CN1244975C - 射频识别装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种射频识别装置(RFID)(100，图1)，它允许在各种电压电平(图2)下进行各种读出和写入操作。只要RFID中的电压电平足以使电路转换便允许进行特定的读出操作。操作期间的差错由重试解决。有关安全性的操作需要更高的电压电平，它们可保证这种操作具有更高的可靠性。

Description

射频识别装置及其操作方法
本发明的技术领域
本发明涉及射频识别(“RFID”)装置，尤其涉及在扩展范围上的RFID接入。
背景技术
远程电子识别装置通常由远程设置的应答器和询问器单元组成。这种装置的工作范围取决于应答器单元的基础结构。例如，在授予Beigel的4,333,072号美国专利中，远程识别标记由靠近内植电路(应答器)附近工作的探针电路(询问器)组成。当探针电路靠近内植电路时内植电路通电，通过内植电路中线圈上的感应产生电压。通过改变内植电路线圈上的感应负载和在探针电路中检测这种变化能够把信息从内植电路传送到探针电路。这种工作模式要求探针电路与内植电路的间隔非常靠近，因此极大地限制了这种装置的工作范围。
其它的远程识别标记采用射频信令提供询问器与应答器之间的通信链路。在其中的一类射频识别(RFID)装置中，射频信号包括发射给应答器装置的功率信号。这一功率信号对应答器中供电电容器进行充电，该电容器起应答器的电源作用。从应答器的数据的发射涉及到射频能量的产生和发射。供电电容器必须具有足够的尺寸，以提供这种发射所需的合适功率。这种应答器允许在2米量级的距离上进行读出。然而，这类应答器在需要小尺寸的应用，例如通过皮下植入装置的家畜识别中不具有实用性。
在第三类RFID中，另一种不同的方法将上述两种设计提供的特征加以组合。询问器发射包括功率信号的射频信号。由接收的功率信号在应答器线圈上感应的电压足以使应答器电路工作，但是不足以产生其自身射频信号。与线圈并联耦合的电容器形成一个振荡电路，其Q值通过改变置于振荡电路上的电阻性或电容性负载而改变。这改变了振荡电路的调谐，导致能够被询问器检测的反射信号的变化。因此，应答器通过相应地调制电阻负载和允许询问器检测反射信号的变化能够简单地将其数据传送到询问器。
这种方案具有胜于上述两种设计的优点。首先，反射信号是在约1米的距离上可以检测。因此，不象在Beigel装置的情况那样要求询问器靠近应答器附近工作。其次，由于发射的功率信号不存储在应答器中，因此，不需要笨重的供电电容器，因而可形成更小型的封装。
通常，RFID含有可写入的非易失性存储器并包括在装置的电压电平达到一定电平前阻止装置工作的复位电路上的功率。为了保证可靠的数据发射，实践中已将复位电路的电平设定为使非易失性存储器工作的最高电平上。这是人为地限制读出范围，因为复位电压比使存储器工作真正所需的电压高得多。
一种改进则是增大这种第三类RFID装置的工作范围，提供与利用供电电容器的RFID装置相当的性能。因此，需要的是通过消除供电电容器可提供小型封装轮廓和以长距离范围读出能力为特征的RFID装置。
发明概要
本发明提供一种操纵射频识别探头的方法，所述探头包括接收和发射信号的振荡电路，所述射频识别探头进一步包括存储器，所述方法包括步骤：将功率信号发射到射频识别探头，由此在振荡电路中感应一电压；检测电源电压第一电平，所述电源电压第一电平是所述射频识别探头中至少一个晶体管恰好开始转换的电压；响应于电源电压第一电平的检测，以有效地发射存储在射频识别探头中数据的方式调制所述振荡电路的品质因数Q值；检测大于所述电源电压第一电平的电源电压第二电平；以及响应于电源电压第二电平的检测，允许进行至所述存储器的第一部分的写入操作。
本发明还提供一种射频识别探头，包括：按照电源电压的检测电平提供启动读出信号和启动写入信号的电压电平检测器；接收和发射信号并具有相关负载的振荡电路；改变所述振荡电路上负载，并由此改变振荡电路的品质因数Q值的调制电路；存储数据的存储器；控制器，与所述电压电平检测器，以从所述电压电平检测器接收启动读出信号和启动写入信号，与所述存储器耦合，以根据所述启动读出信号和启动写入信号提供对所述存储器的读出和写入存取，其中，所述控制器还与所述调制电路耦合，从而响应于从所述存储器读出的数据控制所述负载的改变。
本发明公开一种操纵射频识别(RFID)标记(tag)的方法和实现这种方法的装置。方法包括检测RFID标记中的第一电压电平和响应于这一检测结果从该标记发射数据。检测第二电压电平，以及响应于这一检测结果允许进行至RFID标记的存储器中的特定写入操作。检测第三电压电平，在这种情况下允许进行至存储器中特定安全区的写入。
根据本发明的RFID标记包括由远程询问器单元接收在射频(RF)载波上发射的功率信号的振荡电路。RFID标记中的桥式电路对功率信号进行整流和对存储电容器进行充电，电容器提供足够的能量(Vdd)以允许非易失性存储器器件(例如EEPROM、快闪存储器)的读出以及操纵调制电路以便调制振荡电路上的电阻负载。通过改变电阻负载，作为从存储器读出的数据的功能，把信息从标记传送到询问器。然后由询问器检测反射信号中的相应变化。
第一电压电平检测电路提供一个启动信号，它允许进行存储器的读出和调制器的操作。第一电平检测器设定为只要读出电路和调制电路具有足够电压以进行转换便能够进行存储器的读出。这通过允许尽可能快地产生数据的发射增大了RFID标记的工作范围。由于逻辑电路可以在低于存储器的电压下工作，因此，有些读出操作可以导致劣化数据。然而，当电压超过存储器器件的最小工作电压继续提高时数据将是正确的。存储在RFID标记中的数据包括差错检测代码，以致于能够检测和忽略达到询问器的差错数据。
第二电压电平检测电路允许进行至存储器的绝大部分区域的写入操作。由第二电平检测器检测的电压电平高于第一电平检测器检测的电压电平。由询问器发射的待写入的数据包括与数据一起待写入的差错检测位。因此，在数据的下一次读出时可保证数据的正确性。
存储器包括含有诸如口令和写入锁定位的信息的特定安全部分。第三电压电平检测电路允许进行至存储器的安全区的写入。由第三电平检测器检测的电压电平大于由第二电平检测器检测的电压电平。在一个较佳实施例中，由第三电平检测器检测的电压与过压保护电路的电压相同。采用这种方法，可保证至存储器的安全区的写入操作，因为过压电路将在不低于实现至存储器的写入所需电压的电压电平断开。
附图简述
图1是根据本发明的RFID标记的方框图。
图2是本发明的低压检测电路的方框图。
实现本发明的最佳方式
参考图1，射频识别(RFID)系统100包括询问器单元102和传感器单元(标记)104。询问器102包括将射频信号发射到标记104的发射线圈103。
标记104包括检取线圈Lt，它与电容器Ct一起形成一个振荡电路120。耦合在振荡电路上的是电压钳位器122、负载调制电路124和全波桥式整流器126。电压钳位器122是一个限制振荡电路120上发生的最大电压的过压保护器件。在这些器件中，线圈Lt上的电压会增大到相当高的电平，尤其是在负载低和振荡电路Q值高时。这样高的电压会引起器件的故障。当线圈上的电压接近器件的安全极限时，钳位器122接通，增大钳位器上的电流，因此降低电压。
调制电路124改变置于振荡电路上的负载，它改变振荡的Q值。调制电路是在控制器134的控制下工作的，根据传送到询问器102的数据改变振荡电路的Q值。数据是在询问器检测到反射信号中的相应变化时“发射”的。
桥式整流器126对小的电源电容器Ct充电，提供电源电压Vdd。电源电压将功率提供给非易失性存储器132，它包括一个提供编程电压Vpp的电压泵。
时钟发生器136耦合在线圈Lt的终端上。时钟发生器实质上是一个差分比较器，它从标记104接收的信号中提取时钟信号。
存储器132是256位EEPROM，由8个32位页面组成。页面0按照24位基准点加8个写锁定位构成。页面1-7是用户页面。写锁定位决定相应的32位页面是否能写入。可提供口令保护。口令存储在用户页面7中。通过控制器134提供至存储器132的读出和写入。调制解调器138对输入数据信号进行解调并将其馈送到控制器134。数据信号包括一系列命令位接着是一系列的任选数据位。
低压检测电路130提供启动信号131，当器件在通电时允许在各种电压电平下进行特定操作。图2示出按照本发明的低压检测器130的方框图。电压参考落在由电阻器R1-R3构成的“电阻器链”上。图2的示意图表示利用电阻器的电路，以理解说明。然而，应当明白“电阻器链”由常用电路构成，包括串联连接的N沟道晶体管。电阻器链起多节点分压器的作用，给一系列比较器133A-133C供电。
电压参考电路设定为双极晶体管的禁带电压值，通常为1.2V，提供与电源电压、温度和过程偏差无关的电压参考。这种电路是本领域人员公知的，可以采用许多已知设计中的任何一种。由R4-R5构成的第二电阻器链对电源电压Vdd进行分压。
每个比较器将分压的电源电压与电阻器链中每个节点A-C上的电压进行比较。因此，当Vdd的分压达到VA，即电阻器R1上的电压降时提供第一启动信号131A，该电压由以下分压器方程式计算：
V A = V ref ( R 1 R 1 + R 2 + R 3 ) - - - ( 1 )
同样，当Vdd的分压达到VB时提供第二启动信号131B，定义为：
V B = V ref ( R 1 + R 2 R 1 + R 2 + R 3 ) - - - ( 2 )
最后，根据节点C的电压，它简单地就是参考电压本身，产生第三启动信号131C。因此，当Vdd的分压达到Vref时提供信号131C。
回头参考图1，低压检测器130将这些启动信号馈送到控制器134中。在确定第一启动信号131A时，控制器开始读出存储器132的内容并通过对振荡电路120的负载的调制“发射”数据。电阻器R1是这样选择的，即其上的电压降VA使包括控制器134的晶体管恰好开始转换。用这种方法，询问器102的读出操作能够在离应答器104最近的距离上开始，因此，有效地延长了应答器的工作范围。
低压检测器130的第二启动信号131B使控制器134能够在存储器132的非安全区中进行写入操作。这包括用户页面1-6以及在不采用口令保护的地方的页面7。写入页面0(和页面7，如果采用口令保护的话)是不允许的。
低压检测器130的第三启动信号131C使控制器134能够在存储器132的安全区中进行读出和写入操作。如上所述，页面0包括写入锁定位，它确定相应8个32位页面的每个页面的写入。一旦页面被锁定，那么，不能向其写入。附加的安全性是通过阻止这一页面还未被锁定提供的。因此，保证锁定位的写入的正确性是关键。这是通过将对应于第三启动信号的电压电平设定为过压保护电路122的电压而实现的。这样做，将要保证存储器132的电压泵可提供最大安全电压，以产生最高可能的编程电压。这便于锁定位的可靠写入，因此使不正确地锁定页面的机会减至最小，不正确地锁定页面会使器件变得无用。
回想一下，一旦控制器134开始工作，存储器的非安全区的读出便开始。在这种低压条件下，可能会误读存储器和/或在把数据发射到询问器中产生差错，导致询问器接收误解的数据。根据本发明，存储在存储器132中的数据包括差错检测位。差错检测位是由询问器102计算的并与数据一起存储在应答器104中。因此，通过计算接收数据的差错检测位和将其与接收差错检测位进行比较能够检测询问器所接收的劣化数据。此外，根据本发明，控制器将连续地重发数据，以致于即使(由于询问器处于极端工作范围上)低压条件继续存在，下一次重发很可能将导致正确数据。

Claims (18)

1.一种操纵射频识别探头的方法，所述探头包括接收和发射信号的振荡电路，所述射频识别探头进一步包括存储器，其特征在于所述方法包括步骤：
将功率信号发射到射频识别探头，由此在振荡电路中感应一电压；
检测电源电压第一电平，所述电源电压第一电平是所述射频识别探头中至少一个晶体管恰好开始转换的电压；
响应于电源电压第一电平的检测，以有效地发射存储在射频识别探头中数据的方式调制所述振荡电路的品质因数Q；
检测大于所述电源电压第一电平的电源电压第二电平；以及
响应于电源电压第二电平的检测，允许进行至所述存储器的第一部分的写入操作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括通过对功率信号的整流和对电容器的充电以产生所述电源电压。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括接收存储在存储器中的数据，所述存储在存储器中的数据包括差错检测位。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括重复调制品质因数Q的步骤，以有效地重发所述数据。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括检测电源电压第三电平和允许进行所述存储器的第二部分的读出和写入。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于进一步包括在检测电源电压第三电平时允许进行存储在所述射频识别探头中的口令的读出和写入。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于进一步包括在检测电源电压第三电平时允许进行写入锁定位的读出和写入。
8.一种操纵射频识别探头的方法，其特征在于所述方法包括：
接收发射到射频识别探头的射频载波上的功率信号；
从接收的功率信号产生电源电压；
检测何时电源电压达到第一电压电平，所述第一电压电平是所述射频识别探头中至少一个晶体管恰好开始转换的一个电压；
响应于第一电压电平的检测允许进行第一存储器读出操作；
发射读出的数据；
检测何时电源电压达到大于第一电压电平的第二电压电平和响应于此允许进行存储器写入操作；
检测何时电源电压达到大于第二电压电平的第三电压电平和响应于此允许进行第二存储读出操作，读出存储在所述射频识别探头中的口令。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于进一步包括响应于检测的第三电压电平允许进行存储器写入操作，写入所述口令。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述发射步骤包括调制振荡电路的负载电阻器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括调制所述负载电阻器以重发读出数据的重复步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：产生电源电压的步骤包括对接收功率信号的整流和对电容器的充电。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于进一步包括提供加保护的存储器区和未加保护的存储器区以及将口令存储在加保护的存储器区中，这里第一存储器读出操作针对未加保护的存储器区，第二存储器读出操作针对加保护的存储器区。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于进一步包括响应于第三电压电平的检测允许进行针对有保护存储器区的存储器写入操作以及把写入锁定位存储在有保护存储器区中。
15.一种射频识别探头，其特征在于所述探头包括：
按照电源电压的检测电平提供启动读出信号和启动写入信号的电压电平检测器；
接收和发射信号并具有相关负载的振荡电路；
改变所述振荡电路上负载，并由此改变振荡电路的品质因数Q的调制电路；
存储数据的存储器；
控制器，与所述电压电平检测器耦合，以从所述电压电平检测器接收启动读出信号和启动写入信号，与所述存储器耦合，以根据所述启动读出信号和启动写入信号提供对所述存储器的读出和写入存取，其中，所述控制器还与所述调制电路耦合，从而响应于从所述存储器读出的数据而控制所述负载的改变。
16.如权利要求15所述的射频识别探头，其特征在于进一步包括与所述振荡电路耦合的用于产生电源电压的整流器，以及其中根据所述电源电压是否分别已经达到第一和第二电压电平，所述电压电平检测器提供启动读出信号和启动写入信号。
17.如权利要求15所述的射频识别探头，其特征在于进一步包括与所述振荡电路耦合的电压嵌位电路，所述电压嵌位电路限制在所述振荡电路上产生的最大电压。
18.如权利要求15所述的射频识别探头，其特征在于所述电压电平检测器还向所述控制器提供第三启动信号，允许对存储器的安全区进行读出和写入操作。
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