基于RFID標簽芯片基帶處理器的低功耗設計

射頻識別技術(shù)已被應用到許多領(lǐng)域，如護照、交通運輸、產(chǎn)品追蹤、汽車(chē)以及動(dòng)物識別等。射頻識別即RFID(Radio Frequency IDentification)技術(shù)，又稱(chēng)電子標簽、無(wú)線(xiàn)射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電訊號識別特定目標并讀寫(xiě)相關(guān)數據，而無(wú)需識別系統與特定目標之間建立機械或光學(xué)接觸。射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，縮寫(xiě)RFID)，射頻識別技術(shù)是20世紀90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞)，在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型(雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的利用反射功率的通信奠定了射頻識別技術(shù)的理論基礎。

由于RFID標簽芯片及其控制器要求具有低成本、低功耗的特性，目前定義RFID產(chǎn)品的工作頻率有低頻、高頻和超高頻的頻率范圍內的符合不同標準的不同的產(chǎn)品，而且不同頻段的RFID產(chǎn)品會(huì )有不同的特性。其中感應器有無(wú)源和有源兩種方式，因此本文提出一種符合ISO18000-6B協(xié)議，并滿(mǎn)足低成本、低功耗要求的高頻RFID標簽芯片數字基帶處理器的設計。

1 數字系統結構圖

根據ISO18000-6B協(xié)議，從閱讀器到應答器的數據傳送通過(guò)對載波的幅度調制(ASK)完成，數據編碼為通過(guò)生成脈沖創(chuàng )建的曼徹斯特碼編碼，速率為40 kb/s;標簽返回給閱讀器的數據通過(guò)FM0編碼調制后發(fā)送至模擬前端，經(jīng)由天線(xiàn)發(fā)送至閱讀器。

所設計的數字系統結構圖如圖1所示，主要完成以下功能：(1)對前向鏈路解調輸出信號進(jìn)行曼徹斯特碼解碼，給出解碼輸出時(shí)鐘，解析出再同步信號;(2)對解碼出的數據進(jìn)行CRC校驗，確認數據傳輸和標簽解調的正確性，并且同時(shí)對解碼輸出數據進(jìn)行串并轉換，以及解析出正確的命令;(3)根據ISO18000-6B協(xié)議的全部功能要求對接收的指令進(jìn)行正確處理;(4)根據協(xié)議的要求對存儲器進(jìn)行正確讀寫(xiě)操作;(5)對處理完畢的數據進(jìn)行組織，生成CRC校驗碼;(6)對回送數據進(jìn)行FMO編碼，回送給射頻模擬前端進(jìn)行調制。

在設計中，有限狀態(tài)機的設計是數字部分設計的核心，其功能是協(xié)調模塊之間數據與信號交互、處理接收到的指令及其相應的數據、轉換自身狀態(tài)、執行對碰撞計數器和靜默計數器的操作、執行對存儲器的讀寫(xiě)存儲操作、規定反向散射標簽的64位UID以及MTP存儲器內容，并和外圍模塊電路一起構成防碰撞電路，實(shí)現防碰撞算法。

2 低功耗設計

電路中耗散的能量可以分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。形成靜態(tài)功耗的主要原因是晶體管中從源極到漏極的亞閾值泄漏，就是指閾值電壓的降低阻止了柵的關(guān)閉。動(dòng)態(tài)功耗分為開(kāi)關(guān)功耗和內部功耗。開(kāi)關(guān)功耗是由于器件輸出端的負載電容的充放電引起的。

數字部分實(shí)現低功耗，可以從系統級和RTL代碼級兩方面考慮。本設計中采取降低功耗的有效措施包括：降低電源電壓，降低時(shí)鐘頻率，門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)，組織模塊的設計方法。

2.1同步化不同時(shí)鐘的設計方案

當系統中有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同時(shí)鐘時(shí)，數據的建立和保持時(shí)間很難得到保證，會(huì )面臨復雜的時(shí)間問(wèn)題。最好的方法是將不同的時(shí)鐘同步化，由于標簽數字基帶電路中的編碼器設計中需要編碼輸入時(shí)鐘160 kHz和編碼輸出時(shí)鐘320 kHz，所以不同的觸發(fā)器使用不同的時(shí)鐘。為了系統穩定，用系統時(shí)鐘1.28 MHz將160 kHz和320 kHz時(shí)鐘同步化，如圖2所示。1.28 MHz的高頻時(shí)鐘將作為系統時(shí)鐘，輸入到所有觸發(fā)器的時(shí)鐘端。160 MHz _EN和320 MHz_EN將控制所有觸發(fā)器的使能端。即原來(lái)接160 MHz時(shí)鐘的觸發(fā)器，接1.28 MHz時(shí)鐘，同時(shí)160 MHz_EN將控制該觸發(fā)器使能，原接320 MHz時(shí)鐘的觸發(fā)器，也接1.28 MHz時(shí)鐘，同時(shí)320 MHz_EN將控制該觸發(fā)器使能。

2.2降低電源電壓

動(dòng)態(tài)功耗和電源電壓的平方成正比，故降低電源電壓是減少功耗的有效辦法，但是降低供電電壓，會(huì )帶來(lái)很多副作用：首先，降低供電電壓，會(huì )導致速度下降，減小電容充放電的電流或負載驅動(dòng)電流;其次，會(huì )導致較低的輸出功率或較低的信號幅度，從而產(chǎn)生噪聲和信號衰減的問(wèn)題。研究表明：降低閥值電壓，可以使得動(dòng)態(tài)功耗減少，但會(huì )增大靜態(tài)功耗。