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CN108183731A - 一种超高频无源rfid数字基带的低功耗架构系统 - Google Patents

一种超高频无源rfid数字基带的低功耗架构系统 Download PDF

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CN108183731A CN201711372819.0A CN201711372819A CN108183731A CN 108183731 A CN108183731 A CN 108183731A CN 201711372819 A CN201711372819 A CN 201711372819A CN 108183731 A CN108183731 A CN 108183731A
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Abstract

本发明公开一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统；包括射频模拟前端、数字基带处理器部分和存储器；射频模拟前端主要作用经过整流电路是将天线接收到的交流射频能量转化成标签其他电路可用的直流能量，同时通过检波电路从接收到的射频信号中恢复出阅读器发射的数据，以及通过时钟产生电路产生驱动数字基带处理器部分工作的时钟信号，并对标签返回的信号进行调制发送；数字基带处理器部分主要负载进行协议处理；存储器则用于存储相关有用信息。本发明通过改进之后，该结构结合含有门控时钟的电源管理机制可以有效地使电子标签的功耗较为均匀地分配到整个工作时段，从而降低最大瞬时功耗。

Description

一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统
技术领域
本发明涉及物联网中对应于低功耗无线通信领域，具体来讲属于一种射频识别系统中数字基带部分的低功耗技术。
背景技术
射频识别技术是一种利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递信息达到多目标识别和运动目标识别的无线通信技术。该技术具有抗恶劣环境、高准确性、安全性、灵活性和可扩展性等诸多优点；便于通过互联网实现物品跟踪和物流管理；可以广泛应用于铁路车皮识别、自动高速公路收费、航空行李处理、资产跟踪、公共交通、物流管理、门禁安全、动物识别/跟踪等；它将成为未来信息社会建设的一项基础技术。
最基本的RFID系统由电子标签(Tag)和阅读器(Reader)组成。阅读器和电子标签之间的信息交换是通过射频方式完成的。阅读器发送给电子标签的电磁波一方面给电子标签提供了工作的能量,另一方面还将经过编码的基带信号调制在载波上发送给电子标签；电子标签接收到这些信号后,经过解调、解码等过程将数据还原出来,然后送给数据处理部分,同样,电子标签也将数据编码并通过负载调制将编码后的数据调制到载波上,返回给阅读器:阅读器接收后,进行相应的处理过程,还原出其中的数据信息。
按照能量供给方式的不同,射频识别电子标签可以分为无源标签、半有源标签和有源标签。其中无源标签的芯片上没有电池,其能量来源于电磁载波；半有源标签的能量既可以通过电磁载波获取,也可以由标签所附的电池提供；有源标签的能量由电子标签所附的电池提供,有源标签可以主动发出射频信号。对于无源标签而言，只要电子标签处于有效电磁场域中,就能源源不断地从电磁载波中恢复出提供标签芯片工作的能量，并且标签芯片的工作距离与功耗成反比:功耗越低,有效工作距离越远。
目前,电子标签的数字基带处理器架构或者采用按功能划分的有限状态机结构,或者采用基于CISC指令集的CPU结构；但这两类结构在划分上都没有考虑到电子标签特低功耗需求的特殊性,通常是多个模块协同配合、同时工作的,因而会产生较大的瞬时功耗。
巨大的市场需求对RFID系统提出了低成本、低功耗的要求，尤其是在需求量极大的电子标签方面这一要求更为迫切。影响整个电子标签功耗的因素主要有:电源能量的利用率(由射频模拟前端整流电路的效率，天线匹配情况决定)，射频模拟前端的功耗，数字基带处理器的功耗以及存储器电路(EEPROM)的功耗。其中，电源能量的利用率所占的影响因子最大，但一般很难提高该利用率；数字基带的功耗较大，约占整流后功耗的50％；射频模拟前端和存储器(EEPROM)的功耗相当，各占整流后功耗的25％。研究表明：一方面，通过优化改进射频前端电路和存储器电路的设计来实现较大幅度地降低标签功耗是十分困难的；另一方面，对于数字基带处理器作为协议执行的核心部件，其功耗是可以通过采用先进的低功耗技术来实现较大程度地降低的。因此，本发明将着重研究数字基带处理器的低功耗设计，以此一个突破口来降低标签芯片功耗，提高工作距离。
发明内容
因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统；本发明通过分析电子标签协议处理的特点，通过改进之后，该结构结合含有门控时钟的电源管理机制可以有效地使电子标签的功耗较为均匀地分配到整个工作时段，从而降低最大瞬时功耗。
本发明是这样实现的，构造一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，主要包括射频模拟前端、数字基带处理器部分和存储器；
所述射频模拟前端主要作用经过整流电路是将天线接收到的交流射频能量转化成标签其他电路可用的直流能量，同时通过检波电路从接收到的射频信号中恢复出阅读器发射的数据，以及通过时钟产生电路产生驱动数字基带处理器部分工作的时钟信号，并对标签返回的信号进行调制发送；
所述数字基带处理器部分主要负载进行协议处理；
所述存储器则用于存储相关有用信息。
本发明针对RFID无源电子标签低功耗的需求所提出的数字基带处理器的架构可以有效地使功耗在整个工作时段平缓均匀地分布,消除尖峰功耗,降低电子标签芯片的瞬时功耗，从而提高工作距离和工作性能。
作为上述技术方案的改进，所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，对于数字基带处理器部分来讲，其主要工作就是进行协议处理；当接收到阅读器发送的信号后，进行数据解码和CRC校验；然后进行指令解析和信息处理(比如读/写EEPROM，实施防碰撞算法等)；最后再将返回数据及生成CRC码编码作为响应信号发送给阅读器。
根据RFID协议,无源电子标签具有以下特征:
其l：电子标签是无源的,其低功耗设计实质上是低功率设计,设计时应着重于降低瞬时功耗的最大值；
其2：电子标签与阅读器之间采用半双工通信,一次通信只处理一条指令,电子标签在响应当前指令时不再接受任何新的指令；
其3：RFID系统采用时隙Aloha算法来实现防碰撞机制,电子标签对指令有较长的响应时间,信号处理速度要求相对较低；
其4：电子标签对指令信号的处理操作是串行的,依次为接收信号解码、CRC码校验、指令解析、指令处理(实施防碰撞机制和权限认证机制、读/写EEPROM)、CRC码生成、编码发送信号。
作为上述技术方案的改进，所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，所述数字基带处理器部分具有数据解码模块、指令译码模块、电源管理模块、控制单元、数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、输出控制单元、EEPROM接口模块；
其中，电源管理模块分别与数据解码模块、电源管理模块、控制单元、数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、EEPROM接口模块连接，用于对其产生时钟信号和使能信号；
其中，数据解码模块的一输出端与控制单元连接，数据解码模块的另一输出端与指令译码模块连接，由指令译码模块处理后再连接控制单元；
其中，控制单元的输出端连接输出控制单元，并通过输出控制单元连接数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、EEPROM接口模块。
作为上述技术方案的改进，所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，所述数字基带处理器部分的具体工作如下：初始化模块做芯片的初始化工作，收到电源管理模块的启动信号后，发出存储器读请求信号，开启存储器读过程，获取标签各特征码及计算随机数种子数值；随机数发生器主要用来产生所需要的随机数用于标签通信的认证、防冲撞和数据加解密；电源管理模块通过时钟信号和使能信号控制各个模块的工作状态；控制单元产生控制信号指挥其余模块有序工作,实现防碰撞机制和权限认证机制；输出控制单元协助控制单元控制输出数据的编码和循环冗余校验电路校验；RD是读写器发送的指令信号，MOD是电子标签的返回信号。
该架构的优点体现在于:
其l：按功能划分的各模块具有相对的独立性,便于修改维护和功能扩展；
其2：模块之间逻辑关系清晰，控制灵活,有利于门控时钟电源管理机制和流水线操作的实施；
其3：避免了功耗过于集中在某一模块,单个模块的最大功耗不会超过芯片功耗的35％,从而避免该模块工作时产生较大的瞬时功耗；
其4：基于工作时段的多模块细化结合电源管理机制使得电子标签芯片功耗可以较均匀地分散到整个工作时段,降低了瞬时功耗的最大值。
本发明具有如下优点：本发明通过改进在此提供一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，如图1-图3所示；具有如下改进及优点；
优点1：本发明针对RFID无源电子标签低功耗的需求所提出的数字基带处理器的架构可以有效地使功耗在整个工作时段平缓均匀地分布,消除尖峰功耗,降低电子标签芯片的瞬时功耗，从而提高工作距离和工作性能。
优点2：对于数字基带处理器部分来讲，其主要工作就是进行协议处理；当接收到阅读器发送的信号后，进行数据解码和CRC校验；然后进行指令解析和信息处理(比如读/写EEPROM，实施防碰撞算法等)；最后再将返回数据及生成CRC码编码作为响应信号发送给阅读器。
实施时，各个频段数字基带处理器的基本功能是相同，其主要工作就是进行协议处理(见图2):当接收到阅读器发送的信号后,进行数据解码和CRC校验；然后进行指令解析和信息处理(比如读/写EEPROM,实施防碰撞算法等),最后再将返回数据及生成CRC码编码作为响应信号发送给阅读器。
根据RFID协议,无源电子标签具有以下特征:
其l：电子标签是无源的,其低功耗设计实质上是低功率设计,设计时应着重于降低瞬时功耗的最大值；
其2：电子标签与阅读器之间采用半双工通信,一次通信只处理一条指令,电子标签在响应当前指令时不再接受任何新的指令；
其3：RFID系统采用时隙Aloha算法来实现防碰撞机制,电子标签对指令有较长的响应时间,信号处理速度要求相对较低；
其4：电子标签对指令信号的处理操作是串行的,依次为接收信号解码、CRC码校验、指令解析、指令处理(实施防碰撞机制和权限认证机制、读/写EEPROM)、CRC码生成、编码发送信号。
优点3；所述数字基带处理器部分具有数据解码模块、指令译码模块、电源管理模块、控制单元、数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、输出控制单元、EEPROM接口模块；
所述数字基带处理器部分的具体工作如下：初始化模块做芯片的初始化工作，收到电源管理模块的启动信号后，发出存储器读请求信号，开启存储器读过程，获取标签各特征码及计算随机数种子数值；随机数发生器主要用来产生所需要的随机数用于标签通信的认证、防冲撞和数据加解密；电源管理模块通过时钟信号和使能信号控制各个模块的工作状态；控制单元产生控制信号指挥其余模块有序工作,实现防碰撞机制和权限认证机制；输出控制单元协助控制单元控制输出数据的编码和循环冗余校验电路校验；RD是读写器发送的指令信号，MOD是电子标签的返回信号。
该架构的优点体现在于:
其l：按功能划分的各模块具有相对的独立性,便于修改维护和功能扩展；
其2：模块之间逻辑关系清晰，控制灵活,有利于门控时钟电源管理机制和流水线操作的实施；
其3：避免了功耗过于集中在某一模块,单个模块的最大功耗不会超过芯片功耗的35％,从而避免该模块工作时产生较大的瞬时功耗；
其4：基于工作时段的多模块细化结合电源管理机制使得电子标签芯片功耗可以较均匀地分散到整个工作时段,降低了瞬时功耗的最大值。
附图说明
图1电子标签芯片组成；
图2数字基带处理器的工作原理；
图3超高频电子标签数字基带处理器的系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图1-图3对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，该方法的也可应用于高频和低频RFID电子标签数字基带处理器的设计,同时也为其他半双工通信系统低功耗基带处理器的设计提供了一种新的思路。
如图1-图3所示；可以按照如下方式予以实施；
图1所示；本发明主要包括射频模拟前端、数字基带处理器部分和存储器；
所述射频模拟前端主要作用经过整流电路是将天线接收到的交流射频能量转化成标签其他电路可用的直流能量，同时通过检波电路从接收到的射频信号中恢复出阅读器发射的数据，以及通过时钟产生电路产生驱动数字基带处理器部分工作的时钟信号，并对标签返回的信号进行调制发送；
所述数字基带处理器部分主要负载进行协议处理；
所述存储器则用于存储相关有用信息。
因此，本发明所研究的RFID无源电子标签,其工作的能量受限于芯片瞬时消耗的能量；该芯片低功耗设计的实质是低瞬时功率的设计,设计时应着重考虑瞬时功耗的最大值,使功耗在整个工作时段平缓均匀地分布,消除尖峰功耗,从而获得更远的工作距离和更好的工作性能。
本发明所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，对于数字基带处理器部分来讲，其主要工作就是进行协议处理；当接收到阅读器发送的信号后，进行数据解码和CRC校验；然后进行指令解析和信息处理(比如读/写EEPROM，实施防碰撞算法等)；最后再将返回数据及生成CRC码编码作为响应信号发送给阅读器。
实施时，各个频段数字基带处理器的基本功能是相同，其主要工作就是进行协议处理(见图2):当接收到阅读器发送的信号后,进行数据解码和CRC校验；然后进行指令解析和信息处理(比如读/写EEPROM,实施防碰撞算法等),最后再将返回数据及生成CRC码编码作为响应信号发送给阅读器。
根据RFID协议,无源电子标签具有以下特征:
其l：电子标签是无源的,其低功耗设计实质上是低功率设计,设计时应着重于降低瞬时功耗的最大值；
其2：电子标签与阅读器之间采用半双工通信,一次通信只处理一条指令,电子标签在响应当前指令时不再接受任何新的指令；
其3：RFID系统采用时隙Aloha算法来实现防碰撞机制,电子标签对指令有较长的响应时间,信号处理速度要求相对较低；
其4：电子标签对指令信号的处理操作是串行的,依次为接收信号解码、CRC码校验、指令解析、指令处理(实施防碰撞机制和权限认证机制、读/写EEPROM)、CRC码生成、编码发送信号。
本发明所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，如图3所示；所述数字基带处理器部分具有数据解码模块、指令译码模块、电源管理模块、控制单元、数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、输出控制单元、EEPROM接口模块；
其中，电源管理模块分别与数据解码模块、电源管理模块、控制单元、数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、EEPROM接口模块连接，用于对其产生时钟信号和使能信号；
其中，数据解码模块的一输出端与控制单元连接，数据解码模块的另一输出端与指令译码模块连接，由指令译码模块处理后再连接控制单元；
其中，控制单元的输出端连接输出控制单元，并通过输出控制单元连接数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、EEPROM接口模块。
所述数字基带处理器部分的具体工作如下：初始化模块做芯片的初始化工作，收到电源管理模块的启动信号后，发出存储器读请求信号，开启存储器读过程，获取标签各特征码及计算随机数种子数值；随机数发生器主要用来产生所需要的随机数用于标签通信的认证、防冲撞和数据加解密；电源管理模块通过时钟信号和使能信号控制各个模块的工作状态；控制单元产生控制信号指挥其余模块有序工作,实现防碰撞机制和权限认证机制；输出控制单元协助控制单元控制输出数据的编码和循环冗余校验电路校验；RD是读写器发送的指令信号,MOD是电子标签的返回信号。(如图3，图中虚线代表时钟信号)。
该架构的优点在于:
其l：按功能划分的各模块具有相对的独立性,便于修改维护和功能扩展；
其2：模块之间逻辑关系清晰，控制灵活,有利于门控时钟电源管理机制和流水线操作的实施；
其3：避免了功耗过于集中在某一模块,单个模块的最大功耗不会超过芯片功耗的35％,从而避免该模块工作时产生较大的瞬时功耗；
其4：基于工作时段的多模块细化结合电源管理机制使得电子标签芯片功耗可以较均匀地分散到整个工作时段,降低了瞬时功耗的最大值。
该方法的也可应用于高频和低频RFID电子标签数字基带处理器的设计,同时也为其他半双工通信系统低功耗基带处理器的设计提供了一种新的思路。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，其特征在于：主要包括射频模拟前端、数字基带处理器部分和存储器；
所述射频模拟前端主要作用经过整流电路是将天线接收到的交流射频能量转化成标签其他电路可用的直流能量，同时通过检波电路从接收到的射频信号中恢复出阅读器发射的数据，以及通过时钟产生电路产生驱动数字基带处理器部分工作的时钟信号，并对标签返回的信号进行调制发送；
所述数字基带处理器部分主要负载进行协议处理；
所述存储器则用于存储相关有用信息。
2.根据权利要求1所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，其特征在于：对于数字基带处理器部分来讲，其主要工作就是进行协议处理；当接收到阅读器发送的信号后，进行数据解码和CRC校验；然后进行指令解析和信息处理；最后再将返回数据及生成CRC码编码作为响应信号发送给阅读器。
3.根据权利要求1或2所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，其特征在于：所述数字基带处理器部分具有数据解码模块、指令译码模块、电源管理模块、控制单元、数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、输出控制单元、EEPROM接口模块；
其中，电源管理模块分别与数据解码模块、电源管理模块、控制单元、数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、EEPROM接口模块连接，用于对其产生时钟信号和使能信号；
其中，数据解码模块的一输出端与控制单元连接，数据解码模块的另一输出端与指令译码模块连接，由指令译码模块处理后再连接控制单元；
其中，控制单元的输出端连接输出控制单元，并通过输出控制单元连接数据编码模块、随机数发生器、循环冗余校验电路、初始化模块、EEPROM接口模块。
4.根据权利要求3所述一种超高频无源RFID数字基带的低功耗架构系统，其特征在于：所述数字基带处理器部分的具体工作如下：初始化模块做芯片的初始化工作，收到电源管理模块的启动信号后，发出存储器读请求信号，开启存储器读过程，获取标签各特征码及计算随机数种子数值；随机数发生器主要用来产生所需要的随机数用于标签通信的认证、防冲撞和数据加解密；电源管理模块通过时钟信号和使能信号控制各个模块的工作状态；控制单元产生控制信号指挥其余模块有序工作,实现防碰撞机制和权限认证机制；输出控制单元协助控制单元控制输出数据的编码和循环冗余校验电路校验。
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