CN111954195A - 一种rfid标签数字基带系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种RFID标签数字基带系统，包括：时钟分频模块用于对系统的时钟按照各个模块的时序需求进行时钟分频，并对需要无缝切换的模块的时钟进行无缝切换；功耗管理模块用于根据各个模块的使能信号控制各个模块时钟的开启与关断；解码模块用于对来自模拟前端的输入数据进行TPP解码；编码模块用于对数据发送模块提供的数据进行双相间空号编码或者延迟调制编码；数据缓存模块用于缓存解码得到的数据和存储器读取的数据；指令解析模块用于与所述解码模块配合实现指令解析，以实现对指令的解码；数据发送模块用于拼接响应数据包，将拼接的响应数据包串行发送给编码模块。本发明引入功耗管理模块来控制各模块的时钟，可以大大降低峰值功耗。

Description

一种RFID标签数字基带系统
技术领域
本发明属于射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)标签芯片技术领域，更具体地，涉及一种RFID标签数字基带系统。
背景技术
RFID是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。标签是RFID系统的重要组成部分，而数字基带则属于标签的核心技术之一，故标签数字基带的研究工作具有重要价值。无源RFID标签工作所需的能量全部来自读写器发射的射频信号能量，而且标签工作瞬时功耗与工作距离的平方成反比，故标签的功耗越低，可工作的距离范围越大。作为标签的重要组成部分，数字基带的功耗约占整体功耗的40％。因此，降低功耗是标签数字基带设计的着力点之一。
现行标签数字基带中，存在多个模块协同配合、同时工作的场景，容易产生较大的瞬时功耗。例如，在编码输出阶段，未关闭存储器接口的读写操作；在主控模块执行指令阶段，解码模块还在运行。模块之间缺乏有效的管理，易造成不必要的功耗，制约标签的工作性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种RFID标签数字基带系统，旨在解决现行标签数字基带中，存在多个模块协同配合、同时工作的场景，容易产生较大的瞬时功耗的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种RFID标签数字基带系统，包括：时钟分频模块、功耗管理模块、解码模块、编码模块、数据缓存模块、指令解析模块、数据发送模块以及主控模块；
所述时钟分频模块用于对所述RFID标签数字基带系统的时钟按照各个模块的时序需求进行时钟分频，并对需要无缝切换的模块的时钟进行无缝切换；
所述功耗管理模块用于根据各个模块的使能信号控制各个模块时钟的开启与关断；
所述解码模块用于对来自模拟前端的输入数据进行截断式脉冲位置编码(truncated pulse position encoding，TPP)解码；
所述编码模块用于对数据发送模块提供的数据进行双相间空号FM0编码或者延迟调制Miller编码；
所述数据缓存模块用于缓存解码得到的数据和存储器读取的数据；
所述指令解析模块用于与所述解码模块配合实现指令解析，以实现对指令的解码；
所述数据发送模块用于拼接响应数据包，将拼接的响应数据包串行发送给所述编码模块；
所述主控模块用于协调各模块工作，使各个模块按指令进行响应。
在一个可选的实施例中，该RFID标签数字基带系统还包括：时序模块；
所述时序模块用于判断所述RFID标签数字基带系统是否满足国际化RFID协议；设从读写器发送命令结束到RFID标签数字基带系统发送响应数据包的时间为T1、从RFID标签数字基带系统发送响应数据包结束到读写器发送下一条命令的时间为T2；
所述时序模块通过计数器完成对T1、T2的时序判断，当计数值达到T1的合理值时，对应使能信号有效，允许数据发送模块准备响应数据包的发送；当计数值超出T2的合理值，且RFID标签数字基带系统状态为应答或确认状态时，对应使能信号有效，所述主控模块将标签状态设置为仲裁状态。
在一个可选的实施例中，该RFID标签数字基带系统还包括：安全模块、伪随机数模块、CRC模块、存储器以及存储器接口模块；
所述安全模块用于基于预设的加密算法对响应数据包加密和对解码模块解码后的数据解密；并将加密后的响应数据包发送给数据发送模块，以及所述解码模块将解码后的数据发送主控模块，所述安全模块在主控模块的控制下对解码后的数据解密，并将解密后的数据提供给主控模块；
所述伪随机数模块用于基于LFSR原理产生所述响应数据包所需求的伪随机数，并将对应的响应数据包和生成的伪随机数发送给所述数据发送模块；
所述数据发送模块将加密后的响应数据包和对应的伪随机数拼接，拼接后发送给所述CRC模块和编码模块；
所述CRC模块用于对数据发送模块的发送的数据的进行CRC校验，并将CRC校验后的结果发送给编码模块；
所述存储器用于读写数据，并将读取后的数据发送给数据缓存模块；
所述存储器接口模块用于保证RFID标签数字基带系统在进行读写操作时能够满足存储器接口时序要求。
在一个可选的实施例中，所述时钟分频模块用于对所述RFID标签数字基带系统的时钟按照各个模块的时序需求进行时钟分频，不同模块按时序需求划分为不同时钟域，对于关键路径、时序要求严格的模块，采用高频率的时钟；对于非关键路径、时序要求不严格的模块，采用低频率的时钟。
在一个可选的实施例中，所述国际化RFID协议为GB/T 29768-2013协议。
在一个可选的实施例中，所述主控模块依据协议完成对各指令的处理和相关模块的调用；
所述主控模块共使用三个状态机，分别为标签状态跳转状态机、指令处理顺序状态机及主状态机；所述标签状态跳转状态机适用于以复位信号为起始的操作周期；指令处理顺序状态机包括指令帧格式有效性判断、标签状态判断以及关键寄存器判断；具体情况及处理优先级依据指令而变化；而主状态机每处理一条指令均将完成一次以IDLE为起始的周期性跳转，标签状态跳转状态机和指令处理顺序状态机两个状态机均需配合主状态机使用；
所述标签状态跳转状态机针对跳转比较频繁的相邻状态编码，编码方式为格雷码，保证相邻编码仅有1bit的数据变化，以降低功耗开销。
在一个可选的实施例中，所述主控模块对RFID标签数字基带系统上电初始化，上电后，将依次读取保存在存储器中的锁定标志、灭活标志以及读写口令，并完成对相应标志的置位。
在一个可选的实施例中，所述RFID标签数字基带系统的工作流程如下：
所述主控模块对RFID标签数字基带系统上电初始化，RFID标签数字基带系统上电后读取存储器中的锁定标志和灭活标志，检测RFID标签数字基带系统是否被灭活以及各存储区的锁定状态；然后读取读写口令，依据口令是否为0配置读写权限；
所述RFID标签数字基带系统上电初始化后，RFID标签数字基带系统接收到模拟前端解调后的指令信号，解码模块对指令信号解码，同时完成指令解析、指令数据缓存以及CRC校验；
所述主控模块依据解析的指令处理并修改相关寄存器；指令处理期间，所述时序模块执行对T1、T2时序的计时；如果存在存储器的读写操作，将由存储器接口模块完成时序控制；
数据发送模块对返回数据包的指令进行数据拼接，串行输出给编码模块完成编码，同时CRC模块对返回数据包完成CRC校验和计算，结果一同交由编码模块处理。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种RFID标签数字基带系统，引入功耗管理模块来控制各模块的时钟，可以大大降低峰值功耗；本发明通过逻辑综合工具自动插入集成门控时钟单元，这里的功耗优化为模块级，与系统级的功耗优化(即功耗管理模块)相照应，进一步优化动态功耗；本发明优化编码方式，针对跳转比较频繁的相邻状态编码，选择相邻编码仅有1bit的格雷码；本发明广泛运用“分时复用”的思想，充分发掘寄存器资源的利用率，有效降低数字基带的功耗和面积。
附图说明
图1为本发明实施例提供的RFID标签数字基带系统架构示意图；
图2为本发明实施例提供的集成门控时钟单元的结构及真值表；
图3为本发明实施例提供的功耗管理模块控制下的系统工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了一种RFID标签数字基带系统，包括时钟分频模块、功耗管理模块、解码模块、编码模块、数据缓存模块、指令解析模块、时序模块、循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)模块、伪随机数模块、安全模块、主控模块、数据发送模块、存储器接口模块等。特别的，功耗管理模块可以有效控制各个模块的时钟信号的开启与关断，可有效降低峰值功耗。
图1为本发明的RFID标签数字基带系统示意图。如图1所示，所述数字基带系统包括：时钟分频模块1、功耗管理模块2、解码模块3、编码模块4、数据缓存模块5、指令解析模块6、时序模块7、CRC模块8、伪随机数模块9、安全模块10、主控模块11、数据发送模块12以及存储器接口模块13等。
时钟分频模块1，完成对复位和时钟信号的处理。具体的，对复位信号做“异步复位、同步释放”处理，对系统时钟按照模块时序需求进行时钟分频，同时部分模块时钟需要进行无缝切换。
功耗管理模块2，依据模块使能信号控制模块时钟的开启与关断。
解码模块3，对来自模拟前端的输入数据完成TPP解码；
编码模块5，对数据发送模块提供的数据完成FM0/Miller编码。
数据缓存模块4，缓存解码数据和存储器读取数据。
指令解析模块6，与解码模块配合实现指令解析。
时序模块7，完成对协议规定的T1、T2时序控制。
CRC模块8，实现CRC校验和计算。
数据发送模块9，拼接响应数据包信息，串行输出给编码模块完成FM0/Miller编码。
伪随机数模块10，基于LFSR原理产生伪随机数。
安全模块11，基于特定的加密算法完成数据加密和解密。
主控模块12，作为设计核心，协调各模块工作，按指令进行响应。
存储器接口模块13，保证了基带在进行读写操作时候能够满足存储器接口时序要求。
标签上电后首先进行初始化，读取存储器中的锁定标志、灭活标志，检测标签是否被灭活以及各存储区的锁定状态；然后读取读写口令，依据口令是否为0配置读写权限。初始化完成后，数字基带接收到模拟前端解调后的指令信号，TPP解码模块工作，同时完成指令解析、指令数据缓存和CRC校验等。若指令有效，则主控模块依指令处理并修改相关寄存器。指令处理期间，时序模块执行对T1、T2链路时序的计时；如果存在存储器的读写操作，将由接口模块完成时序控制。对于存在返回数据包的指令(如：Query、ACK等命令)，由数据发送模块完成数据拼接，串行输出给FM0/Miller编码模块完成编码。同时完成CRC-16计算，结果一同交由编码模块处理。新的指令将重复上述操作流程。
进一步地，所述时钟分频模块实现对数字基带的时钟域划分。不同模块按时序需求划分为不同时钟域。对于关键路径、时序要求严格的模块，如：解码模块、主控模块等，采用较高频率的时钟；对于一般模块，如：数据发送模块等，采用较低频率的时钟。
进一步地，所述功耗管理模块为实现低功耗设计的核心。通过例化集成门控时钟单元(ICG)，在使能信号的控制下，实现对各模块时钟的开启与关断。通过合理的规划，可以控制同一时刻运行的模块数量，降低多个模块并行执行带来的峰值功耗过高的问题。同时，门控时钟技术通过切断时钟，减电路不必要的翻转，可以有效降低电路的动态功耗。
进一步地，所述集成门控时钟单元还可以通过逻辑综合工具自动插入。通过在RTL代码中插入工具支持的门控时钟风格代码，让工具自动完成识别与替换。门控时钟的引入，可有效降低系统的动态功耗。
进一步地，所述主控模块是数字基带的核心，依据协议完成对各指令的处理和相关模块的调用。模块共使用三个状态机，分别为标签状态跳转状态机、指令处理顺序状态机及主状态机。标签状态跳转状态机适用于以复位信号为起始的操作周期；指令处理顺序状态机包括指令帧格式有效性判断、标签状态判断、关键寄存器判断等处理，具体情况及处理优先级依据指令而变化；而主状态机每处理一条指令均将完成一次以空状态IDLE为起始的周期性跳转，上述两个状态机均需配合主状态机使用。
针对跳转比较频繁的相邻状态编码，编码方式为格雷码，保证相邻编码仅有1bit的数据变化，可以降低功耗开销。
进一步地，所述数字基带广泛运用“分时复用”的思想，从资源开销、面积、功耗多角度进行优化。例如，数据缓存模块中双口RAM分时复用，解码时缓存解码数据，读取存储器时缓存读取数据；数据发送模块的状态合并，不同发送模式共用相似的状态；CRC模块兼顾CRC-5、CRC-16的校验与计算等。
图2为集成门控时钟单元的结构及真值表。如图2所示，集成门控时钟单元主要包括锁存器latch和与门，仅当时钟有效沿到来且使能信号EN有效时，单元才会进行采样。图2中，CP表示时钟输入端，QD表示latch锁存值，Q表示输出信号。本发明从系统级、模块级两层次分别引入集成门控时钟单元，系统级通过例化单元组成功耗管理模块，模块级通过工具自动插入单元，两种层次相结合，可以有效降低动态功耗。
图3为功耗管理模块控制下的系统工作流程图。如图3所示，时钟分频模块和功耗管理模块不间断工作，在必要时为各模块提供时钟，其余时间将关闭模块的时钟。注意图中部分状态下模块的工作是可选的，例如：数据发送模块依据指令和标签状态决定是否工作。
POWER_UP、IDLE、RX、WAIT、PROCESS、TX为主控模块中主状态机相应的状态，反应了指令执行的流程。POWER_UP状态为上电初始化状态，涉及一些存储器信息的读取，如：读取锁定标志、灭活标志，检测标签是否被灭活以及各存储区的锁定状态；读取读写口令，判断是否为0等。IDLE状态为每次指令处理完成后的空状态，若标签被灭活则不响应指令。RX状态为等待数据接收状态，若解码完成则进入WAIT状态，若T2超时则进入IDLE状态，否则维持当前状态。WAIT状态等待CRC校验完成，若CRC有效则进入PROCESS状态，反之则进入IDLE状态。PROCESS状态按指令完成处理，配合指令处理顺序状态机工作，若部分指令处理完成或出现任意错误状态，如：状态不满足、口令错误等，进入IDLE状态；对于需要响应数据包的情况，进入TX状态。TX状态完成发送任务后，返回IDLE状态。
本发明提供的RFID标签数字基带系统的工作流程如下：
初始化处理：标签上电后读取存储器中的锁定标志、灭活标志，检测标签是否被灭活以及各存储区的锁定状态；然后读取读写口令，依据口令是否为0配置读写权限；
数据解码：初始化完成后，数字基带接收到模拟前端解调后的指令信号，TPP解码模块工作，同时完成指令解析、指令数据缓存和CRC校验等；
指令处理：主控模块依指令处理并修改相关寄存器。指令处理期间，时序模块执行对T1、T2链路时序的计时；如果存在存储器的读写操作，将由接口模块完成时序控制；
发送响应数据包：对于存在返回数据包的指令(如：Query、ACK等命令)，由数据发送模块完成数据拼接，串行输出给FM0/Miller编码模块完成编码。同时完成CRC-16计算，结果一同交由编码模块处理。
本发明公开了一种RFID标签数字基带系统，包括时钟分频模块、功耗管理模块、解码模块、编码模块、数据缓存模块、指令解析模块、时序模块、CRC模块、伪随机数模块、安全模块、主控模块、数据发送模块、存储器接口模块等。时钟分频模块完成对系统时钟的分频和模块时钟的无缝切换；功耗管理模块依据使能信号控制模块时钟的开启与关断；解码模块对来自模拟前端的输入数据完成TPP解码；编码模块对数据发送模块提供的数据完成FM0/Miller编码；数据缓存模块缓存解码数据和存储器读取数据；指令解析模块与解码模块配合实现指令解析；时序模块完成对协议规定的T1、T2时序控制；CRC模块实现CRC校验和计算；伪随机数模块基于LFSR原理产生伪随机数；安全模块基于特定的加密算法完成数据加密和解密；主控模块为设计核心，协调各模块工作，按指令进行响应；数据发送模块拼接响应数据包信息，串行输出给编码模块完成FM0/Miller编码；存储器接口模块保证了基带在进行读写操作时候能够满足存储器接口时序要求。本发明通过引入门控时钟、寄存器复用等优化技术，显著改善了数字基带的时序和功耗。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种RFID标签数字基带系统，其特征在于，包括：时钟分频模块、功耗管理模块、解码模块、编码模块、数据缓存模块、指令解析模块、数据发送模块以及主控模块；
所述时钟分频模块用于对所述RFID标签数字基带系统的时钟按照各个模块的时序需求进行时钟分频，并对需要无缝切换的模块的时钟进行无缝切换；
所述功耗管理模块用于根据各个模块的使能信号控制各个模块时钟的开启与关断；
所述解码模块用于对来自模拟前端的输入数据进行TPP解码；
所述编码模块用于对数据发送模块提供的数据进行双相间空号编码或者延迟调制编码；
所述数据缓存模块用于缓存解码得到的数据和存储器读取的数据；
所述指令解析模块用于与所述解码模块配合实现指令解析，以实现对指令的解码；
所述数据发送模块用于拼接响应数据包，将拼接的响应数据包串行发送给所述编码模块；
所述主控模块用于协调各模块工作，使各个模块按指令进行响应。
2.根据权利要求1所述的RFID标签数字基带系统，其特征在于，还包括：时序模块；
所述时序模块用于判断所述RFID标签数字基带系统是否满足国际化RFID协议；所述国际化RFID协议中将从读写器发送命令结束到RFID标签数字基带系统发送响应数据包的时间设为T1、将从RFID标签数字基带系统发送响应数据包结束到读写器发送下一条命令的时间设为T2；
所述时序模块通过计数器完成对T1、T2的时序判断，当计数值达到T1的合理值时，对应使能信号有效，允许数据发送模块准备响应数据包的发送；当计数值超出T2的合理值，且RFID标签数字基带系统状态为应答或确认状态时，对应使能信号有效，所述主控模块将标签状态设置为仲裁状态。
3.根据权利要求1或2所述的RFID标签数字基带系统，其特征在于，还包括：安全模块、伪随机数模块、CRC模块、存储器以及存储器接口模块；
所述安全模块用于基于预设的加密算法对响应数据包加密和对解码模块解码后的数据解密；并将加密后的响应数据包发送给数据发送模块，以及所述解码模块将解码后的数据发送主控模块，所述安全模块在主控模块的控制下对解码后的数据解密，并将解密后的数据提供给主控模块；
所述伪随机数模块用于基于LFSR原理产生所述响应数据包所需求的伪随机数，并将对应的响应数据包和生成的伪随机数发送给所述数据发送模块；
所述数据发送模块将加密后的响应数据包和对应的伪随机数拼接，拼接后发送给所述CRC模块和编码模块；
所述CRC模块用于对数据发送模块的发送的数据的进行CRC校验，并将CRC校验后的结果发送给编码模块；
所述存储器用于读写数据，并将读取后的数据发送给数据缓存模块；
所述存储器接口模块用于保证RFID标签数字基带系统在进行读写操作时能够满足存储器接口时序要求。
4.根据权利要求1或2所述的RFID标签数字基带系统，其特征在于，所述时钟分频模块用于对所述RFID标签数字基带系统的时钟按照各个模块的时序需求进行时钟分频，不同模块按时序需求划分为不同时钟域，对于关键路径、时序要求严格的模块，采用高频率的时钟；对于非关键路径、时序要求不严格的模块，采用低频率的时钟。
5.根据权利要求2所述的RFID标签数字基带系统，其特征在于，所述国际化RFID协议为GB/T 29768-2013协议。
6.根据权利要求1或2所述的RFID标签数字基带系统，其特征在于，所述主控模块依据协议完成对各指令的处理和相关模块的调用；
所述主控模块共使用三个状态机，分别为标签状态跳转状态机、指令处理顺序状态机及主状态机；所述标签状态跳转状态机适用于以复位信号为起始的操作周期；指令处理顺序状态机包括指令帧格式有效性判断、标签状态判断以及关键寄存器判断；具体情况及处理优先级依据指令而变化；而主状态机每处理一条指令均将完成一次以IDLE为起始的周期性跳转，标签状态跳转状态机和指令处理顺序状态机两个状态机均需配合主状态机使用；
所述标签状态跳转状态机针对跳转比较频繁的相邻状态编码，编码方式为格雷码，保证相邻编码仅有1bit的数据变化，以降低功耗开销。
7.根据权利要求1或2所述的RFID标签数字基带系统，其特征在于，所述主控模块对RFID标签数字基带系统上电初始化，上电后，将依次读取保存在存储器中的锁定标志、灭活标志以及读写口令，并完成对相应标志的置位。
8.根据权利要求3所述的RFID标签数字基带系统，其特征在于，所述RFID标签数字基带系统的工作流程如下：
所述主控模块对RFID标签数字基带系统上电初始化，RFID标签数字基带系统上电后读取存储器中的锁定标志和灭活标志，检测RFID标签数字基带系统是否被灭活以及各存储区的锁定状态；然后读取读写口令，依据口令是否为0配置读写权限；
所述RFID标签数字基带系统上电初始化后，RFID标签数字基带系统接收到模拟前端解调后的指令信号，解码模块对指令信号解码，同时完成指令解析、指令数据缓存以及CRC校验；
所述主控模块依据解析的指令处理并修改相关寄存器；指令处理期间，所述时序模块执行对T1、T2时序的计时；如果存在存储器的读写操作，将由存储器接口模块完成时序控制；
数据发送模块对响应数据包的指令进行数据拼接，串行输出给编码模块完成编码，同时CRC模块对响应数据包完成CRC校验，结果一同交由编码模块处理。
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