CN103810521B - 无源rfid电子标签数字基带处理器 - Google Patents

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Abstract

一种无源RFID电子标签数字基带处理器，包括：一解码器模块；一指令解析模块与解码器模块连接；一循环校验模块与解码器模块连接；一状态机控制模块与指令解析模块连接；一存储器控制模块与状态机控制模块连接；一片上传感器接口模块与状态机控制模块连接；一外部传感器接口模块与状态机控制模块连接；一电源管理模块与状态机控制模块连接；一防碰撞计数模块与状态机控制模块的连接；一编码器模块与循环校验模块连接，本发明可以使得无源RFID电子标签与外部传感器及片上传感器均可相连接并进行数据交互。

Description

无源RFID电子标签数字基带处理器
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，特别涉及一种无源RFID电子标签数字基带处理器。该无源RFID电子标签数字基带处理器可应用于具有低功耗需求的芯片电路系统，如无源超高频RFID电子标签芯片系统。
背景技术
RFID电子标签凭借其实现成本低、阅读距离远、阅读速度快等优点，已经被广泛应用于物流管理、公共运输等领域。随着RFID电子标签应用领域日益宽广，RFID电子标签不仅具有识别目标和读写目标数据等功能，还可以通过集成或外界传感器以实现环境感知和环境监测的功能。通过传感器接口模块电路，RFID电子标签可以与多种不同类型的传感器相连接并进行数据通信，进而可以对传感器进行操作并读取传感器测量数据，例如湿度、温度和光照值等。
无源RFID电子标签工作所需的能量全部来自射频模拟前端接收来自阅读器发射的射频信号能量，而且标签工作距离的远近与功耗大小存在制约关系，标签的功耗越低，可工作的距离范围越大。因此，功耗大小是衡量无源RFID电子标签性能高低的重要指标。
无源RFID电子标签通过EPC C1G2UIF RFID通信协议与阅读器进行数据交互。在无源RFID电子标签中，该协议全部在数字基带处理器中实现完成的。因此，数字基带处理器的工作功耗占整体芯片功耗的比重相当可观。在CMOS工艺条件下，有些传感器可以集成在RFID电子标签芯片中，由于工艺条件的限制，某些非CMOS工艺传感器很难集成在标签芯片中。除此之外，由于芯片功耗的限制因素，在无源RFID电子标签芯片中集成多种传感器，会提高整体标签的工作功耗，从而对无源RFID电子标签工作距离产生较大影响。因此，在无源RFID电子标签的数字基带处理器中加入片上传感器接口模块和外部传感器接口模块，可以使得无源RFID电子标签不仅可以集成片上传感器，也可以与外部传感器相连接并进行数据交互，极大地扩展了RFID电子标签的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种无源RFID电子标签数字基带处理器，其可以使得无源RFID电子标签与外部传感器及片上传感器均可相连接并进行数据交互。
本发明提供一种无源RFID电子标签数字基带处理器，包括：
一解码器模块；
一指令解析模块，其输入端与解码器模块的一输出端连接；
一循环校验模块，其输入端与解码器模块的另一输出端连接；
一状态机控制模块，其第一输入端与指令解析模块的输出端连接，其第二输入端与循环校验模块的一输出端连接；
一存储器控制模块，其输入端与状态机控制模块的第一数据接口连接；
一片上传感器接口模块，其一输入端与状态机控制模块的第二数据接口连接，其另一输入端与存储器控制模块的另一数据接口连接；
一外部传感器接口模块，其输入端与状态机控制模块的第三数据接口连接；
一电源管理模块，其输入端与状态机控制模块的第三输出端连接；
一防碰撞计数模块，其输入端与状态机控制模块的第二输出端连接；
一编码器模块，其第一输入端与循环校验模块的另一输出端连接，其第二输入端与状态机控制模块的第一输出端连接，其第三输入端与防碰撞计数模块的输出端连接。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明所述无源RFID电子标签数字基带处理器包含有片上传感器接口模块和外部传感器接口模块，因此其不仅可以与集成于RFID电子标签芯片上的片上传感器进行数据交互，也可以与外部传感器进行数据交互。所述外部传感器接口模块符合I2C串行总线接口协议，数字基带处理器可以通过该模块与符合I2C串行总线接口协议的外部传感器相互通信，操作外部传感器并获取和处理由外部传感器产生的测量数据。
2、本发明所述无源RFID电子标签数字基带处理器中的电源管理模块采用多时钟控制技术，由于不同模块工作所需的时钟频率不同，所述电源管理模块将输入的总时钟信号进行分频，产生多路不同频率的时钟信号，提供所述基带处理器中各个模块的时钟信号，相应模块可以工作在低于总时钟频率的分频时钟信号，采用此方法可以达到降低数字基带处理器工作功耗的目的。
3、本发明所述无源RFID电子标签数字基带处理器中的电源管理模块采用时钟门控技术，由于处理器工作在不同状态时所需要运行的模块不同，不同模块在相应的状态下可以选择开启或者关闭。例如，处理器在接收射频模拟前端的数据时，只需要启动与接收相关的模块，此时编码器模块、存储器控制模块、片上传感器接口模块与外部传感器接口模块均可以关闭。本发明中，开启和关闭模块是采用控制模块的时钟信号的方式；当要开启一个模块的时候，电源管理模块提供给该模块所需的时钟信号；当要关闭一个模块的时候，电源管理模块将该模块的时钟信号置为低电平。采用时钟门控技术，可以降低数字基带处理器的平均工作功耗。
4、本发明提供的无源RFID电子标签数字基带处理器适合于在有低功耗需求和传感器应用需求的无源超高频RFID电子标签识别领域中使用。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参考附图，对本发明进行进一步详细说明，其中：
图1是无源超高频RFID射频标签系统框图；
图2是图1中本发明无源RFID电子标签数字基带处理器的结构框图；
图3是本发明无源RFID电子标签数字基带处理器中外部传感器接口模块的串行总线接口协议工作原理图；
图4是本发明无源RFID电子标签数字基带处理器中片上传感器接口模块的接口工作原理图；
图5是本发明无源RFID电子标签数字基带处理器中电源管理模块的工作原理图；
图6是本发明无源RFID电子标签数字基带处理器中电源管理模块采用的时钟门控技术原理图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提出的一种无源RFID电子标签数字基带处理器，可以使得数字基带处理器15与片上传感器17和外部传感器18进行数据交互，通过外部传感器接口模块27操作外部传感器18并获取和处理由外部传感器18产生的测量数据。通过片上传感器接口模块26操作片上传感器17并获取和处理由片上传感器17产生的测量数据。本发明所述的一种无源RFID电子标签数字基带处理器采用了低功耗设计技术，包括多时钟技术和时钟门控技术。通过低功耗的设计方法，可以在满足数字基带处理器正常工作的同时，降低基带处理器的工作功耗。该无源RFID电子标签数字基带处理器适合于在有低功耗需求的无源超高频RFID电子标签芯片中使用。
如图1所示，图1是采用本发明所提出的无源RFID电子标签数字基带处理器的无源超高频RFID射频标签系统结构图。无源RFID电子标签不携带电池供电，其工作能量全部通过接收射频信号获得。天线11接收由阅读器10发射的射频信号，由标签内部的射频模拟前端电路中的整流器12把射频信号转换为直流能量，为标签其他电路模块提供工作电源。经过射频模拟前端电路中解调器13后的数据输入到数字基带处理器15中进行基带数据处理，处理过程完全符合EPC Class1Generation一2UHF RFID通信协议的协议规范。数字基带处理器15根据功能需要，分别与标签芯片上的非易失性存储器16、片上传感器17和标签外部传感器18进行数据交互。射频模拟前端电路的调制器14接收数字基带处理器15输出的待发送的数据，采用反向散射的方式调制数据并通过天线11将数据发射给阅读器10，使得无源RFID电子标签与阅读器10进行无线通信。
请参阅图2所示，本发明提供一种无源RFID电子标签数字基带处理器，包括：
一解码器模块21，其所述解码器模块21的输入端为基带输入数据端，所述解码器模块21接收从无源RFID电子标签的射频模拟前端输出的已解调数据作为基带输入数据，经过解码器模块21解码后将数据分别送入指令解析模块22和循环校验模块23。
一指令解析模块22，其输入端与解码器模块21的一输出端连接，所述指令解析模块22对接收到的已解码数据进行解析，识别出相应指令信息以及待处理的数据信息，并将指令和数据输入到状态机控制模块24中进行进一步处理。
一循环校验模块23，其输入端与解码器模块21的另一输出端连接，所述循环校验模块23对接收到的已解码数据进行循环校验计算，通过循环校验结果判断接收到的数据信息是否正确无误，并将循环校验结果输入到状态机控制模块24中进行进一步处理。
一状态机控制模块24，其第一输入端与指令解析模块22的输出端连接，其第二输入端与循环校验模块23的一输出端连接，所述状态机控制模块24从指令解析模块22接收待处理的指令和数据，状态机控制模块24从循环校验模块23接收循环校验的结果，如果循环校验结果错误，状态机控制模块24输出指令无效信号，指示解码器模块21重新接受新数据，如果循环校验结果正确，状态机控制模块24则根据输入的待处理指令和数据，分别对存储器控制模块25、片上传感器接口模块26、外部传感器接口模块27、防碰撞计数模块29和电源管理模块28发送控制信号。
一存储器控制模块25，其输入端与状态机控制模块24的第一信号接口连接，所述存储器控制模块25根据从状态机控制模块24接收到的控制信号，产生地址信号和读写数据操作信号，对集成于无源RFID电子标签上的非易失性存储器16进行操作。存储器控制模块25包括一路写入数据线、一路读出数据线、一路地址线、五路工作模式指示信号和两路操作完成指示信号，该模块可操作非易失性存储器16(参阅图1)进行五种工作模式，分别是复位操作、写操作、读操作、存储操作和预寄存操作，该模块每次可对16位存储单元进行写操作或者读操作，该模块在存储操作过程中，将数据从地址所选中的寄存器单元写入到非易失性存储单元中，该模块在预寄存操作过程中，从地址所选中的非易失性存储单元中读出数据到对应的寄存器单元中，当存储操作完成后，存储器向数字基带处理器发送两路指示信号，表示操作结束以及操作是否成功。
一片上传感器接口模块26，其一输入端与状态机控制模块24的第二信号接口连接，其输入端与存储器控制模块25的信号接口连接，所述片上传感器接口模块26根据从状态机控制模块24接收到的控制信号，产生片上传感器控制字，通过片上传感器接口26对集成于无源RFID电子标签上的片上传感器17进行操作。
根据图4所示，片上传感器接口模块26中的传感器接口包括一路输入数据线、一路输出数据线、一路时钟信号、一路复位信号、一路测量开启信号和一路测量结束信号。其输入数据线为8位宽度，用于向片上传感器17(参阅图1)输入8位控制字，测量开启信号为高电平有效，用于指示片上传感器17进行测量操作，输出数据线为13为宽度，用于将片上传感器17的测量结果数据输出到数字基带处理器15中，测量结束信号线为高电平有效，当片上传感器17测量结束后，其向数字基带处理器15发送测量结束信号，完成测量过程。其中T1为测量开启信号有效之前的数据准备时间，T2为片上传感器17的测量时间(参阅图4)。
一外部传感器接口模块27，其输入端与状态机控制模块24的第三信号接口连接，所述外部传感器接口模块27为符合I2C串行总线接口协议的模块，协议规定的两条总线线路分别是串行数据线和一条串行时钟线，数字基带处理器15通过所述外部传感器接口模块27与符合I2C串行总线接口协议的外部传感器18(参阅图1)相互通信。所述外部传感器接口模块27根据从状态机控制模块24接收到的控制信号，产生外部传感器控制字，通过I2C串行总线接口对连接到无源RFID电子标签的外部传感器18进行操作，并获取和处理由外部传感器18产生的数据信息(参阅图3)。
如图3所示，外部传感器接口模块27符合I26串行总线接口协议。图3是I26串行总线协议的数据传输示意图。按照I26串行总线协议要求，两条总线线路包括串行数据线(SDA)和一条串行时钟线(SCL)，该两条总线连接数字基带处理器15和外部传感器18，并在两者之间传递信息，包括传感器操作命令和传感器测量数据。数据SDA线和时钟SCL线都是双向线路，都通过一个上拉电阻连接到正电源电压。当总线空闲时，两条线路都是高电平。外部传感器接口模块27通过控制SDA线和SCL线的信号，来开启或关闭外部传感器18。按照I2C串行总线协议要求，当SCL线是高电平时，SDA线从高电平转换为低电平，这个过程表示开启总线，指示传感器总线传输开始；当SCL是高电平时，SDA线从低电平转换为高电平，这个过程表示关闭总线，指示传感器总线传输结束。除了开启总线和关闭总线两个状态以外，在数据SDA线上的数据必须在时钟SCL线的高电平周期保持稳定，数据SDA线的高或低电平状态只有在时钟SCL线的时钟信号低电平周期才能改变。根据图3所示，SCL线和SDA线的时序特性满足I2C串行总线协议要求，其中1/fscl为SCL线的时钟周期，tSCLH为SCL线的高电平时间，tSCLL为SCL线的低电平时间，tR为SCL线和SDA线的上升时间，tF为SCL线和SDA线的下降时间，tSU为SDA线的建立时间，tHD为SDA线的保持时间。
一电源管理模块28，其输入端与状态机控制模块24的第三输出端连接，所述电源管理模块28对输入总时钟信号按照不同的分频比进行分频，提供各个模块所需要的不同频率的时钟信号，以及根据接收状态机控制模块24的控制信号，产生启动或关闭其他模块的使能信号。(参阅图5)
如图5所示，图5是本发明提出的无源RFID电子标签数字基带处理器中电源管理模块28的工作原理图。所述电源管理模块28接收从状态机控制模块24和指令解析模块22输出的指令信号，电源管理模块28采用多时钟技术，将输入的总时钟信号按照不同分频比进行分频，产生其他各个模块工作所需的时钟信号。与此同时，如图6所示，电源管理模块28采用时钟门控技术，根据数字基带处理器15所处的相应工作状态，产生对于其他模块的使能信号，包括解码器模块21、编码器模块30、存储器控制模块25、片上传感器接口模块26和外部传感器接口模块27。当这些模块处于工作状态时，使能信号有效，通过图6所示的门控电路，开启输入给模块的时钟信号，使模块保持开启状态；当这些模块处于空闲状态时，使能信号无效，通过图6所示的门控电路，关闭输入给模块的时钟信号，使模块进入关闭状态。本发明中的电源管理模块28可以降低数字基带处理器的平均工作功耗。
一防碰撞计数模块29，其输入端与状态机控制模块24的第二输出端连接，所述防碰撞计数模块29根据通信协议的规范要求，按照防碰撞机制原理对标签进行防碰撞控制。
一循环校验模块23计算产生循环校验码序列，输出到编码器模块30，与待发送数据一并进行组包和编码操作。按照通信协议的规范要求，其产生的循环校验码序列为16位循环校验码。
一编码器模块30，其第一输入端与循环校验模块23的另一输出端连接，其第二输入端与状态机控制模块24的第一输出端连接，其第三输入端与防碰撞计数模块29输出端连接，所述编码器模块30的输出端为基带输出数据端。所述编码器模块30接收来自状态机控制模块24的待发送数据和来自循环校验模块23的循环校验码序列，按照通信协议规范要求完成组包和编码操作，将编码后的数据输出到射频模拟前端电路进行调制发射。
参阅图6，图6是本发明无源RFID电子标签数字基带处理器中电源管理模块采用的时钟门控技术原理图。
以上所述的系统框图和实施电路图，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无源RFID电子标签数字基带处理器，包括：
一解码器模块；
一指令解析模块，其输入端与解码器模块的一输出端连接；
一循环校验模块，其输入端与解码器模块的另一输出端连接；
一状态机控制模块，其第一输入端与指令解析模块的输出端连接，其第二输入端与循环校验模块的一输出端连接；
一存储器控制模块，其输入端与状态机控制模块的第一数据接口连接；
一片上传感器接口模块，其一输入端与状态机控制模块的第二数据接口连接，其另一输入端与存储器控制模块的另一数据接口连接；
一外部传感器接口模块，其输入端与状态机控制模块的第三数据接口连接；
一电源管理模块，其输入端与状态机控制模块的第三输出端连接；
一防碰撞计数模块，其输入端与状态机控制模块的第二输出端连接；
一编码器模块，其第一输入端与循环校验模块的另一输出端连接，其第二输入端与状态机控制模块的第一输出端连接，其第三输入端与防碰撞计数模块的输出端连接；
其中所述存储器控制模块包括一路写入数据线、一路读出数据线、一路地址线、五路工作模式指示信号和两路操作完成指示信号，该模块可操作非易失性存储器进行五种工作模式，分别是复位操作、写操作、读操作、存储操作和预寄存操作，该模块每次可对16位存储单元进行写操作或者读操作，该模块在存储操作过程中，将数据从地址所选中的寄存器单元写入到非易失性存储单元中，该模块在预寄存操作过程中，从地址所选中的非易失性存储单元中读出数据到对应的寄存器单元中，当存储操作完成后，存储器向数字基带处理器发送两路指示信号，表示操作结束以及操作是否成功。
2.根据权利要求1所述的无源RFID电子标签数字基带处理器，其中所述解码器模块的输入端为基带输入数据端。
3.根据权利要求1所述的无源RFID电子标签数字基带处理器，其中所述编码器模块的输出端为基带输出数据端。
4.根据权利要求1所述的无源RFID电子标签数字基带处理器，其中所述外部传感器接口模块为符合I2C串行总线接口协议的数据接口模块。
5.根据权利要求1所述的无源RFID电子标签数字基带处理器，所述片上传感器接口模块中的传感器接口包括一路输入数据线、一路输出数据线、一路时钟信号、一路复位信号、一路测量开启信号和一路测量结束信号，其输入数据线用于向片上传感器输入8位控制字，结合测量开启信号一同指示片上传感器进行测量操作，输出数据线用于将片上传感器的测量结果数据输出到数字基带处理器中，当片上传感器测量结束后，向数字基带处理器15发送测量结束信号，完成测量过程。
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