CN103797497B - 利用射频识别智能标签从外部数字传感器获取数据的方法和执行所述方法的标签集成电路 - Google Patents

利用射频识别智能标签从外部数字传感器获取数据的方法和执行所述方法的标签集成电路 Download PDF

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Abstract

用于执行RFID智能标签和外部数字传感器（EDS1、…、EDSK）之间的通信的微程序被加载在缓冲区（Bu）中。标签的硬接线专用处理单元（DPU）通过数字通信接口（DCI）读取、解码和执行所述微程序。传感器数据被存储在所述缓冲区（Bu）的开始位置，从开始位置被RFID询问器读取。利用RFID询问器可以将应用中的标签功能设定为自动数据记录器或RFID无线传感器。标签可以针对来自不同制造商的各种类型的数字传感器进行调整。硬接线专用处理单元使得标签可以节省更多能量，具有更小尺寸和更快。

Description

利用射频识别智能标签从外部数字传感器获取数据的方法和 执行所述方法的标签集成电路
本发明涉及一种利用RFID（射频识别）智能标签从外部数字传感器获取数据的方法以及执行所述方法的RFID智能标签的集成电路。本发明的目的在于提出用于从外部数字传感器获取数据的所述标签集成电路，由硬接线专用处理单元制成的该集成电路将仅能够执行非常有限的微指令集，但是可针对各种功能进行设定并且可针对各种传感器进行调整，与迄今已知的标签集成电路相比，具有低能耗、更小的尺寸并且将更快地操作。
RFID智能标签通常是自足的。它不需要用于其操作的任何附加的外部元件。在价格方面，这是有利的，然而，在扩展和升级标签基础结构的可能性方面是不足的。通常，没有外部元件或新功能可以被添加到RFID智能标签的集成电路。
然而，通过接口，许多不同类型的传感器可以同时被附接到RFID智能标签。然后，RFID智能标签激发外部传感器，获取并处理由所述传感器获得的例如关于温度、湿度、压力、照度和其他物理量的数据。
具有传感器的RFID智能标签被用作数据记录器或无线传感器。
用作数据记录器的RFID智能标签具有自己的能量源。传感器自动测量数据并且将其存储到永久性存储器中，例如电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。
RFID无线传感器没有自己的能量源，因为它不需要自动执行数据测量和记录。
已知设置有用于从外部模拟传感器获取数据的接口的RFID智能标签（PCT/SI2010/000056）。有利的是，模拟传感器具有例如电阻、电容、电压或电流的模拟电参数作为输出量，因为这使其适用于诸如温度、湿度、加速度、光通量等的各种物理量的测量。包括在标签芯片中的每个模拟传感器和参考源具有一定公差；因此，每个这样的系统必须在准确确定的情况下被校准，这促成标签芯片的更高价格。
在生产并同时被校准期间，数字传感器配备模数转换器。标签芯片中的参考源对测量精度没有影响。因此，RFID测量系统的精度由应用的数字传感器的精度确定，而不再需要所述系统的校准。
已知设置有用于附接外部模拟传感器的接口以及用于附接外部数字传感器的I2C（内部整合电路）类型的数字通信接口的RFID智能标签（PCT/IT2007/000833）。标签电路包括连接到唯一程序存储器的微处理器。所述存储器包括用于操作整个集成电路的程序，并且与数据存储器分离。在以后利用RFID询问器的应用期间，用于与外部数字传感器进行数字通信的程序部分不能被后继改变。在具体应用中使用RFID标签之前，它必须被下载。专利申请PCT/IT2007/000833既未公开数字通信接口的操作，也未提出如何消除在用于与外部数字传感器进行通信的方法的第四步骤中的问题。所述通信方法的步骤是：1）发送所选择的传感器的地址，2）发送所述传感器的设定，3）发送用于执行模数转换的命令，4）等待完成所述转换，以及5）以数字形式读取传感器数据。模数转换的持续时间取决于传感器类型、其模数转换速率和分辨率，但是它经常超过如例如ISO15693、EPC Gen2、ISO18000-6/c的标准确定的20毫秒的时间。RFID智能标签必须在所述时间内响应RFID询问器。
设置有微处理器单元的RFID智能标签的集成电路的实施方式使得可以借助存储在永久性存储器中的软件来改变标签的功能，然而，由于标签的高能耗、相当大的尺寸和微处理器单元相当慢的操作，实际上是有问题的。所有上述不足应该被消除，其中借助作为专用处理单元的硬接线逻辑顺序电路来实施RFID智能标签的集成电路，但是采用RFID智能标签结合RFID询问器的功能将在一定程度上保持可调节的方式。
本发明以如下方式解决技术问题：预期用于将外部数字传感器附接到RFID智能标签的集成电路的这样的接口，在应用中，标签功能可以通过RFID询问器被设定为数据记录或距离测量，并且可以针对来自不同制造商的各种类型的外部数字传感器进行调整，其中用于附接外部数字传感器的所述接口应该由驱动数字通信接口的硬接线专用处理单元制成，并且预期利用设置有所述集成电路的RFID智能标签从外部数字传感器获取数据的方法。
通过如第一项权利要求的特征描述的利用RFID智能标签从外部数字传感器获取数据的本发明的方法，以及通过如第十三项权利要求的特征描述的用于执行所述方法的标签集成电路，解决所述技术问题。然而，从属权利要求描述了它们的实施方式的变型。
通过本发明的集成电路实施的RFID智能标签的突出之处在于，由于其功能，在应用中可以根据本发明的方法，通过RFID询问器，按照能够作为自动数据记录器或者RFID无线传感器进行操作的方式进行设定。
本发明的RFID智能标签可以针对来自不同制造商的各种类型的外部数字传感器进行调整，从而可以通过各种速度的模数转换来处理外部数字传感器。
具有硬接线专用处理单元的本发明的集成电路使RFID智能标签可以节省更多能量，具有更小尺寸和更快。
通过利用RFID智能标签从外部数字传感器获取数据的本发明的方法以及执行所述方法的本发明的标签集成电路的实施方式的描述，并且参照附图，现将更详细地解释本发明，在附图中
图1示出了用于从外部数字传感器获取数据的RFID智能标签的本发明的集成电路，
图1a示出了本发明的所述标签集成电路的元件的连接图，利用这些元件，RFID智能标签执行自动数据记录器的功能，其中RFID询问器或微控制器先前将微程序加载到永久性存储器中，该微程序的执行由定时器触发，
图1b示出了本发明的所述标签集成电路的元件的连接图，利用这些元件，RFID智能标签执行无线传感器的功能，其中RFID询问器先前将微程序加载到永久性存储器中，该微程序的执行由询问器的RFID命令触发，
图1c示出了本发明的所述标签集成电路的元件的连接图，利用这些元件，RFID智能标签执行无线传感器的功能，其中RFID询问器先前加载微程序，该微程序的执行然后立即被自动触发。
设置有本发明的集成电路TIC的RFID智能标签（图1）从外部数字传感器EDS1、…、EDSK获取数据。所述外部数字传感器的数目K是自然数并且不受限制，图中示出了4个附接的外部数字传感器。
根据本发明，可以借助RFID询问器设定集成电路TIC的功能，其中RFID智能标签作为自动数据记录器或无线传感器进行操作。在以下两个公开方式中的一个中，RFID智能标签可以作为无线传感器操作。
因此，下面将公开利用RFID智能标签从外部数字传感器EDS1、…、EDSK获取数据的方法的三个相关实施方式。
所提出方法的以下开始步骤是已知的并且对所有三个实施方式是相同的。
外部数字传感器EDS1、…、EDSK的地址s1a、…、sKa，微程序的各个程序页的使能标记f1、…、fK’，以及时钟信号的频率csf被存储在标签的标签永久性存储器PM的系统部分SP中，该微程序是在RFID智能标签和所述传感器之间执行通信所需要的并且足以用于该通信，该时钟信号用于标签的数字通信接口DCI与所述传感器的通信。K’表示所述微程序的程序页的数目。通常预期针对每个附接的外部数字传感器预期一个程序页；在这种情况下，K’=K。如已预期的那样，如果附接较少的外部数字传感器，则程序页可以连结成较长的页。
本发明的方法的所有三个所述实施方式还具有共同的第一和第二特征化步骤。
首先，所述微程序被加载在标签存储器PM中；借助RFID询问器，通过标签的RFID接口RFIDI，或者，尤其在本发明的方法的第一实施方式中，还借助微控制器，通过标签的串行接口SI，用户可以访问Bu。
然后，预期用于执行微指令的硬接线专用处理单元DPU通过数字通信接口DCI读取、解码和执行所述微程序。
根据本发明的方法的第一实施方式，RFID智能标签作为自动数据记录器进行操作，第一实施方式还包括以下特征化步骤。
借助RFID询问器，通过RFID接口RFIDI，或者借助微控制器，通过串行接口SI，所述微程序被加载在标签永久性存储器PM的用户部分UP中。所述微程序包括用于初始化外部数字传感器的微指令和用于从这些外部数字传感器读取数据的微指令。
标签定时器T触发所述专用处理单元DPU以执行所述微程序。
从外部数字传感器EDS1、…、EDSK获取的数据被存储在为传感器数据设置的永久性存储器部分中，RFID询问器可以从该永久性存储器部分读取所述数据。
根据本发明的方法的第二实施方式，RFID智能标签作为无线传感器进行操作，除上述第一和第二步骤之外，第二实施方式包括以下特征化步骤。
在该实施方式中，所述微程序也被加载在标签永久性存储器PM的用户部分UP中，但是优选地借助RFID询问器，通过RFID接口RFIDI进行该加载。
利用RFID命令，RFID询问器触发所述专用处理单元DPU以执行所述微程序。当这样做时，具有RFID命令的RFID询问器可以确定应被所述专用处理单元DPU执行的所述微程序的程序页。
从外部数字传感器EDS1、…、EDSK获取的数据被存储在所述缓冲区Bu的开始位置。缓冲区Bu具有如下类型（FIFO缓冲区），使得先存储的数据先被从中取回。
利用RFID命令“访问FIFO”，RFID询问器从缓冲区Bu读取所述数据。
根据本发明的方法的第三实施方式，在两个方式中的第二个方式中，RFID智能标签作为无线传感器进行操作，除已经描述的第一和第二步骤之外，第三实施方式包括以下特征化步骤。
在先存储的数据先被从中取回的这样类型的缓冲区（FIFO缓冲区）Bu中，RFID询问器下载所述微程序。缓冲区Bu应该包括具有16个8位字节的一个程序页。
在缓冲区Bu以信号方式通知已结束下载所述微程序之后，专用处理单元DPU立即开始执行所述微程序。
从外部数字传感器EDS1、…、EDSK获取的数据被存储在所述缓冲区Bu的开始位置，以防止尚未被执行的微程序部分失败。
利用RFID命令，RFID询问器从缓冲区Bu读取所述数据。
借助RFID智能标签从外部数字传感器获取数据的本发明的方法的所有三个实施方式的所述微程序使用具有相同格式和相同代码的微指令。在标签的逻辑顺序电路TLSC中，RFID询问器的命令被解码。
所提出的用于从外部数字传感器EDS1、…、EDSK（其中K表示已知方式的所述外部数字传感器的任意数目，集成电路TIC）获取数据的RFID智能标签中的集成电路TIC（图1）包括：I2C类型的数字通信接口DCI、RFID接口RFIDI、永久性存储器PM、标签的逻辑顺序电路TLSC和定时器T，其中数字通信接口DCI被设置用于附接所述外部数字传感器，使能线e1将信号s1、…、sK传导到所述外部数字传感器，RFID接口RFIDI连接到天线A和串行接口SI，标签的逻辑顺序电路TLSC一方面连接到RFID接口RFIDI和串行接口SI，另一方面连接到永久性存储器PM。
如本发明提出的集成电路TIC的特征在于以下关系。
主要地，所述集成电路TIC包括硬接线逻辑顺序电路作为专用处理单元DPU。
专用处理单元DPU仅专用于执行微程序，微程序是在RFID智能标签和外部数字传感器EDS1、…、EDSK之间执行通信所需的并且足以用于该通信。其仅能够处理有限的微指令集，微指令集被存储在永久性存储器PM的用户部分UP中或在缓冲区Bu中被连续下载。
专用处理单元DPU能够解码和执行12个预定8位微指令证明是合适的。这些微指令被呈现在本发明的主题描述的结尾处的表中。一些微指令仅由指令代码组成，而其他微指令由跟随有8位数据的指令代码组成。例如，一个微指令使得可以从外部数字传感器读取数据并且将所述数据写入永久性存储器PM。
所述专用处理单元DPU连接到数字通信接口DCI。它们一起建立外部数字传感器接口EDSI。
一方面通过永久性存储器PM，另一方面通过缓冲区Bu，所述专用处理单元DPU连接到标签的逻辑顺序电路TLSC，所述缓冲区是先存储的数据被先从中取回的这样类型的缓冲区（FIFO缓冲区）。
所述专用处理单元DPU还连接到定时器T。
一方面，系统部分SP有利地形成在永久性存储器PM中，其中也存储了外部数字传感器接口EDSI的操作所需的参数：用于根据I2C标准进行通信的外部数字传感器EDS1、…、EDSK的7位地址s1a、…、sKa，用于所述微程序的相应程序页的使能标记f1、…、fK’，以及用于标签的数字通信接口DCI与所述外部数字传感器的所述通信的时钟信号的频率csf，根据I2C标准，通信的频率在100kHz,400kHz或1MHz。
另一方面，用户部分UP也有利地形成在永久性存储器PM中。通过RFID询问器，用户可访问用户部分UP。当存在附接的外部数字传感器EDS1、…、EDSK时，用户部分UP通常存储许多具有16个8位字节的程序页pp1、…、ppK。如设计RFID标签时预期的，如果附接较少的外部数字传感器，则这些程序页可以被单独使能或者连结成较长的程序页进行使能。
传感器地址s1a、…、sKa和程序页pp1、…、ppK的分离的存储节省了永久性存储器PM的用户部分UP中的空间，同时使得访问永久性存储器PM的用户部分UP的RFID询问器可以下载微程序。
每个附接的外部数字传感器的具有16个8位字节的一个程序页的微程序被预期用于执行本发明的方法。
所述缓冲区Bu包括具有16个8位字节的一个程序页。
将继续描述如本发明提出的集成电路TIC的操作（图1）。
在本发明的方法的第一实施方式中，以RFID智能标签作为自动数据记录器进行操作的方式，借助RFID询问器设定本发明的集成电路TIC的功能。图1a中示出了标签集成电路TIC的元件，借助这些元件，RFID智能标签执行数据记录器功能。
在均匀的时间间隔中，定时器T需要与所选择的外部数字传感器进行通信以启动。在永久性存储器PM的系统部分SP中，专用处理单元DPU检查其必须执行哪个程序页，并且使用外部数字传感器的相应地址。专用处理单元DPU在各个微指令之后从永久性存储器PM读取和执行微程序。数字通信接口DCI使能所选择的外部数字传感器并且在其中写入设定。数字通信接口DCI要求传感器获得的数据的模数转换，在微程序确定的时延之后读取转换结果，并且将转换结果写入永久性存储器PM。
在本发明的方法的第二实施方式中，在第一个方式中，以RFID智能标签作为无线传感器进行操作的方式，借助RFID询问器设定本发明的集成电路TIC的功能。图1b中示出了标签集成电路TIC的元件，借助这些元件，RFID智能标签执行无线传感器功能。
利用专用命令，RFID询问器需要执行加载在标签永久性存储器PM的用户部分UP中的微程序，并且还提供程序页必须被执行的信息。专用处理单元DPU在永久性存储器PM的系统部分SP中读取外部数字传感器的相应地址，在各个的微指令之后，从永久性存储器PM读取和执行微程序。数字通信接口DCI使能所选择的外部数字传感器，在其中写入设定，需要传感器获得的数据的模数转换，并且在微程序确定的时延之后，读取转换结果并将转换结果写入缓冲区Bu中。RFID询问器从缓冲区Bu读取数据。
在本发明的方法的第三实施方式中，在第二个方式中，以RFID智能标签作为无线传感器进行操作的方式，借助RFID询问器设定本发明的集成电路TIC的功能。图1c中示出了标签集成电路TIC的元件，借助这些元件，RFID智能标签执行无线传感器功能。
利用专用命令，RFID询问器将微程序写入所述类型的缓冲区Bu中，并且指示外部数字传感器的地址上的、必须被使用的信息。专用处理单元DPU在永久性存储器PM的系统部分SP中读取外部数字传感器的相应地址，在各个微指令之后，从缓冲区Bu读取和执行微程序。此时，标记“FIFO忙”以信号方式通知缓冲区Bu正在使用中。数字通信接口DCI使能所选择的外部数字传感器，在其中写入设定，要求传感器获得的数据的模数转换，并且在微程序确定的时延之后，读取转换结果并将转换结果写入缓冲区Bu中。RFID询问器从缓冲区Bu读取数据。本发明的方法的这个实施方式使得可以按不同长度的模数转换时间对外部数字传感器进行处理。
下表中示出的并且可能被分类成5组的12个微指令的组被建议用在本发明的RFID智能标签中。
使能和供电信号的控制（微指令1号）：
其包括来自集成电路的输出信号s1、…、sK的控制，当所述传感器在需要模数转换之前不需要供电时，这些信号被用作使能外部数字传感器的信号。
时延（微指令2、3和4号）：
例如，在接通供电或发出转换要求之后，用户确定执行的时延。
基本I2C符号（微指令5和6号）：
作为I2C协议部分的开始符号和停止符号。
基本I2C命令（微指令7和8号）：
基本命令，诸如用于读取数据和写入数据的命令，其由开始符号、R位或W位、7位传感器地址和关于写入或读取数据所需的时钟信号的数据组成。
复杂I2C命令（微指令9、10、11和12号）：
它们被提供以改变外部传感器的设定，并且被设计成能够从传感器读取数据，在所述数据中仅重置某些位，并且将结果写回到传感器。
表

Claims (21)

1.一种利用射频识别RFID智能标签从外部数字传感器获取数据的方法，
根据所述方法
所述外部数字传感器的地址，
用于微程序的页的使能标记，其是执行所述RFID智能标签和所述传感器之间的通信所需的并且足以用于所述通信，以及
用于数字通信接口(DCI)与所述传感器通信的时钟信号的频率
被存储在所述标签的永久性存储器(PM)中，
其特征在于，
所述微程序存储在RFID询问器能够访问的标签存储器(PM；Bu)中，以及
标签的硬接线专用处理单元(DPU)通过所述数字通信接口(DCI)读取、解码和执行所述微程序。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RFID询问器通过RFID接口(RFIDI)将所述微程序存储在所述标签的永久性存储器(PM)的用户部分(UP)中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，微控制器通过串行接口(SI)将所述微程序存储在所述标签的永久性存储器(PM)的用户部分(UP)中。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，定时器(T)触发所述专用处理单元(DPU)以开始执行所述微程序。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，从所述外部数字传感器获取的数据以能够被所述RFID询问器访问的方式被存储在所述永久性存储器(PM)中。
6.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述RFID询问器利用RFID命令触发所述专用处理单元(DPU)以开始执行所述微程序。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述RFID询问器利用RFID命令确定要被所述专用处理单元(DPU)执行的所述微程序的程序 页。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RFID询问器将所述微程序存储在如下类型的缓冲区(Bu)中：先存储的数据先被从所述缓冲区(Bu)中取回。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述缓冲区(Bu)以信号形式向所述专用处理单元(DPU)通知所述微程序的下载已完成之后，所述专用处理单元(DPU)开始执行所述微程序。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，从所述外部数字传感器获取的数据被存储在如下类型的缓冲区(Bu)的开始位置：先存储的数据先被从所述缓冲区(Bu)中取回。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述RFID询问器利用RFID命令从所述缓冲区(Bu)读取所述数据。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，从所述外部数字传感器获取的数据被存储在所述缓冲区(Bu)的开始位置。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述RFID询问器利用RFID命令从所述缓冲区(Bu)读取所述数据。
14.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所有所述微程序使用具有相同格式和相同代码的微指令。
15.一种用于从外部数字传感器获取数据的射频识别RFID智能标签的集成电路，包括：
数字通信接口(DCI)，外部数字传感器附接到所述数字通信接口(DCI)，
RFID接口(RFIDI)和串行接口(SI)，
永久性存储器(PM)，
逻辑顺序电路(TLSC)，其一方面连接到所述RFID接口(RFIDI)和所述串行接口(SI)，另一方面连接到所述永久性存储器(PM)，以及
定时器(T)，
其特征在于，
所述集成电路包括硬接线逻辑顺序电路作为专用处理单元(DPU)，所述专用处理单元(DPU)仅能够执行微程序，所述专用处理单元(DPU) 是执行所述RFID智能标签和所述传感器之间的通信所需的并且足以用于所述通信，
所述专用处理单元(DPU)连接到所述数字通信接口(DCI)，
所述专用处理单元(DPU)一方面通过所述永久性存储器(PM)，另一方面通过如下类型的缓冲区(Bu)连接到所述逻辑顺序电路(TLSC)：先存储的数据先被从所述缓冲区(Bu)中取回，以及
所述专用处理单元(DPU)连接到所述定时器(T)。
16.如权利要求15所述的集成电路，其特征在于，所述专用处理单元(DPU)仅能够解码和执行12个8位微指令。
17.如权利要求16所述的集成电路，其特征在于，在所述永久性存储器(PM)中形成系统部分(SP)，在所述系统部分(SP)中，存储所述外部数字传感器的地址、用于所述微程序的页的使能标记以及用于所述数字通信接口(DCI)与所述传感器通信的时钟信号的频率。
18.如权利要求17所述的集成电路，其特征在于，在所述永久性存储器(PM)中形成用户部分(UP)，所述用户部分(UP)能够被RFID询问器访问，并且包括每个附接的外部数字传感器的、具有16个8位字节的一个程序页。
19.如权利要求18所述的集成电路，其特征在于，对于每个附接的外部数字传感器，所述微程序占用具有16个8位字节的一个程序页。
20.如权利要求19所述的集成电路，其特征在于，如果程序页的数目超过所附接的所述传感器的数目，则单独的程序页能够连结成较长的程序页。
21.如权利要求20所述的集成电路，其特征在于，所述缓冲区(Bu)包括具有16个8位字节的一个程序页。
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