CN114580594B - 一种近距离非接触式存储卡系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近距离非接触式存储卡系统，系统主要可分为发射端与接收端，其中系统发射端包括提供命令的主机、响应命令并提供纠错功能的NAND存储卡控制器FPGA、无线能量发射机、无线数据发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机；系统接收端包括无线能量接收机、无线数据发射机、无线时钟接收机、信号处理芯片以及NAND存储卡；本发明主要通过近距离电磁感应实现无线能量与数据的传输；省去了目前存储卡所需要的裸露的电触点，简化了存储卡机械结构，从而大大提高了存储卡系统的可靠性与使用寿命。
Description
技术领域
本发明设计属于集成电路设计领域，具体涉及一种近距离非接触式存储卡系统。
背景技术
随着如今信息时代的逐步发展，信息的获取、传输以及存储成为了人们越来越关注的问题。目前，使用NAND闪存的固态驱动器和存储卡作为低成本、低功耗和易携带的存储设备已引起广泛关注。已经渗透到个人计算机领域，并且对于智能手机和数据中心等广泛的应用领域非常有前途。目前闪存主要有以下特点：密度大、成本低，具有很高的容量密度；稳定性高，掉电后数据依然可以保存；功耗小，不加电也可以长期保持数据；寿命长，标准擦写次数可达1×105次；适应性好，能够抗震动、抗冲击，在很宽的一个温度范围下依然可以正常工作。
在常规的存储卡中，常常伴随着裸露的电触点来进行与外界的数据传输以及供电，而这些电触点经常会引起一些机械和电气问题。为了使存储卡能够在各种环境下正常工作，包括可能会遇到的高湿度以及频繁振动的情况下，读卡器这时候必须对存储卡触点施加大量的机械力来保证读卡器与存储卡之间具有可靠的电气连接。在这种情况下，存储卡的每一次使用，每一次接触到断开的过程，都会不同程度地对存储卡造成一定的损伤。此时，既要要求精心设计的外壳又要满足移动应用对于小尺寸、低成本和使用要求，两个目标相互冲突。并且为了整个系统的稳定性，存储卡裸露的电气接触点还要求接口(IO)电路配备强大的静电放电(ESD)保护电路，这一定程度上降低了最大可以实现的数据传输速率。
而通过近距离(一般距离与传输线圈的尺寸相当，在10mm以内)电磁感应实现无线能量与数据的传输使得非接触式存储卡应用成为可能，相比于目前使用的有线连接方式的储存卡，无线传输提供更好的机械与电力上的可靠性。这些优点主要源自于存储卡接口简化的机械结构，通过无线的方式可以省去裸露的电触点。
发明内容
本发明主要提出了一种近距离非接触式存储卡系统，主要解决的是常规的存储卡由于裸露的电触点带来的一些弊端。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供了一种近距离非接触式存储卡系统，包括发射端与接收端，其中系统发射端包括提供命令的主机、响应命令并提供纠错功能的NAND存储卡控制器FPGA、无线能量发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机和发射端耦合电感；系统接收端包括无线能量接收机、无线数据接收机、无线时钟接收机、接收端耦合电感、信号处理芯片以及NAND存储卡；发射端的无线能量以及数据信号分别经过发射端的耦合电感传输到接收端耦合电感；
其中，控制信号由主机提供，主机和存储卡之间对于NAND闪存地址信号、控制信号进行串行收发通过FPGA来实现；经过FPGA处理后的数据、能量信号分别传输到对应的发射机；通过耦合电感传输到接收端，接收端接收到的能量信号为整体接收端进行供电，无线时钟发射机和无线时钟接收机组成的无线时钟收发通道配合无线数据发射机和无线数据接收机组成的无线数据收发通道保证数据的正确传输；信号处理芯片处理得到的数据信号，用于控制NAND存储卡。
作为本发明的优选方案，无线能量发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机与对应的无线能量接收机、无线数据发射机、无线时钟接收机之间分别构成无线能量收发通道、无线数据收发通道、无线时钟收发通道，三个收发通道都通过耦合电感的电磁感应现象实现近距离的无线数据以及能量信号的传输。
作为本发明的优选方案，无线能量发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机使用CMOS工艺制程做在发射端芯片上，无线能量接收机、无线数据接收机、无线时钟接收机使用CMOS工艺制程做在接收端芯片上，信号处理芯片使用单独的芯片设置在接收端，同时作为存储器的NAND存储卡也使用单独的芯片设置在接收端，最后将发射端以及接收端分别集成在一起。
作为本发明的优选方案，所述的发射端耦合电感和接收端耦合电感结构相同，均使用组合平面电感线圈接口结构；所述组合平面电感线圈接口结构包括一个差分数据线圈、一个差分时钟线圈以及一个能量线圈；其中三个线圈都为平面螺旋电感，能量线圈最大，位于最外圈；时钟线圈和数据线圈在能量线圈内部放置，三个线圈在同一平面上，三个线圈中心为同一点；差分时钟线圈和差分数据线圈均由两相同的平面螺旋电感连接而成，且组成差分时钟线圈或差分数据线圈的两相同平面螺旋电感关于线圈中心点中心对称，即两相同的平面螺旋电感呈180度排布；差分时钟线圈和差分数据线圈呈对角线布局，相互间隔90度排布，所述组合平面电感线圈整体形状呈中心对称，这样的组合线圈结构能够支持能量、时钟单向传输与数据的双向传输。
作为本发明的优选方案，无线数据发射机和无线数据接收机组成的无线数据收发通道采用双向脉冲调制电路，即无线数据发射机和无线数据接收机分别包含双向脉冲调制电路在发射端和接收端的两个部分，发射端包含的双向脉冲调制电路部分还包括延迟链路和H桥电流舵电路；
无线数据收发通道将每比特的数据调制成一个电流脉冲，数据1调制成正向脉冲，数据0调制成反向脉冲；发送端时钟信号通过延迟链路，与原时钟信号相与，产生一个周期脉冲信号，脉冲的宽度由延迟链路的长度决定；将这个周期脉冲信号送到发射机的H桥电流舵电路，由发射的数据控制H桥电流舵电路的开关状态，这样就在每一比特数据产生一个电流脉冲信号。这样的数据收发机电路对噪声和串扰有更高的免疫力。
作为本发明的优选方案，无线能量接收机包含有整流器，整流器采用栅极交叉耦合连接结构，即在整流器的每个PMOS管上，增加两个辅助的PMOS管用于连接管子的衬底和源极或者漏极。
作为本发明的优选方案，发射端和接收端分别包含两个耦合电感，无线能量收发采用矢量和方案，即系统包含两组耦合的能量线圈，发射端的两个能量线圈由不同相位的信号进行驱动；两个相位在接收端的能量线圈中相互补充，接收功率是相位差的函数；通过控制相位差，可以控制发射功率，从而为存储卡负载提供一个稳定的供电电压。
优选的，对数据信号进行编码，以改善电感耦合环节受到的干扰。主要是由于数据传输信道在空间上是多路复用的，不使用信号调制、窄带信号处理或其他昂贵的技术，使用旋转编码等方式可以缓解系统层面的磁干扰。
优选的，无线能量接收端整流器采用栅极交叉耦合连接结构，其优点是电路尺寸较小，具有低导通电压和低导通阻抗的优点，适合高输出功率应用。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的非接触式存储卡系统，通过无线的方式在主机与存储卡之间传输数据与供电，可以省去裸露的电触点，解决了人体接触静电、短路、水腐蚀、插拔磨损等问题，同时简化存储卡机械结构，提高存储卡系统的可靠性与使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体架构示意图；
图2为本发明的一个优选的接口方案示意图；
图3为本发明的一个实际应用场景示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示为本发明非接触式存储卡系统的整体架构示意图，整个系统主要包括发射端与接收端，其中系统发射端包括提供命令的主机、响应命令并提供纠错功能的NAND存储卡控制器FPGA、无线能量发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机和发射端耦合电感；系统接收端包括无线能量接收机、无线数据接收机、无线时钟接收机、接收端耦合电感、信号处理芯片以及NAND存储卡；发射端的无线能量以及数据信号分别经过发射端的耦合电感传输到接收端耦合电感；
其中，控制信号由主机提供，主机和存储卡之间对于NAND闪存地址信号、控制信号进行串行收发通过FPGA来实现；经过FPGA处理后的数据、能量信号分别传输到对应的发射机；通过耦合电感传输到接收端，接收端接收到的能量信号为整体接收端进行供电，无线时钟发射机和无线时钟接收机组成的无线时钟收发通道配合无线数据发射机和无线数据接收机组成的无线数据收发通道保证数据的正确传输；信号处理芯片处理得到的数据信号，用于控制NAND存储卡。
其中，无线能量接收机包含有整流器，整流器采用栅极交叉耦合连接结构，即在整流器的每个PMOS管上，增加两个辅助的PMOS管用于连接管子的衬底和源极或者漏极，能够使得电路工作更稳定，防止因为接收端MOS管源端电压高于漏端电压0.7V时产生较大的电流从源端直接流到衬底上，从而损坏MOS管。数据接收机接收到的数据信号以及最后经过信号处理芯片的处理之后，根据对应的指令读出或者写入到NAND存储卡之中。
优选的，发射端和接收端分别包含两个耦合电感，无线能量收发采用矢量和方案，即系统包含两组耦合的能量线圈，发射端的两个能量线圈由不同相位的信号进行驱动；两个相位在接收端的能量线圈中相互补充，接收功率是相位差的函数；通过控制相位差，可以控制发射功率，从而为存储卡负载提供一个稳定的供电电压。
所述的发射端耦合电感和接收端耦合电感结构相同，均使用组合平面电感线圈接口结构；采用非接触式电源和数据传输链路的存储卡接口，由于采用平面电感线圈进行无线的传输能量，会受到额外的限制，主要是电磁干扰的限制和功率的限制。为了解决两个限制，如图2所示，展示了具体的一个优选的组合平面电感线圈接口方案。这样的一个组合平面电感线圈接口结构，包括一个差分数据线圈、一个差分时钟线圈以及一个能量线圈；其中三个线圈都为平面螺旋电感，能量线圈最大，位于最外圈；时钟线圈和数据线圈在能量线圈内部放置，三个线圈在同一平面上，三个线圈中心为同一点；差分时钟线圈和差分数据线圈均由两相同的平面螺旋电感连接而成，且组成差分时钟线圈或差分数据线圈的两相同平面螺旋电感关于线圈中心点中心对称，即两相同的平面螺旋电感呈180度排布；差分时钟线圈和差分数据线圈呈对角线布局，相互间隔90度排布，所述组合平面电感线圈整体形状呈中心对称，这样的组合线圈结构能够支持能量、时钟单向传输与数据的双向传输。使用的时候非接触式存储卡只需在物理上与读取器对齐即可，这可以通过使用相对简单的机械结构来实现。由于所需的机械力很小，并且所有电气连接都可以密封起来，从而非接触式存储卡可以更方便地使用，并能够长期提供更好的可靠性。并且出于同样的原因，ESD保护电路可以安全地被移除，从而实现进一步的性能上的优化。
如图3所示，展示了实际的应用场景。在构想的无线存储卡系统中，读卡器为具有空腔的立方体形状，如图3中的立方体所示，包含主机、Flash和发射机。而存储卡系统包含存储卡和接收机一起为完全密封的立方体结构，如图中灰色立方体所示。并且存储卡系统的物理尺寸略小于读卡器。需要进行数据读写时，只需将存储卡系统从侧面插入读卡器，并摆放在读卡器空腔的特定位置，读卡器和存储卡系统的数据传输和能量供应便可以通过无线方式进行。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种近距离非接触式存储卡系统，其特征在于：包括发射端与接收端，其中系统发射端包括提供命令的主机、响应命令并提供纠错功能的NAND存储卡控制器FPGA、无线能量发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机和发射端耦合电感；系统接收端包括无线能量接收机、无线数据接收机、无线时钟接收机、接收端耦合电感、信号处理芯片以及NAND存储卡；发射端的无线能量以及数据信号分别经过发射端的耦合电感传输到接收端耦合电感；所述的发射端耦合电感和接收端耦合电感结构相同，均使用组合平面电感线圈接口结构；所述组合平面电感线圈接口结构包括一个差分数据线圈、一个差分时钟线圈以及一个能量线圈；其中三个线圈都为平面螺旋电感，能量线圈最大，位于最外圈；时钟线圈和数据线圈在能量线圈内部放置，三个线圈在同一平面上，三个线圈中心为同一点；差分时钟线圈和差分数据线圈均由两相同的平面螺旋电感连接而成，且组成差分时钟线圈或差分数据线圈的两相同平面螺旋电感关于线圈中心点中心对称，即两相同的平面螺旋电感呈180度排布；差分时钟线圈和差分数据线圈呈对角线布局，相互间隔90度排布，所述组合平面电感线圈整体形状呈中心对称，这样的组合线圈结构能够支持能量、时钟单向传输与数据的双向传输；
其中，控制信号由主机提供，主机和存储卡之间对于NAND闪存地址信号、控制信号进行串行收发通过FPGA来实现；经过FPGA处理后的数据、能量信号分别传输到对应的发射机；通过耦合电感传输到接收端，接收端接收到的能量信号为整体接收端进行供电，无线时钟发射机和无线时钟接收机组成的无线时钟收发通道配合无线数据发射机和无线数据接收机组成的无线数据收发通道保证数据的正确传输；信号处理芯片处理得到的数据信号，用于控制NAND存储卡。
2.根据权利要求1所述的一种近距离非接触式存储卡系统，其特征在于无线能量发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机与对应的无线能量接收机、无线数据接收机、无线时钟接收机之间分别构成无线能量收发通道、无线数据收发通道、无线时钟收发通道，三个收发通道都通过耦合电感的电磁感应现象实现近距离的无线数据以及能量信号的传输。
3.根据权利要求1所述的一种近距离非接触式存储卡系统，其特征在于无线能量发射机、无线数据发射机、无线时钟发射机使用CMOS工艺制程做在发射端芯片上，无线能量接收机、无线数据接收机、无线时钟接收机使用CMOS工艺制程做在接收端芯片上，信号处理芯片使用单独的芯片设置在接收端，同时作为存储器的NAND存储卡也使用单独的芯片设置在接收端，最后将发射端以及接收端分别集成在一起。
4.根据权利要求1所述的一种近距离非接触式存储卡系统，其特征在于，无线数据发射机和无线数据接收机组成的无线数据收发通道采用双向脉冲调制电路，即无线数据发射机和无线数据接收机分别包含双向脉冲调制电路在发射端和接收端的两个部分，发射端包含的双向脉冲调制电路部分还包括延迟链路和H桥电流舵电路；
无线数据收发通道将每比特的数据调制成一个电流脉冲，数据1调制成正向脉冲，数据0调制成反向脉冲；发送端时钟信号通过延迟链路，与原时钟信号相与，产生一个周期脉冲信号，脉冲的宽度由延迟链路的长度决定；将这个周期脉冲信号送到发射机的H桥电流舵电路，由发射的数据控制H桥电流舵电路的开关状态，这样就在每一比特数据产生一个电流脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的一种近距离非接触式存储卡系统，其特征在于，无线能量接收机包含有整流器，整流器采用栅极交叉耦合连接结构，即在整流器的每个PMOS管上，增加两个辅助的PMOS管用于连接管子的衬底和源极或者漏极。
6.根据权利要求1所述的一种近距离非接触式存储卡系统，其特征在于，发射端和接收端分别包含两个耦合电感，无线能量收发采用矢量和方案，即系统包含两组耦合的能量线圈，发射端的两个能量线圈由不同相位的信号进行驱动；两个相位在接收端的能量线圈中相互补充，接收功率是相位差的函数；通过控制相位差，可以控制发射功率，从而为存储卡负载提供一个稳定的供电电压。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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