射频识别和通信设备 |
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申请号 | CN200480041048.1 | 申请日 | 2004-12-03 | 公开(公告)号 | CN101015135A | 公开(公告)日 | 2007-08-08 |
申请人 | 凸版印刷株式会社; 新加坡科技研究局; | 发明人 | 扬伟干; 连伟梁; 蔡阳本; 沈国尹; 李易松; 刁胜希; | ||||
摘要 | 公开了一种可与设备读取器通信的低功率无源 射频识别 和通信设备,包括:RF前端,用于从设备读取器接收RF 信号 并向设备读取器发送RF信号,并且从设备读取器产生的RF信号中提取电 力 和数据; 控制器 ,用于从RF前端接收数据并向RF前端发送数据;以及 存储器 ,用于从控制器接收数据并向控制器发送数据。存储器可由控制器读取并写入,并且在读取和写入操作期间,可以分别利用第一和第二 电压 供给工作,该第一和第二电压供给具有不同的电压供给电平。 | ||||||
权利要求 | 1、一种可与设备读取器通信的射频识别和通信设备,包括: |
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说明书全文 | 技术领域本发明一般涉及通信设备,尤其涉及射频(RF)识别和通信设备。 背景技术以标签、发射机应答器或卡片形式实现的非接触式或RF识别和 通信(RFID)设备,通常在很多识别目标对象的应用中使用。这些应 用包括门禁控制、访问控制、存货控制、牲畜(live stock)跟踪、 车辆遥感等。 为了有效应用,希望RFID设备能够小型化,这是因为这种设备 通常以标签形式附于目标对象上或贴在目标对象上,以用于识别该目 标对象。设备读取器通过询问来识别具有和目标对象相关的识别信息 的设备,这一询问过程包括在设备和设备读取器之间的基于非接触式 或RF的通信。为了实现最优的小型化,无源设备比有源设备更优选, 所述有源设备是具有内部电源的设备。 无源设备从设备读取器发射的RF信号中产生电力,以作一次性 或临时使用。因为这样产生的电力是有限的,且不能进行存储以备随 后使用,因此,对于这种无源设备的设计而言寻求实现低功率内部操 作是至关重要的。 为了实现低功率内部操作,通常需要无源设备提供具有不同电压 供给电平的不同工作电压供给,以为这些设备内部的不同电路模块供 电。这种无源设备通常还需要为不同电路模块的工作提供不同的时钟 频率。无源设备的一般要求包括应具有读/写存储器和与设备读取器 的通信能力。 针对RFID设备有许多传统方案,但是这些方案没有解决同时提 供在RFID设备中进行低功率操作所需的不同的工作电压供给和时钟 频率的需要。 在授予Naguleswaran的美国专利No.6,104,290中,提出了在发 射机应答器中使用两个振荡器的非接触式识别和通信系统。发射机应 答器在向设备读取器发送数据的发送操作中以较高速率工作,而在其 他操作中以较低速率工作。通过这种方式,据说实现了节电操作。然 而,该方案的缺点在于其具有两个振荡器,这会增大设备并增加设备 成本。 在授予Yang等人的美国专利No.6,211,786中,提出了用于RFID 标签的无电池电路以进行低频应用,在授予Vega等人的美国专利 No.6,147,605中,提出了一种用于静电RFID设备的电路。这些方案 都没有在各自的RFID设备中涉及出于节电目的的多电压供给-多时 钟频率操作。 因此,需要一种具有不同工作电压供给和时钟频率的低功率无源 RFID设备,以执行节电操作。 发明内容根据本发明的一方面,公开了一种可与设备读取器通信的射频识 别和通信设备,其包括:RF前端,用于从设备读取器接收RF信号并 向设备读取器发送RF信号,并且从设备读取器产生的RF信号中提取 电力和数据;控制器,用于从RF前端接收数据并向RF前端发送数据; 以及存储器,用于从控制器接收数据并向控制器发送数据。存储器可 由控制器读取并写入,并且在读取和写入操作期间,可分别利用第一 和第二电压供给工作,该第一和第二电压供给具有不同的电压供给电 平。 本发明的其他目的和优点将在下面的说明书中进行阐述,其根据 描述将是显而易见的,或者可以通过实践本发明而理解。 本发明的目的和优点可以通过下文特别指出的设备和组合来实 现和获得。 附图说明 附图包含于说明书并作为说明书的一部分,这些附图说明了本发 明的优选实施例,并与前文的概括性描述和下文优选实施例中的具体 描述一起用于说明本发明的原理,其中: 图1是根据本发明的实施例的RFID设备的框图; 图2是图1的RFID设备的RF前端模块的示意图; 图3A和3B是说明利用在图1的RFID设备的数字模块中实现的 前向推导方法,在两阶段解码处理中对编码数据解码的时序图; 图4A和4B是实现图3A和3B的解码处理的流程图;以及 图5是图1的RFID设备中直流-直流转换器的电路图。 具体实施方式下面描述本发明的实施例,其可解决对具有不同工作电压供给和 时钟频率以进行节电操作的低功率无源RFID设备的需要。 下面参考图1到图5描述根据本发明实施例的低功率无源RFID 设备100。RFID设备100是通常和RFID设备读取器结合使用以形成 RFID系统的许多RFID设备中的一个例子。这种RFID系统通常执行 基于识别的应用,其首先通过询问来识别附近的RFID设备,该询问 是以下过程,包括:RFID读取器广播询问信号,并作为响应从被询 问的RFID设备接收具有和目标对象相关的识别信息及其他数据的信 号。 下面参考图1描述RFID设备100的整体结构,图1是描述RFID 设备100的电路模块的框图。每个电路模块进行内部配置,并结合其 他模块用于无源、低功率操作,其目的是便于RFID设备100的最优 的小型化实现。由此,RFID设备100可以实现为如本领域的技术人 员所公知的芯片、标签或者卡片。实施例中使用了300MHz到3GHz的 范围中的RF频率。 在RFID设备100中,天线102接收由RFID设备读取器(未示出) 产生并广播的询问或下行链路信号,该信号被发送给电力产生模块 104、106、108,以从询问或下行链路信号的载波中产生所需的工作 电力,所述载波例如是2.45GHz的载波。电力产生模块104、106、 108包括整流器104、调节器106和电容器组108。 在如RFID设备100的无源设备中,这些模块对其主设备的可操 作性是至关重要的,因为所产生的工作电力将被提供给RFID设备100 中所有的其他模块。电压电平和RFID设备100与设备读取器间的距 离成比例,因此,如果距离很短,所产生的很高的电压会破坏RFID 设备100的一些模块。整流器104提供整流电压,调节器106将整流 电压保持在安全工作极限内,因此通常使产生的工作电压Vdd保持较 低(约1伏),以使RFID设备100内的功耗最小。电容器组108通过 分接工作电压Vdd,为产生的电力提供临时或短期存储。工作电压Vdd 用于为存储器110之外的所有电路模块供电,而存储器110则利用更 高的工作电压供给进行工作。 直流-直流转换器112连接到电力产生模块104、106、108以获 取工作电压Vdd,并从中产生更高的工作电压供给以供存储器110进 行存储器操作。直流-直流转换器112为读取和写入操作输出更高的 电压Vdd-h,通过编程其电压电平分别是工作电压Vdd的两倍或三倍。 由于同样的原因,逻辑转换器(logic translator)114也连接到直 流-直流转换器112,并作为用于在RFID设备100的其他数字电路模 块与存储器110之间桥接逻辑电平的接口。在读取操作中,逻辑转换 器114将从存储器110接收的数据的逻辑电平从Vdd-h(例如,= 2×Vdd)转换为Vdd;而在写入操作中,则将发送给存储器110的数 据的逻辑电平从Vdd转换为Vdd-h(例如,=3×Vdd)。这使得其他 电路模块可以以最低的可用工作电压供给即Vdd进行工作,而不是使 用最高的工作电压,因此使RFID设备100的总体功耗最小。 调制解调器116连接到天线102,用于利用下行链路数据解调含 有输入RF载波的下行链路信号,下文将下行链路数据称之为 data2bb,调制解调器116还用于利用上行链路数据把同一输入RF载 波调制成上行链路信号,下文将上行链路数据称之为data2rf。优选 地,用于下行链路和上行链路通信的通信协议包括OOK/ASK调制和曼 彻斯特编码,而上行链路通信则是通过经由反向散射技术利用 data2rf调制输入RF载波而实现,其中反向散射技术包括通过改变 阻抗而反射输入载波。 数字模块118对RFID设备100执行功率管理,并控制逻辑切换, 以使RFID设备100的瞬时功耗最小。数字模块118中的功率管理逻 辑模块(未示出)负责仅对操作的每一阶段中必需模块进行供电。数 字模块118还执行和/或处理防冲突逻辑、命令控制和解释、曼彻斯 特编码-解码以及存储器控制逻辑。 数字模块118连接到直流-直流转换器112,用于通过经由控制 信号nR_W控制直流-直流转换器112的开启/关闭切换以及较高电压 Vdd-h的电压电平来执行功率管理。数字模块118还连接到调制解调 器116,用于分别处理下行链路data2bb和上行链路data2rf,并经 由控制信号Cont_mod控制调制解调器116的开启/关闭切换,以及控 制逻辑转换器114从存储器110读取并向存储器110写入。数字模块 118还连接到时钟发生器122,用于经由控制信号Cont_clk控制具有 不同频率的不同时钟的产生。 RFID设备100中的其他电路模块包括:加电复位电路120,其在 较宽范围的电压供给条件下,为数字模块118和时钟发生器122产生 复位脉冲;以及低功率电流参考124,其为数字模块118和时钟发生 器122产生nA量级的偏置电流。RFID设备100还包括时钟发生器122, 其是可编程的低功率振荡器,分别为数字时钟118、通过逻辑转换器 114为存储器110、以及为直流-直流转换器112产生MHz量级的时钟 f1、f2和f3。在与RFID设备读取器通信且RFID设备100在读取操作 中访问存储器110期间,为数字模块118和直流-直流转换器112提 供相同的时钟频率,即f3=f1,而存储器110不需要时钟,即f2=0。 在存储器的写入操作期间,为数字模块118和存储器110提供相同的 时钟频率,即f2=f1,而为直流-直流转换器112提供f1的一部分例 如四分之一的时钟频率,即f3=f1/4。通过这种方法,时钟发生器122 中只需要一个振荡器来产生f1,而其他时钟频率则取决于f1,因此, 在不同的情况下,例如在对存储器110进行读取和写入操作的情况 下,为各种电路模块提供不同的时钟频率。 利用可编程的直流-直流转换器112和逻辑转换器114,RFID设 备100可以使功耗最小,同时保证工作于不同工作电压供给下的各种 电路模块之间的正确逻辑电平。利用可编程的时钟发生器122,RFID 设备100可以使功耗最小并降低元件数目,同时满足RFID设备100 中不同电路模块的不同时钟要求。 如图2所示,RFID设备100的RF前端包括三个主要元件,即整 流器104、解调器204和调制器208。解调器204和调制器208形成 调制解调器116,整流器104实现为整流设备202,其作为一个虚拟 电池,以通过整流下行链路信号来为RFID设备100供电。解调器204 检测OOK调制的下行链路信号的包络,以便由诸如数字模块118的基 带电路模块来进行处理。调制器208通过利用反向散射方法来调制上 行链路CW波。 采用传统的倍压器作为整流设备202的整流核心,其包括二极管 D1和D2,其中D1的阴极连接到D2的阳极,以提供作为整流设备202 的整流核心的倍压器。 通过D1和D2的连接点处的电容器Cx将下行链路信号提供给整 流设备202,旁路电容器Cl连接到整流器核心的输出端,以对输出 端的电压进行平滑处理,从而提供工作电压Vdd。 通过将二极管D3的阳极连接到D1与D2之间的连接点处而构成 解调器204,从而使得解调器204可以分接要检测的下行链路信号。 通过适当地选择连接到D3阴极的电阻器R2和电容器C2,其中电阻 器R2和电容器C2并联,可将解调器204的RC时间常数选择为使得 解调器204滤掉输入RF载波,而跟踪基于OOK的下行链路信号的包 络。R2可以用电流源(未示出)代替,以排出D3与R2和C2之间的 连接点处的电流。关闭电流源以在空闲时间节省电流消耗。 根据本实施例,所有的二极管都是利用配置为二极管的MOS器件 来实现。 检测到的基带信号通过具有内置滞后的低频比较器206被进一 步转换为二进制电平。比较器206的一个输入端连接到参考电压ref (例如,=Vdd/2),参考电压ref可以通过电阻分压器产生,比较器 206的另一输入端连接到D3的阴极。在比较器206的输出端得到二 进制编码信号,其被提供作为数据信号data2bb。 调制器208包括电阻器R1和开关Sw,通过开关Sw,传送上行链 路信号中要发送给RFID设备读取器的data2rf,开关Sw和R1串联, R1的自由端连接到D3的阴极。通过导通/切断在R1处加载的额外的 DC实现了反向散射。 设计了芯片外印制偶极子天线,并将其用作天线102,以和RF 前端的复合输入阻抗匹配。 下面参考图3A、3B、4A和4B描述数字模块118中实现的曼彻斯 特解码方法。 当前有很多传统的曼彻斯特解码方法。这些传统方法中的一些包 括使用时钟恢复电路来使输入数据和时钟同步。利用曼彻斯特解码方 法,以下简称为解码方法,可以不使用时钟恢复电路或信号-边缘检 测装置来解码数据。 解码方法包括两阶段的处理,即,如图3A和3B以及图4A和4B 所示,阶段1用于脉冲宽度同步,阶段2用于数据解码,其中图3A 和3B是描述编码数据的例子的时序图,而图4A和4B是分别举例说 明阶段1和2的实现方式的流程图。 在阶段1,检测编码数据中的同步比特,以提供用于低脉冲和高 脉冲宽度的参考。在阶段2,接着利用这些参考对编码数据中的数据 比特进行解码,以获得解码数据,以下称为Data[0…(DataSize-1)]。 DataSize的值反应解码数据中数据比特的数目,其中前四个比特用 作例子中的同步比特。 在图4A所示的阶段1中,从步骤402开始,其中处理data2bb 中的数据流序列,当在步骤404中检测到data2bb中的编码数据从1 变到0时,在下一步骤406中使初始化为0的计数器Cntr增加。然 后,在步骤408中将计数器值Cntr和整数值2比较,如果不匹配, 则在步骤410中再次将计数器值Cntr和整数值4比较。如果在步骤 410中匹配,则阶段1结束,阶段2开始;如果不匹配,则处理循环 回到步骤404。 本例中,在步骤410使用了整数值4,这是因为同步比特的数目 设为4个。同样,在步骤408使用了整数值2,这是因为其是为在测 量第二个同步比特以提供参考情况下的低脉冲和高脉冲宽度而设计。 如果在步骤408中匹配,处理进入步骤412,如图3A所示,其 中根据RFID设备100的系统和内部时钟,测量第二同步比特的低脉 冲宽度A。在下一步骤414中,检查测量到的脉冲宽度是否在如包括 多个最大值的Max Width预定义的扩展时间内保持为低,其中如果判 断为真,则将测量值视为是损坏的,并在步骤416将其丢弃,之后处 理回到步骤402,在该步骤中处理data2bb中数据流的下一个序列。 如果在步骤414判断为假,即,如果测量的脉冲宽度没有在扩展 时间内保持为低,则处理进入步骤418,其中检测到data2bb中的编 码数据从0变到1,在下一步骤420中,如图3B所示,根据RFID设 备100的时钟,测量第二同步比特的高脉冲宽度B。然后,在步骤422 检查该测量值,如果测量的脉冲宽度在如Max Width预定义的扩展时 间内保持为高,则在步骤424将其丢弃,之后处理回到步骤402以处 理data2bb中数据流的下一个序列。否则处理回到步骤404。 在如图4B所示的阶段2中,从步骤452开始,在步骤454进行 阶段2的初始化,其中将解码数据Data[0…(DataSize-1)]设为 值0,并且将可变采样模式设为高采样。DataSize表示解码数据中的 比特数。当采样模式设为高采样时,该处理测量编码数据比特的高脉 冲宽度,当采样模式设为低采样时,该处理测量编码数据比特的低脉 冲宽度。 在步骤456,比较计数器值Cntr和DataSize,如果计数器值Cntr 较低,则处理进入下一步骤458。否则处理结束。 在步骤458,检查采样模式是否被设为高采样,如果匹配,则步 骤460中的处理测量当前高脉冲宽度C,其包括从当前编码数据比特 由低到高的转换开始至下一个由高到低的转换为止的当前编码数据 比特的高脉冲宽度。然后在步骤462比较该测量值和(B+(A/2)),如 果C大于(B+(A/2)),则在步骤464为当前编码数据比特赋值“1”, 如图3A和3B所示。然后在下一步骤466,将采样模式设为低采样, 随后,在步骤468,使计数器增加。然后在步骤470,将测量值和Max Width中的各个最大值比较,如果测量值超过最大值,则在步骤472 将其丢弃,之后处理回到步骤402,用于处理data2bb中数据流的下 一个序列。如果测量值没有超过最大值,则处理回到步骤456。 如果在步骤462,C不大于(B+(A/2)),则在步骤472,为当前的 编码数据比特赋值“0”,并在下一步骤468中将采样模式设为高采样。 随后,处理继续执行计数器增加步骤468。 如果在步骤458未匹配,则在步骤476,该处理测量当前的低脉 冲宽度D,其包括从当前编码数据比特由高到低的转换开始至下一个 由低到高的转换为止的当前编码数据比特的低脉冲宽度。然后在步骤 478比较该测量值和(A+(A/2)),如果D大于(A+(A/2)),则在步骤480 为当前编码数据比特赋值“0”,如图3A和3B所示。然后在下一步骤 482,将采样模式设为高采样,随后,在步骤468,使计数器增加。 然后在步骤470,将测量值和Max Width中的各个最大值比较,如果 测量值超过最大值,则在步骤472将其丢弃,之后处理回到步骤402, 用于处理data2bb中数据流的下一个序列。如果测量值没有超过各个 最大值,处理回到步骤456。 如果在步骤478,D不大于(A+(A/2)),则在步骤484,为当前的 编码数据比特赋值“1”,并在下一步骤486,将采样模式设为低采样。 随后,处理继续执行计数器增加步骤468。 在解码方法中,处理的阶段2通过前向推导技术进行解码,该前 向推导技术包括对在当前编码数据比特的转换处开始的低脉冲或高 脉冲宽度的测量,从而测量当前编码数据比特的比特间隔的至少后半 部,以利用阶段1期间所测量的低和高脉冲宽度的参考来确定下一个 编码数据比特值。 参考图5进一步详细描述直流-直流转换器112,其用于提供一 种防止RFID设备100中出现瞬态电流冲击的方法。如同进行低功率 操作对于诸如RFID设备100的无源设备至关重要一样,既便整体平 均电流消耗很低,如果RFID设备100中的电路模块消耗大量的动态 电流,这也是不可接受的。当在加电过程中打开电路模块时通常会发 生上述现象,并且极大的冲击电流被用来为这些电路模块中的内部节 点充电。 在功率管理概念中,其通常涉及在实际操作过程中打开/关闭电 路模块以节省电力,这可能会成为引起设备由于出现大的电压降而发 生故障的因素。 直流-直流转换器112包括电流钳位电路(current-clamp circuitry)502和电荷泵电路504。电流钳位电路502被设置在用以 接收整流电压(Vdd)的整流器104的输出端和电荷泵电路504之间。 电流钳位电路502用于在电荷泵电路504的工作过程中控制电流。 如图5所示,电流钳位电路502采用其输出端互相连接的两个 PMOS开关,一个PMOS开关是具有高导通电阻(Ron)的506,另一个 PMOS开关是具有低Ron的508。这两个开关由逻辑模块510控制并相 应地切断/接通。当不访问存储器110时,这两个开关都被切断。 逻辑模块510进行切换,以便当电流钳位电路502开始工作时, 只有高Ron PMOS 506导通。这限制了可以从整流器104获得的电流量。 在逻辑模块510中存在内部计数器(未示出),其开始计数32个时钟 周期,之后,低Ron PMOS 506导通以进行正常操作(EOC=1)。 RFID设备100的优点是多方面的。和RF前端相关的优点如下: (i)采用和用于基带电路的主流技术兼容的、并允许在单个硅 芯片上实现完全集成方案的低成本的标准CMOS工艺实现了RF前端。 在传统方案中,由高性能的外部肖特基二极管构建RF前端,并在CMOS 工艺中实现基带电路。虽然肖特基二极管提供了最好的RF性能,但 是这些器件不能在标准CMOS工艺中获得。混合方法由于结构庞大而 导致高成本,这抵消了RFID技术内在的附加值,并阻碍了RFID的大 规模应用。 (ii)通过省掉外部元件和相关的组装费用,降低了费用和形成 因素(form factor)。 (iii)具有更可靠的性能,因为:1)IC技术提供了比离散器 件更好的器件匹配。2)避免了关键RF部件的组装失配。 (iv)具有集成片上天线以形成整体RFID解决方案的可能性。 和电流钳位电路502相关的优点如下: (i)通过电流钳位可对这些模块进行适当的功率管理,而不必 担心重新加电过程中出现高冲击电流。 (ii)附加电路小,主要为两个开关和一些触发器(当前技术中 数字部分很小)。 (iii)在常规操作中逻辑模块没有电流消耗(纯数字的),因此 不浪费额外的电力。 (iv)不使用时,附加的电路可以作为从电荷泵上分离的纯补充 电路(clean supply)。 通过上述方式,公开了一种低功率无源RFID设备,其具有不同 的工作电压供给和时钟频率,以用于进行节电操作。尽管只公开了本 发明的几个实施例,但是本领域的技术人员参考这些公开内容可以显 而易见的是,在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以进行多种改 变和/或修改。例如,曼彻斯特解码方法可用于输入数据占空比的所 有范围。而且,在电流钳位电路中,数字计数器的值是取决于实施方 式的变量。数字逻辑可用许多其他方法实现,只要实现该延迟以导通 强晶体管即低Ron PMOS即可。 |