CN204406461U - 一种有源被动式双频芯片及rfid系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种有源被动式双频芯片及RFID系统，包括用于接收125K低频激活信号的无源唤醒模块，以及用于发射2.4G射频信号的有源模块；其中无源唤醒模块包括依次电连接的第一射频天线、整流电路，解调电路、逻辑电路和电源开关；电源开关的输入端接收逻辑电路传输的唤醒信号，接收有源模块的唤醒反馈信号，输出端与微处理器电路的唤醒使能端电连接，微处理器电路的输出端与用于发射2.4G射频信号的第二射频天线电连接。因本实用新型正常状态下有源模块处于省电模式下，从而节省了电量；在接收到125K低频激活信号时，无源唤醒模块将有源模块唤醒，有源模块能够发射2.4G的射频信号；因本实用新型具有数据存储容量大，读写距离远以及工作寿命长的优点。

Description

一种有源被动式双频芯片及RFID系统

技术领域

本实用新型涉及双频射频技术领域，尤其涉及一种有源被动式双频芯片及RFID系统。

背景技术

目前市场上的RFID(Radio Frequency IDentification)标签无论是有源标签还是无源标签，大都是单一工作频率。无源标签主要有125KHz、13.56MHz、915MHz、三个频段的产品，主要特点寿命长，其中125KHz、13.56MHz产品存储容量小，读写距离短，不能适应远距离读写要求；915MHz产品虽然在读写距离上有了很大改善，但存储容量还很有限，不能满足大容量存储需求。有源标签主要有2.4GHzHz产品,存储容量大、读写距离远、但由于该类产品目前主要是主动发送数据，功耗大，寿命受到一定的限制，一般为3～5年，不能满足长寿命的使用要求。近来市场上也出现了一些双频RFID标签，但从性能上都还存在许多不足，比如存储容量不够大，最大16KB、寿命还不够长，最大6年，而本实用新型在一个芯片中同时集成了125KHz和2.4GHzHz，125k信号起激活的作用，只在被激活时，2.4GHz信号才会工作，大大降低了功耗，延长了使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的第一目的在于提供一种有源被动式双频芯片，该有源被动式双频芯片数据存储容量大，读写距离远，工作寿命长，解决了目前单一频率的有源标签工作寿命短的难题，及无源标签读写距离近的缺点。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种有源被动式双频芯片包括用于接收125K低频激活信号的无源唤醒模块，所述无源唤醒模块包括第一射频天线，所述第一射频天线与整流电路电连接，所述整流电路与用于破解125K低频激活信号的解调电路的输入端电连接，所述解调电路的输出端与用于校验所述125K低频激活信号的逻辑电路的输入端电连接，所述逻辑电路选用功耗低逻辑电路；还包括电源开关，所述电源开关包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述逻辑电路的输出端电连接，所述电源开关与电池电连接； 用于发射2.4GHz射频信号的有源模块，所述有源模块包括微处理器电路，所述微处理器电路包括唤醒使能端、唤醒使能反馈端和输出端，所述唤醒使反馈端与所述电源开关的第二输入端电连接，所述唤醒使能端与所述电源开关的输出端电连接；所述微处理器电路的输出端与用于发射2.4GHz射频信号的第二射频天线电连接。

优选方式为，所述无源唤醒模块还包括均与所述整流电路电连接的限幅电路和时钟恢复电路，所述时钟恢复电路还与所述解调电路电连接，所述限幅电路与一个基准电路电连接，所述基准电路还分别与上下电复位电路和稳压电路电连接，所述稳压电路还与所述逻辑电路电连接。

优选方式为，所述整流电路包括两个PMOS管和两个NMOS管。

优选方式为，所述稳压电路的稳压范围为1.9～3.6V。

优选方式为，所述微处理器电路包括微处理器，以及与所述微处理器电连接的外部存储器和微处理器外围电路，所述微处理器与所述外部存储器通过SPI方式进行通讯连接。

优选方式为，所述微处理器电路还包括放大电路，所述放大电路的输入端与所述微处理器电连接，所述放大电路的输出端作为所述微处理器电路的输出端。

优选方式为，所述电源开关包括逻辑或门，所述逻辑或门的两个输入端分别作为所述电源开关的第一输入端和第二输入端，所述逻辑或门的输出端与一个MOS开关管的栅极电连接，所述MOS开关管的漏极接电池，所述电池经过电阻与所述MOS开关管的栅极电连接，所述MOS开关管的源极作为所述电源开关的输出端。

优选方式为，所述微处理器电路包括具有2.4GHz无线收发器的nRF24LE芯片，所述nRF24LE芯片的端口P0.0作为所述唤醒使能反馈端。

优选方式为，所述外部存储器选用LF2PAS3933芯片。

本实用新型的第二目的在于提供一种有源被动式双频RFID系统，该有源被动式双频RFID系统读写距离远，工作寿命长，使其应用范围广。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种有源被动式双频RFID系统，包括125K低频激活器、上述有源被动式双频芯片，以及2.4GHz网关。

采用上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：由于本实用新型的有源被动式双频芯片包括用于接收125K低频激活信号的无源唤醒模块，无源唤醒模块包括第一射频天线，第一射频天线与整流电路电连接，整流电路与用于破解125K低频激活信号的解调电路的输入端电连接，解调电路的输出端与用于校验125K低频激活信号的逻辑电路的输入端电连接，逻辑电路选用功耗低逻辑电路。上述无源唤醒模块使本实用新型能够接收125K低频激活信号，并将125K低频激活信号破解和校验，并根据校验的结果判断是否输出唤醒信号。

本实用新型还包括用于发射2.4G射频信号的有源模块，有源模块包括微处理器电路，微处理器电路包括唤醒使能端、唤醒使能反馈端和输出端，其中唤醒使反馈端与电源开关的第二输入端电连接，唤醒使能端与电源开关的输出端电连接；微处理器电路的输出端与用于发射2.4G射频信号的第二射频天线电连接。上述有源模块正常情况下处于省电模式，在唤醒使能端接收到唤醒信号后，微处理器电路从省电模式中苏醒并启动工作，输出2.4G射频信号并通过第二射频天线发射出去。

本实用新型在无源唤醒模块和有源模块之间还设有电源开关，该电源开关接收来自无源唤醒模块的唤醒信号，根据接收的唤醒信号唤醒有源模块，同时有源模块传输唤醒反馈信号给电源开关，来保证本实用新型可靠性。

由上述可知，本实用新型的有源被动式双频芯片同时具有125K芯片和2.4G芯片的功能，应用于双频电子标签中时，通过特定通讯协议，本实用新型可以读取125K低频信号，发送2.4G射频信号。因此本实用新型结合了低频高精度和高频大覆盖范围的特点，还具有数据存储容量大，读写距离远和工作寿命长的优点，解决了目前单一频率的有源标签工作寿命短的难题，及无源标签读写距离近的缺点。应用本实用新型的双频芯片的有源被动式RFID系统，因使用本法明的双频芯片，使RFID系统也具有读写距离远和工作寿命长的优点，并且使其应用范围非常广。可应用于高精度的资产管理(如枪支离位系统、重要资产物资管理)和精确的园区人员定位管理(如幼儿园、校园、养老院、监狱人员定位)适用于固定资产管理，物流、国防安全，人员定位管理等领域。

由于有源模块还包括放大电路，放大电路的输入端与微处理器电连接，放大电路的输出端作为微处理器电路的输出端，该放大电路将微处理器电路输出的2.4G射频信号放大，使2.4G射频信号被加强利于第二射频天线的发射。

附图说明

图1是本实用新型的有源被动式双频芯片的芯片管脚示意图；

图2是本实用新型的有源被动式双频芯片的存储器控制模块框图；

图3是本实用新型的有源被动式双频芯片的原理框图；

图4是本实用新型的有源被动式双频芯片的解调电路；

图5是本实用新型的有源被动式双频芯片的微处理器框图；

图6是本实用新型的有源被动式双频芯片的开关电路图；

图中：1—CE、2—XI、3—XO、4—RFP、5—RFN、6—GND、7—VCC、8—SCK、9—MOSI、10—MISO、11—LRF、12—IREE。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和图2所示，一种有源被动式双频芯片包括无源唤醒模块和有源模块，其中无源唤醒模块通过特定通讯协议能够接收125K低频激活信号，该低频激活信号被无源唤醒模块的第一射频天线接收到后，第一射频天线将125K低频激活信号传输给整流电路。整流电路将125K低频激活信号整形后传输给解调电路，解调电路将接收到的信号破解，当信号达到门限要求时，解调电路输出对应125K低频激活信号的电信号给与其电连接的低功耗逻辑电路，该低功耗逻辑电路经过校验后，根据校验结果判断是否输出唤醒信号(脉冲)给电源开关。当电源开关接收到唤醒信号后，给有源模块的微处理器电路下达唤醒电信号，微处理器电路接收到唤醒电信号，被唤醒后唤醒使能反馈端再传输反馈电信号给电源开关的输入端，电源开关接收到反馈信号后，输出端将有源模块和电池可靠的连接在一起。有源模块的微处理器电路接收到唤醒信号后，从省电模式中苏醒工作，并传输2.4G射频信号给第二射频天线，让本实用新型的双频芯片 发射高频射频信号去应答。

本实用新型的双频芯片封装后包括12个管脚，具体为管脚1为CE、管脚2为XI、管脚3为XO、管脚4为RFP、管脚5为RFN、管脚6为GND、管脚7为VCC、管脚8为SCK、管脚9为MOSI、管脚10为MISO、管脚11为LRF以及管脚12为IREE。

本实施例的整流电路包括两个PMOS管与两个NMOS管，其中两个NMOS管分别定义为n1和n2,两个PMOS管分别定义为p1和p2。n1,p1,n2,p2交叉连接，其中n1与n2的源极接地，两栅极接第一射频天线，该第一射频天线两端并接一个电容，形成电容电感谐振回路。n1的漏极接p1源极和p2的栅极，n2的漏极接p2的源极和p1的栅极。P1的漏极与p2的漏极输出Vc。该Vc为整个无源唤醒模块供电，从而节省了电量保证了使用寿命。

本实施例的解调电路如图4所示，解调电路中输入信号经P21低通滤波，其输出在P22、P23、P24、P25、P26、N21、N22、N23和N24构成的迟滞比较电路中的信号进行比较，实现包络检波输出。R1和R2实现对整流电路的输出进行采样，解调输出为demod_out。

本实施例的无源唤醒模块还包括均与整流电路电连接的限幅电路和时钟恢复电路，其中时钟恢复电路还与解调电路电连接，限幅电路与一个基准电路电连接，基准电路还分别与上下电复位电路和稳压电路电连接，稳压电路还与逻辑电路电连接，该稳压电路的稳压范围为1.9～3.6V。因限幅电路、时钟恢复电路和稳压电路均为现有技术，在此不再详细描述。

如图6所示，本实施例的电源开关包括逻辑或门，逻辑或门的两个输入端，一个与逻辑电路的输出端电连接，另一个与微处理器的P0.0端口电连接，逻辑或门的输出端与一个MOS开关管的栅极电连接，MOS开关管的漏极接电池，电池经过电阻与MOS开关管的栅极电连接，MOS开关管的源极与微处理器的唤醒使能端WAKE电连接。

如图2所示，微处理器电路包括微处理器，以及与微处理器电连接的外部存储器和微处理器外围电路，其中微处理器外围电路根据选用的微处理器相关， 选定了微处理器后微处理器外围电路也就公开了，在此不再详细描述。其中外部存储器通过SPI(Serial Peripheral interface)方式与微处理器进行通讯连接。另外微处理器电路还包括放大电路，该放大电路的输入端与微处理器电连接，放大电路的输出端与第二射频天线电连接。

如图2和图5所示，本实施例的微处理器选用nRF24LE芯片，nRF24LE芯片具有2.4G无线收发器，并且本身具有4K的SRAM(Static RAM)和512字节的ROM，具有一个单独的SPI，含有三条串口线，对相关寄存器进行配置，同时nRF24LE芯片可以通过程序控制设置为省电模式，在省电模式时，nRF24LE芯片停止工作。

同时微处理器与电源开关通过P0.2和P0.0进行连接，通过P0.2发送WAKE唤醒信号给电源开关模块，通过微处理器唤醒使能端口P0.0连接电源接受反馈信号WAKE_UP信号，将微处理器从省电模式唤醒，进行工作。微处理器通过ANT1、ANT2、VDD_PA引脚连接放大电路，放大电路再与第二射频天线电连接。

本实施例的nRF24LE芯片内部带有512字节的ROM以及4K byte的RAM，ROM中存储有厂家固化的引导程序，上电初始后将自动从外部存储器当中加载程序到4Kbyte的RAM中。RAM除了用于存储外部加载进来的主程序外，也是内部处理数据的存储区。断电后，RAM中的内容将会丢失，因此为了避免每次使用都要对其进行程序的烧写，对nRF24LE芯片进行了外部存储器的扩展，通过外部存储器来存储数据处理主程序，即本实施例的LF2PAS3933芯片。

nRF24LE芯片的P1.4端口、P1.5端口、P1.6端口作为SPI数据通信接口，与LF2PAS3933芯片进行配置，nRF24LE芯片的P0.0端口接收电源开关的唤醒信号，p0.3端口来接收LF2PAS3933芯片的CL-DAT(时钟数据)输出信号，根据时钟信号的规律，用p1.4端口来接收LF2PAS3933芯片DAT端输出的数据信息，组合成相应的数据帧格式，通过nRF24LE芯片的ANT1端和ANT2端调制成2.4G射频信号传输给放大电路。

综上所述，本实用新型的有源被动式双频芯片同时具有的125K芯片和2.4G芯片的功能，主要应用于双频电子标签中。应用时，本实用新型的无源唤醒模 块读取125K低频激活信号，通过特定通讯协议，有源模块发送2.4G高频射频信号。本实用新型的双频芯片结合了低频高精度和高频大覆盖范围的特点，做到了高精度的资产管理，例如如枪支离位系统、重要资产物资管理，还做到了精确的园区人员定位管理，例如：如幼儿园、校园、养老院、监狱人员定位；适用于固定资产管理，物流、国防安全，人员定位管理等领域。

本实用新型的有源被动式双频芯片应用于RFID系统时，RFID系统主要由125K低频激活器、125K+2.4G双频标签和2.4G网关组成。125K低频激活器：一套设备中有多个具有唯一ID的射频发射天线；125K+2.4G双频标签：由双频芯片构成，标签内的芯片接收到125K激活信号后，激活2.4G信号，将激活的ID信息和2.4G的唯一编码信息和相应的RSSI(Received Signal Strength Indication)值通过2.4G射频发送出去；2.4G网关：接收2.4G射频信号，并通过RJ45网线传至服务器。

本实用新型的双频芯片具体原理是：采用数字调制与解调技术，同时支持在125K和2.4G下工作。数据传输速率可以调节，支持1Mbps,1.5Mbps两种数据传输速率，高的数据速率可以在更短的时间完成同样的数据收发，因此可以具有更低的功耗。

本实用新型的双频芯片针对低功耗应用场合进行了特别优化，在关断模式下，所有寄存器值与FIFO(First Input First Output)值保持不变，关断电流为0.7uA；在待机模式下，时钟保持工作，电流为15uA，并且可以在最长130uS时间内开始数据的收发。

本实用新型的双频芯片操作方式非常方便，只需要微处理器通过SPI接口对芯片少数几个寄存器配置即可以实现数据的收发通信。

本实用新型的双频芯片具有非常低的系统应用成本，只需要一个微处理器和少量外围无源器件即可以组成一个无线数据收发系统。内部集成高PSRR(Power Supply Rejection Ratio)的LDO电源，保证1.9-3.6V宽电源范围内稳定工作；数字I/O兼容2.5V/3.3V/5V等多种标准I/O电压，可以与各种微处理器端口直接连接。

以上所述本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种有源被动式双频芯片结构的改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有源被动式双频芯片，其特征在于，包括

用于接收125K低频激活信号的无源唤醒模块，所述无源唤醒模块包括第一射频天线，所述第一射频天线与整流电路电连接，所述整流电路与用于破解125K低频激活信号的解调电路的输入端电连接，所述解调电路的输出端与用于校验所述125K低频激活信号的逻辑电路的输入端电连接，所述逻辑电路选用功耗低逻辑电路；还包括电源开关，所述电源开关包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述逻辑电路的输出端电连接，所述电源开关与电池电连接；

用于发射2.4G射频信号的有源模块，所述有源模块包括微处理器电路，所述微处理器电路包括唤醒使能端、唤醒使能反馈端和输出端，所述唤醒使反馈端与所述电源开关的第二输入端电连接，所述唤醒使能端与所述电源开关的输出端电连接；所述微处理器电路的输出端与用于发射2.4GHz射频信号的第二射频天线电连接。

2.根据权利要求1所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述无源唤醒模块还包括均与所述整流电路电连接的限幅电路和时钟恢复电路，所述时钟恢复电路还与所述解调电路电连接，所述限幅电路与一个基准电路电连接，所述基准电路还分别与上下电复位电路和稳压电路电连接，所述稳压电路还与所述逻辑电路电连接。

3.根据权利要求2所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述整流电路包括两个PMOS管和两个NMOS管。

4.根据权利要求3所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述稳压电路的稳压范围为1.9～3.6V。

5.根据权利要求1所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述微处理器电路包括微处理器，以及与所述微处理器电连接的外部存储器和微处理器外围电路，所述微处理器与所述外部存储器通过SPI方式进行通讯连接。

6.根据权利要求5所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述微处理器电路还包括放大电路，所述放大电路的输入端与所述微处理器电连接，所述放大电路的输出端作为所述微处理器电路的输出端。

7.根据权利要求1至6任一项所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述电源开关包括逻辑或门，所述逻辑或门的两个输入端分别作为所述电源开关的第一输入端和第二输入端，所述逻辑或门的输出端与一个MOS开关管的栅极电连接，所述MOS开关管的漏极接电池，所述电池经过电阻与所述MOS开关管的栅极电连接，所述MOS开关管的源极作为所述电源开关的输出端。

8.根据权利要求7所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述微处理器选用具有2.4GHz无线收发器的nRF24LE芯片，所述nRF24LE芯片的端口P0.0作为所述唤醒使能反馈端。

9.根据权利要求5所述的有源被动式双频芯片，其特征在于，所述外部存储器选用LF2PAS3933芯片。

10.一种有源被动式双频RFID系统，其特征在于，包括125K低频激活器、权利要求1至9任一项所述的有源被动式双频芯片，以及2.4GHz网关。