CN108171304A - 一种基于epc/c-1/g-2标准的超高频rfid标签数字基带低功耗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于EPC/C‑1/G‑2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统；增加了功耗管理模块；用来处理动态功耗管理，采用门控时钟对其它模块进行功耗控制，根据需求打开和关闭相应的模块时钟以降低功耗；本发明根据EPC/C‑1/G‑2标准的UHF RFID协议，根据功能将系统划分为各个独立的模块，并设计一个功耗控制单元，根据需求打开和关闭相应的模块时钟，还通过使用异步计数器，门控时钟，格雷码，并行CRC计算等方法以实现降低功耗。

Description

一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功 耗系统

技术领域

本发明涉及一种低功耗设计，具体来讲是一种适用于物联网中采用EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带的低功耗设计。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification)是一种利用电磁波进行双向非接触数据传输的技术。其不需要被识别物体在识别物体视距范围内即可工作。是物联网的关键技术之一。而无源超高频射频识别技术(UHFRFID)，相对于其他频段的射频识别技术而言，具有阅读距离远、、穿透性强、通信速率快，可识别高速运动物体等优点。

研究表明，电子标签接收到的瞬时能量与其工作距离的平方成反比，标签的功耗越低，可工作的距离越远。因此，功耗成为决定标签工作性能的关键因素。一个标签芯片主要包括天线部分、射频前端、数字基带部分和数据存储部分。如图1所示。数字基带部分作为协议执行的核心部件，其功耗大约占整个标签功耗的40％。因此，数字基带的低功耗设计成为降低标签功耗的一个突破口。

标签对指令信号的处理操作是串行的，依次为：接收信号解码→CRC码校验→指令解析→指令处理(包括防碰撞机制和权限认证、读写EEPROM)→CRC码生成→发送编码信号。一个EPC/C-1/G-2标准的UHF RFID标签数字基带系统主要包括：时钟模块、检测模块、译码模块、CRC模块、指令寄存器模块、存储器控制模块、状态机模块、回复控制模块、编码模块、加密模块等。如图2所示。

目前电子标签数字基带部分的架构一般采用按照功能划分的有限状态机结构，或者采用基于CISC指令集的CPU结构，但这两类结构在划分上都没有考虑到电子标签低功耗的需求，通常是多个模块协同配合、同时工作，因而会产生较大的瞬时功耗。

发明内容

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统；本发明根据EPC/C-1/G-2标准的UHF RFID协议，根据功能将系统划分为各个独立的模块，并设计一个功耗控制单元，根据需求打开和关闭相应的模块时钟，还通过使用异步计数器，门控时钟，格雷码，并行CRC计算等方法以实现降低功耗。

本发明是这样实现的，构造一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，包括检测模块、译码模块、时钟模块、指令寄存器模块、状态机模块、CRC模块、存储器控制模块、EPPROM模块、回复模块、编码模块、加密模块；其特征在于：

该系统还包括功耗管理模块；用来处理动态功耗管理，采用门控时钟对其它模块进行功耗控制，根据需求打开和关闭相应的模块时钟以降低功耗。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：该系统采用全局门控和局部门控相结合的方式，最大限度降低电路的功耗；该系统通过功耗管理模块进行系统级的功耗管理；具体就是通过功耗管理模块与各个模块的握手通信，由功耗管理模块控制各个模块时钟的开启和关闭；当模块X需要工作时，功耗管理模块将该模块的使能信号X_EN置高，clock与使能信号相关联后送至该模块驱动其寄存器工作；当模块X工作结束后，想功耗管理模块提供一个脉冲信号X_done，功耗管理模块接收到此信号后将X_EN置低，从而关断模块X的时钟，与此同时功耗管理模块要开启下一个将要工作的模块时钟。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：为避免输出产生毛刺，可使用负沿触发的寄存器和与门组合的形式构成门控单元。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：全局门控减少的是模块级的功耗，对于模块内部，可借助综合工具DC自动插入集成的门控时钟，这样当模块内的局部电路不需要工作时可以关断这部分电路的时钟，进而减少不必要的功耗。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：该系统中所有模块中的状态均采用格雷码的方式对相邻状态进行编码，以保证状态之间切换只有1bit的数据变化。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：本方案采用了10bits的计数器。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：计数器采用行波计数器来实现。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：计数器采用二分频级联的形式，第一级用正沿触发的寄存器，由系统时钟驱动，第二级用负沿触发的寄存器，由第一级对系统时钟二分频后的时钟驱动，以后每级均为负沿触发的寄存器，均由前一级的二分频时钟驱动；其中，后一级触发器时钟翻转率均为前一级的二分之一，最后一级的时钟翻转率为第一级的1/2^N-1，因此最后一级相当于是用频率为1/2^N-1*f_s的时钟在工作。

另一方面，所述一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：对于CRC模块采用并行CRC-16设计；其计算方法流程如下：

(1)预置CRC寄存器为16进制FFFF；

(2)将阅读器发出的二进制数据CRC[0:7]进行亦或操作，并存储至低八位；

(3)CRC寄存器右移，最高位置0，并移出校验位；

(4)若校验值为0，则重复操作，若校验值为1，则对CRC寄存器进行异或操作；

(5)继续执行右移操作，CRC寄存器低八位全部移出为止；

(6)重复以上操作，进行下一组通信数据的校验；

所有命令信息处理完毕后，交换寄存器的高8位和低8位数据，寄存器内数据就是CRC的校验码。

本发明具有如下优点：本发明在此提供一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统；本发明按照功能将系统划分成相对独立的模块，各个模块之间逻辑关系清晰、控制灵活，有利于门控时钟管理和并行操作；多模块的细化可以使整个芯片功耗均匀分布到各个模块，有效避免产生较大的瞬时功耗。本发明具有如下改进及优点：

优点1：本发明根据EPC/C-1/G-2标准的UHF RFID协议要求，根据功能将系统划分为各个独立的模块，通过增加一个功耗管理单元，用来处理动态功耗管理，采用门控时钟对其它模块进行功耗控制，根据需求打开和关闭相应的模块时钟，并通过使用异步计数器，门控时钟，格雷码，并行CRC计算等方法以实现降低功耗。

优点2：本发明与现有技术相比，不同在于；增加了一个功耗管理模块，用来处理动态功耗管理，采用门控时钟对其它模块进行功耗控制，根据需求打开和关闭相应的模块时钟以降低功耗。

优点3：本发明实施时，采用功耗管理模块可以使各个模块分阶段有序进行工作，且避免了处于空闲状态的模块由于时钟翻转所造成的时钟网络及相关寄存器上的功耗。为避免输出产生毛刺，可使用负沿触发的寄存器和与门组合的形式构成的门控单元；如图6所示。

优点4：本发明实施时，全局门控减少的是模块级的功耗，对于模块内部，可借助综合工具DC自动插入集成的门控时钟，这样当模块内的局部电路不需要工作时可以关断这部分电路的时钟，进而减少不必要的功耗。

优点5：由于在解码模块、编码模块、状态转换模块等中包含大量的状态转换，相邻状态之间的翻转和跳变会给数字电路带来不可忽视的功耗，在本发明中，所有模块中的状态均采用格雷码的方式对相邻状态进行编码，以保证状态之间切换只有1bit的数据变化，其好处是这样可以降低很多功耗。

优点6：在本发明中，由于状态判断和解码等过程是通过计数器来实现的；本方案采用了10bits的计数器；由于计数器在解码过程以及状态判断过程中需要一直不停的翻转计数，势必会造成很大功耗，为了尽量减少由于计数翻转所导致的功耗，可采用行波计数器来实现；计数器如图8所示。

优点7：此异步计数器采用二分频级联的形式，第一级用正沿触发的寄存器，由系统时钟驱动，第二级用负沿触发的寄存器，由第一级对系统时钟二分频后的时钟驱动，以后每级均为负沿触发的寄存器，均由前一级的二分频时钟驱动。由图中可以看出后一级触发器时钟翻转率均为前一级的二分之一，最后一级的时钟翻转率为第一级的1/2^N-1，因此最后一级相当于是用频率为1/2^N-1*f_s的时钟在工作。这样异步计数器可以大大减少在计数过程中由于时钟引脚频繁翻转而造成的寄存器消耗。

优点8：本发明实施时，对于CRC模块，若采用CRC-16串行编码的校验方式，因为CRC-16校验的电路结构为顺序执行，所以校验数据效率低，要提高传输频率，则需要提高该模块的时钟频率，但低功耗设计要求时钟的工作频率应该尽量降低，因此可以采用并行CRC-16设计。

附图说明

图1为标签结构框图；

图2为传统标签数字基带结构框图；

图3为本发明数字基带处理指令过程示意图；

图4为本发明带有功耗管理模块的数字基带系统示意图；

图5为本发明功耗管理模块工作方式示意图；

图6为本发明门控单元示意图；

图7为本发明局部门控示意图；

图8为本发明行波计数器示意图。

具体实施方式

下面将结合附图1-图8对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统；如图3-图8所示，实现方式如下：

通过对协议的解读分析，可以得出系统对单个命令的处理过程为：首先数据检测模块检测命令数据的低电平，一旦检测到下降沿就意味着一条命令的开始；然后就是解码；解码之后进行命令解析来确定接收到的命令；然后根据命令来判断是否需要进行CRC校验以及进行哪种校验，若需要校验则需将解码后的数据经寄存器进行并串转换并传送给CRC-5或CRC-16单元进行校验；判断校验结果正确之后，状态控制单元加载命令进行命令的处理，包括状态的转换、参数的设置以及对存储器的读写操作等；在确定了要返回的数据之后，状态控制单元会将要返回的数据送至寄存器进行并串转换，寄存器根据相应的控制将串行数据送给CRC-16进行CRC编码或者直接送往编码模块进行编码输出。各个模块的工作情况如图3所示。

本方案按照功能将系统划分成相对独立的模块，各个模块之间逻辑关系清晰、控制灵活，有利于门控时钟管理和并行操作；多模块的细化可以使整个芯片功耗均匀分布到各个模块，有效避免产生较大的瞬时功耗。

本发明与现有技术相比，不同在于；增加了一个功耗管理模块，用来处理动态功耗管理，采用门控时钟对其它模块进行功耗控制，根据需求打开和关闭相应的模块时钟以降低功耗。整个系统的框图如图4所示。

在发明在实施时，采用了全局门控和局部门控相结合的方式，最大限度降低电路的功耗。在全局门控方面，通过功耗管理模块进行系统级的功耗管理。具体就是通过功耗管理模块与各个模块的握手通信，由功耗管理模块控制各个模块时钟的开启和关闭。当模块X需要工作时，功耗管理模块将该模块的使能信号X_EN置高，clock与使能信号相关联后送至该模块驱动其寄存器工作。当模块X工作结束后，想功耗管理模块提供一个脉冲信号X_done，功耗管理模块接收到此信号后将X_EN置低，从而关断模块X的时钟，与此同时功耗管理模块要开启下一个将要工作的模块时钟。功耗管理模块与各个模块的握手通信如图5所示。

本发明实施时，采用功耗管理模块可以使各个模块分阶段有序进行工作，且避免了处于空闲状态的模块由于时钟翻转所造成的时钟网络及相关寄存器上的功耗。为避免输出产生毛刺，可使用负沿触发的寄存器和与门组合的形式构成的门控单元；如图6所示。

另一方面，本发明实施时，全局门控减少的是模块级的功耗，对于模块内部，可借助综合工具DC自动插入集成的门控时钟，这样当模块内的局部电路不需要工作时可以关断这部分电路的时钟，进而减少不必要的功耗。图7所示为局部门控示意图。

在解码模块、编码模块、状态转换模块等中包含大量的状态转换，相邻状态之间的翻转和跳变会给数字电路带来不可忽视的功耗，在本设计中，所有模块中的状态均采用格雷码的方式对相邻状态进行编码，以保证状态之间切换只有1bit的数据变化，其好处是这样可以降低很多功耗。

在本发明中，由于状态判断和解码等过程是通过计数器来实现的；本方案采用了10bits的计数器；由于计数器在解码过程以及状态判断过程中需要一直不停的翻转计数，势必会造成很大功耗，为了尽量减少由于计数翻转所导致的功耗，可采用行波计数器来实现；计数器如图8所示。

其中，此异步计数器采用二分频级联的形式，第一级用正沿触发的寄存器，由系统时钟驱动，第二级用负沿触发的寄存器，由第一级对系统时钟二分频后的时钟驱动，以后每级均为负沿触发的寄存器，均由前一级的二分频时钟驱动。由图中可以看出后一级触发器时钟翻转率均为前一级的二分之一，最后一级的时钟翻转率为第一级的1/2^N-1，因此最后一级相当于是用频率为1/2^N-1*f_s的时钟在工作。这样异步计数器可以大大减少在计数过程中由于时钟引脚频繁翻转而造成的寄存器消耗。

除此之外，对于CRC模块，若采用CRC-16串行编码的校验方式，因为CRC-16校验的电路结构为顺序执行，所以校验数据效率低，要提高传输频率，则需要提高该模块的时钟频率，但低功耗设计要求时钟的工作频率应该尽量降低，因此可以采用并行CRC-16设计。其计算方法流程如下：

1.预置CRC寄存器为16进制FFFF；

2.将阅读器发出的二进制数据CRC[0:7]进行亦或操作，并存储至低八位；

3.CRC寄存器右移，最高位置0，并移出校验位；

4.若校验值为0，则重复操作，若校验值为1，则对CRC寄存器进行异或操作；

5.继续执行右移操作，CRC寄存器低八位全部移出为止；

6.重复以上操作，进行下一组通信数据的校验；

所有命令信息处理完毕后，交换寄存器的高8位和低8位数据，寄存器内数据就是CRC的校验码。

经过上述实施之后可知，本发明根据EPC C-1 G-2 UHF RFID协议标准的要求，根据功能将系统划分为各个独立的模块，通过增加一个功耗管理单元，用来处理动态功耗管理，采用门控时钟对其它模块进行功耗控制，根据需求打开和关闭相应的模块时钟，并通过使用异步计数器，门控时钟，格雷码，并行CRC计算等方法以实现降低功耗。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，包括检测模块、译码模块、时钟模块、指令寄存器模块、状态机模块、CRC模块、存储器控制模块、EPPROM模块、回复模块、编码模块、加密模块；其特征在于：

该系统还包括功耗管理模块；用来处理动态功耗管理，采用门控时钟对其它模块进行功耗控制，根据需求打开和关闭相应的模块时钟以降低功耗。

2.根据权利要求1一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：该系统采用全局门控和局部门控相结合的方式，最大限度降低电路的功耗；该系统通过功耗管理模块进行系统级的功耗管理；具体就是通过功耗管理模块与各个模块的握手通信，由功耗管理模块控制各个模块时钟的开启和关闭；当模块X需要工作时，功耗管理模块将该模块的使能信号X_EN置高，clock与使能信号相关联后送至该模块驱动其寄存器工作；当模块X工作结束后，想功耗管理模块提供一个脉冲信号X_done，功耗管理模块接收到此信号后将X_EN置低，从而关断模块X的时钟，与此同时功耗管理模块要开启下一个将要工作的模块时钟。

3.根据权利要求1一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：为避免输出产生毛刺，可使用负沿触发的寄存器和与门组合的形式构成门控单元。

4.根据权利要求1一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：全局门控减少的是模块级的功耗，对于模块内部，可借助综合工具DC自动插入集成的门控时钟，这样当模块内的局部电路不需要工作时可以关断这部分电路的时钟，进而减少不必要的功耗。

5.根据权利要求1一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：该系统中所有模块中的状态均采用格雷码的方式对相邻状态进行编码，以保证状态之间切换只有1bit的数据变化。

6.根据权利要求1一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：本方案采用了10bits的计数器。

7.根据权利要求1一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：计数器采用行波计数器来实现。

8.根据权利要求7一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：计数器采用二分频级联的形式，第一级用正沿触发的寄存器，由系统时钟驱动，第二级用负沿触发的寄存器，由第一级对系统时钟二分频后的时钟驱动，以后每级均为负沿触发的寄存器，均由前一级的二分频时钟驱动；其中，后一级触发器时钟翻转率均为前一级的二分之一，最后一级的时钟翻转率为第一级的1/2^N-1，因此最后一级相当于是用频率为1/2^N-1*f_s的时钟在工作。

9.根据权利要求1一种基于EPC/C-1/G-2标准的超高频RFID标签数字基带低功耗系统，其特征在于：对于CRC模块采用并行CRC-16设计；其计算方法流程如下：

(1)预置CRC寄存器为16进制FFFF；

(2)将阅读器发出的二进制数据CRC[0:7]进行亦或操作，并存储至低八位；

(3)CRC寄存器右移，最高位置0，并移出校验位；

(4)若校验值为0，则重复操作，若校验值为1，则对CRC寄存器进行异或操作；

(5)继续执行右移操作，CRC寄存器低八位全部移出为止；

(6)重复以上操作，进行下一组通信数据的校验；

所有命令信息处理完毕后，交换寄存器的高8位和低8位数据，寄存器内数据就是CRC的校验码。