作时间，提高读写器的吞吐率，使其得到明显改善。

本发明将扩频模块、电平阈值判断/充电模块和调制模式判断模块同时嵌入在标签芯片中，使标签芯片的性能得到大大改善。

附图说明

图1半无源RFID标签芯片的结构图；

图2调制模式判断模块的流程图；

图3电平阈值判断/充电模块的流程图；

图4半无源RFID工作机制。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为半无源RFID标签芯片的结构图。新型半无源RFID标签芯片，包括，天线，调制模式判断模块，可配置调制模块，整流模块，可配置解调模块，时钟恢复模块，检测/唤醒模块，电平阈值判断/充电模块，扩频模块，MCU，存储器。其特征是：增加了扩频模块、电平阈值判断/充电模块和调制模式判断模块，并且对现有的调制解调模块进行改进，设计成可配置的调制解调模块。外部射频信号通过天线端口输入到标签芯片进入整流模块，整流模块对射频信号经过整流处理，送入检测/唤醒模块，判断该标签芯片是否可以被唤醒，如果能够被唤醒，则触发标签芯片。检测/唤醒模块唤醒标签芯片后，产生一个高电平V_DD，提供MCU的工作电源。整流处理后的射频信号通过调制模式判断模块，判断接收到的信息所采用的调制类型，将不同调制类型的信号分别送入可配置解调电路，当收到检测/唤醒电路发送的触发命令后，可配置解调电路对接收的信息进行解调，解调为时钟信息和数据信息，数据信息则直接送入MCU（Micro ControllerUnit微型控制器）进行处理，时钟信息送入时钟恢复模块进行信息恢复，并控制MCU的时钟，电平阈值判断/充电模块判断信息携带的能量是否满足芯片的工作能量，当标签芯片从读写器接收到的能量小于标签芯片工作启动的阈值时，芯片自身的电池开始对其提供能量，保证芯片的正常工作；当标签芯片从读写器接收到的能量大于标签芯片的启动阈值时，标签芯片直接使用读写器提供的能量进行工作，并且剩余的能量还可以用于给电池进行储能。

如图2所示为调制模式判断模块的流程图。

调制模式判断模块，提高了信息在恶劣信道环境下的传输能力。即采用10%ASK调制和100%ASK（幅移键控）调制。幅移键控调制是通过改变载波的振幅来发送数字信号的。其中10%和100%是指调制深度。设调幅信号的最大振幅为Emax，包括最小振幅为Emin，则调制深度为：m=(Emax-Emin)/(Emax+Emin)。10%调制度时采用NRZ（反向不归零制）编码，100%调制度时采用改进型的Miller（米勒）编码。NRZ（反向不归零制）编码的原理是：“高”信号表示二进制1，“低”信号表示二进制0。Miller（米勒）编码的原理是：在半比特周期内的任意边沿表示二进制1，而经过下一个比特周期中不变的1电平表示二进制0。一连串的0在比特周期开始时产生电平交变。变形的米勒编码在电感耦合的射频识别系统中用于读写器到标签的数据传输，由于很短的脉冲持续时间，就可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续供给标签能量。调制度越大就要采用更复杂的编码方式，避免传输过程中连续低电平时造成的通信中断问题。当半无源RFID芯片所处环境信噪比较好时可以采用有利于能量传输的较小调制度的ASK调制。可配置调制解调模块，使读写器的控制指令可以在通用硬件平台上灵活改变芯片的调制模式，运用数据通道融合技术共享部分电路单元，最大限度的节省功耗，完成调制解调模块的动态配置，来更好的适应不同信道的复杂性。

调制模式判断模块流程：当信息进入标签芯片后，调制模式判断模块判断接收到的信息是采用哪种调制方法调制形成的，是采用的100%调制还是10%调制，然后把标签接收到的信息送到可配置解调模式进行解调处理，待检测/唤醒电路发来触发命令后，可配置解调电路开始对接收的信息进行解调，解调后的信息分为时钟信息和数据信息，数据信息则直接送入MCU进行处理，时钟信息则送入时钟恢复模块进行信息的恢复，然后用来控制MCU的时钟。

如图3所述为电平阈值判断/充电模块流程图。当标签芯片被激活并收到命令时，该模块判断标签从读写器接收到的能量大小，当能量小于标签芯片正常工作启动的电平阈值时，芯片自身的电池立刻被激活并开始对其提供能量，保证芯片的正常工作。当标签芯片从读写器接收到的能量大于标签芯片的启动阈值时，标签芯片可以看作是无源RFID标签芯片，直接使用读写器提供的能量进行工作。并且电平阈值判断/充电模块能够在有能量剩余时，对电池进行储能。本发明的标签可以在较远的距离时，使用自身的电池提供足够的能量来进行信息的识别。因此使用电平阈值判断/充电模块能够扩大识别距离，确保当芯片从读写器接收的能量不足时也可以正常工作，保证了信息的有效识别。

如图4所述为半无源RFID工作机制。根据本发明提出的半无源RFID芯片结构，针对这种结构给出了标签芯片的工作状态转换情况。本发明RFID标签芯片工作机制设定五种工作状态：休眠态、信道查询态、通信态、激活态以及空闲态。当标签位于读写器场区以外时，标签处于休眠态。此时，标签上各电路模块无能量注入，标签的所有部件均停止工作。当处于休眠态的标签感应到存在场强时，经过天线电感耦合产生微弱电流，进入信道查询态，查询信道上的有效读写器信号。当读写器分配给多个标签相同的扩频码时，就会产生冲撞，当信道冲突时，搜索读写器的控制命令，以重置扩频码。此时标签进入空闲态，等待重新分配扩频码，再次进入信道查询态。当整流模块的输出直流电压达到其开启门限时，标签直接进入通信态，建立起稳定通信链路，实现数据传输；否则，标签进入激活态，当感应能量低于门限值时，启动电池供应能量，然后再进入通信态，建立与读写器的有效连接，实现数据传输。在完成数据成功传输后，标签在接收到读写器发送的休眠指令后，便回到休眠态。

Claims

1.一种半无源RFID标签芯片，其特征在于，包括：天线，调制模式判断模块，可配置调制模块，整流模块，可配置解调模块，时钟恢复模块，检测/唤醒模块，电平阈值判断/充电模块，扩频模块，MCU，存储器，整流模块对射频信号经过整流处理，送入检测/唤醒模块，检测/唤醒模块唤醒标签芯片后，产生一个高电平V_DD，提供MCU的工作电源，整流处理后的射频信号通过调制模式判断模块，判断接收到的信息所采用的调制类型，将不同调制类型的信号分别送入可配置解调电路，可配置解调电路对接收的信息进行解调，解调为时钟信息和数据信息，数据信息则直接送入微型控制器MCU进行处理，时钟信息送入时钟恢复模块进行信息恢复，并控制MCU的时钟，电平阈值判断/充电模块判断信息携带的能量是否满足芯片的工作能量，当芯片从读写器接收到的能量小于工作阈值时，启动电池供电，当芯片从读写器接收到的能量大于芯片的工作阈值时，芯片直接使用读写器提供的能量进行工作。

2.根据权利要求1所述的标签芯片，其特征在于，当调制类型为10%调制度时采用NRZ编码，当调制类型为100%调制度时采用改进型的Miller编码。