串行接口的FRAM RFID LSI概述

　　FRAM 概述

　　作為行業(yè)中最大的鐵電隨機存儲器（Ferroelectric Random Access Memory）供應商，富士通公司早在1998年就將鐵電隨機存儲器結合到微處理器中，并在1999年推出批量產(chǎn)品，均為行業(yè)之最。新一代的非易失性鐵電隨機存儲器在性能上超過(guò)現有的存儲器，比如電可擦除只讀存儲器（EEPROM）、電池后備供電靜態(tài)讀寫(xiě)存儲器（BBSRAM）。鐵電隨機存儲器耗電更少，對于多次讀寫(xiě)運算具有更高的耐受性。這一突破性存儲介質(zhì)正在各種應用中使用，包括智能卡、無(wú)線(xiàn)射頻識別（RFID）和安全應用。

　　鐵電隨機存儲器屬于非易失性存儲器，但在其它各方面則類(lèi)似于隨機存儲器。因此，和其它類(lèi)型的非易失性存儲器相比（如電可擦除只讀存儲器和閃存），它的特點(diǎn)是寫(xiě)入速度更快，擦寫(xiě)次數更多，同時(shí)耗電少。

　　到目前為止，富士通半導體已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了高頻段（13.6MHz）和超高頻段（860 MHz到960 MHz）RFID LSI產(chǎn)品。這些產(chǎn)品最重要的特點(diǎn)就是它們內嵌FRAM。由于擦寫(xiě)速度快、耐擦寫(xiě)次數高，它們已經(jīng)作為數據載體型被動(dòng)RFID LSI而被全世界廣泛采用。

　　富士通開(kāi)發(fā)的 RFID 專(zhuān)用芯片，在原有 13.56MHz 的 HF 頻帶的基礎上，又增 加 了 860 ～ 960MHz 的 UHF 頻 帶 產(chǎn)品。其最大的特點(diǎn)就是配備了鐵電隨機存儲器FRAM（Ferroelectric RandomAccess Memory），從而靈活運用其高速寫(xiě)入、可多次擦寫(xiě)等特性，作為大容量數據載體型無(wú)源 RFID 專(zhuān)用芯片，在國 內外得以廣泛應用。

　　大存儲數據載體的優(yōu)勢就是RFID可以記錄可追溯數據，如制造數據、生產(chǎn)數據、物流數據、維護數據等，因此它可用于各種資產(chǎn)、產(chǎn)品和零部件的管理。由于大存儲數據載體具有這些優(yōu)勢，人們希望進(jìn)一步利用FRAM RFID來(lái)連接傳感器等設備。

　　LSI公司是創(chuàng )新芯片、系統和軟件技術(shù)的領(lǐng)先供應商，采用LSI技術(shù)的產(chǎn)品可以使消費者與信息及數碼內容之間無(wú)縫的融合。公司在眾多領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù)，包括定制和標準芯片、適配器、系統和軟件。我們的產(chǎn)品已經(jīng)獲得眾多世界級知名品牌的信任，為存儲和網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)提供了許多領(lǐng)先的解決方案。

　　為了供應市場(chǎng)上的需求，我們開(kāi)發(fā)出了一種帶有串行接口的技術(shù)；超高頻段RIFD LSI上的串行外圍接口（SPI）。此次，富士通從此種市場(chǎng)需求入手，開(kāi)發(fā)出了在 UHF 頻帶 RFID 專(zhuān)用芯片中配置串行接口SPI的技術(shù)。

　　FRAM FRID LSI的附加值

　　FRAM是一種非易失性存儲器，使用鐵電材料作為數據載體，結合了隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）的優(yōu)勢。作為用在RFID中的非易失性存儲器，電擦除可編程只讀存儲器（E2PROM）已經(jīng)得到廣泛應用，但是當數據被寫(xiě)入時(shí)，E2PROM需要內部升壓電壓，因為數據存儲的原則就是要看是否帶有電子電荷，所以它的寫(xiě)入速度非常慢（需要數毫秒），耐擦寫(xiě)次數也僅限于10萬(wàn)次。因此，大部分基于E2PROM的RFID LSI都是小存儲容量產(chǎn)品，只適合讀，不適合寫(xiě)。

　　相比較而言，FRAM在寫(xiě)和讀方面的性能一樣好，因為二者的原則一樣。FRAM本身的擦寫(xiě)速度是100納秒，耐讀/寫(xiě)次數是100億次。這就是FRAM RFID為什么可以作為數據載體提供大存儲容量的原因。

　　存儲容量大、擦寫(xiě)速度快的RFID的最重要的優(yōu)勢在于，它可以在自己的存儲器上記錄數據，由此可以將數據處理方式從集中數據管理轉變?yōu)榉稚祿芾?。傳統的E2PROM RFID在很多情況下都采用集中管理的方式，在這種模式下，數據存在了服務(wù)器端，需要與標簽本身的ID相關(guān)聯(lián)。而FRAM RFID可以實(shí)現分散數據管理，數據可以存在標簽上，由此減輕了服務(wù)器的載荷。這種方式尤其適合工廠(chǎng)自動(dòng)化（FA）和維修領(lǐng)域中的生產(chǎn)歷史管理。在工廠(chǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域中，有數百個(gè)流程都需要經(jīng)常寫(xiě)入數據；在維修領(lǐng)域中，現場(chǎng)數據確認時(shí)也需要經(jīng)常寫(xiě)入數據，如維修歷史、零部件信息等，這樣就不需要詢(xún)問(wèn)數據服務(wù)器。

　　FRAM的另一個(gè)主要特點(diǎn)，就是在防輻射方面明顯優(yōu)于E2PROM。例如，在醫療設備和包裝、食品或者亞麻布的伽瑪射線(xiàn)滅菌過(guò)程中，存在E2PROM中的數據會(huì )受到放射線(xiàn)的嚴重影響，因為它的數據存儲采用的是電子電荷。而存在FRAM中的數據在高達45kGy的放射水平下仍然不會(huì )受到影響。

　　RFID是Radio Frequency Identification的縮寫(xiě)，即射頻識別。它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽， 操作快捷方便?；镜腞FID系統由標簽（Tag）、閱讀器（Reader）、天線(xiàn)（Antenna）。RFID技術(shù)有著(zhù)廣闊的應用前景，物流倉儲、零售、制造業(yè)、醫療等領(lǐng)域都是RFID的潛在應用領(lǐng)域，另外，RFID由于其快速讀取與難以偽造的特性，一些國家正在開(kāi)展的電子護照項目都采用了RFID技術(shù)。

　　在RFID LSI上內置串行接口

　　FRAM RFID LSI上已經(jīng)內置了串行接口，為作為數據載體的RFID提供了額外的功能。這種配置的主要特點(diǎn)就是，對于同一個(gè)FRAM存儲區來(lái)說(shuō)，既可以從串行接口進(jìn)入，也可以從RF接口進(jìn)入。

　　通過(guò)串行接口與微控制器（以下將“微控制器”簡(jiǎn)稱(chēng)為“MCU”）相連后，FRAM可以作為MCU的外部存儲，并通過(guò)RF接口進(jìn)入。因此，RFID閱讀器就可以閱讀MCU寫(xiě)過(guò)的存儲數據，而對于MCU來(lái)說(shuō)，就可以閱讀參數數據，如通過(guò)RF接口編寫(xiě)的運行環(huán)境。

　　例如，我們可以假設傳感器與MCU相連，那么就可以將RFID看作是一種傳感器標簽。在這種情況下，MCU會(huì )定期監測傳感器數據，然后寫(xiě)入FRAM存儲器，過(guò)段時(shí)間后，就可以通過(guò)RF接口讀取所收集的可追溯數據。同時(shí)，也可將RFID看作MCU的參數存儲器。在這種情況下，MCU就是存在指定存儲區的一些參數，存儲區中的數據可以通過(guò)RF接口改寫(xiě)，然后MCU就會(huì )改變間隔獲取傳感器數據，或者更改閃光燈的條件進(jìn)行告知。就RFID和傳感器之間的結合而言，有源標簽也是個(gè)眾所周知的解決方案。但是有源標簽只是一種單向通訊模式，它沒(méi)有可供RF閱讀器日后讀取數據的存儲器。因此有源標簽不能作為數據載體記錄可追溯數據。

　　實(shí)際應用可能包括對工廠(chǎng)設備狀態(tài)的監測，比如壓力、流量等，或者游戲機、醫療設備等的歷史數據記錄。就目前掌握的信息來(lái)看，這些應用中，有些通過(guò)現有的技術(shù)（如非接觸式智能卡）就已經(jīng)達到了應用要求，有些采用了我們的技術(shù)后在存儲容量、傳輸速度等方面還沒(méi)達到要求。

　　但是我們希望通過(guò)這一技術(shù)能發(fā)現RFID新的用途和應用，并能將該技術(shù)做進(jìn)一步的測試，從而實(shí)現更多構想。

圖1 FRAM RFID 應用實(shí)例

　　探討有關(guān)串行接口使用的問(wèn)題

　　從客戶(hù)的反饋來(lái)看，我們認識到還需要對串行接口連接的使用問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。其中的一個(gè)問(wèn)題與電池有關(guān)，另一個(gè)就是通信距離。

　　RF數據傳輸是通過(guò)被動(dòng)通信模式建立起來(lái)的，這就意味著(zhù)電源由閱讀器或寫(xiě)入器提供。這樣的話(huà)，串行數據傳輸就需要額外的電池。電池問(wèn)題是有源標簽中的普遍問(wèn)題，我們的技術(shù)在實(shí)際應用中有時(shí)被誤解為有源標簽。但不管怎樣，電池壽命是需要考慮的問(wèn)題。

　　從這一點(diǎn)上來(lái)看，串行接口的功能最適合于機器或儀器中的嵌入式應用，因為這些應用中總是能提供穩定的電源。但是，如果標簽被牢固地安裝和依附在一些可移動(dòng)的資產(chǎn)或者物體上，電池管理就會(huì )成為問(wèn)題，因為電池壽命結束時(shí)無(wú)法對電池進(jìn)行更換。

　　因此，根據使用環(huán)境評估電池壽命顯得尤為重要，可以考慮一些充電設備，比如充電電池，或者利用一些能源發(fā)電的電池。如果在RF通信過(guò)程中能夠充電，在理論上應該是不錯的選擇，但是卻不實(shí)用，因為通信距離會(huì )受到嚴重破壞。

　　關(guān)于通信距離，眾所周知，阻抗匹配對于超高頻段至關(guān)重要，因為它決定了通信性能。因此必須考慮到，匹配阻抗會(huì )因為通過(guò)串行接口連接各種LSI和器件，或者因為安裝在電路板上，而受到嚴重影響。從上述情況來(lái)看，如果使用串行接口，與傳統的RFID標簽相比，天線(xiàn)設計可能會(huì )越來(lái)越復雜。

　　未來(lái)發(fā)展形式

　　由于RFID代表射頻識別（RADIo Frequency IDentification），RFID起初被用作可由RFID閱讀器讀取的ID存儲。富士通半導體將FRAM用在了RFID上，由于FRAM擦寫(xiě)速度快、耐擦寫(xiě)次數高而實(shí)現了大容量存儲的數據載體標簽。如今，內置串行接口的RFID增加了一項新功能，即時(shí)標簽不在RF區域，也可通過(guò)MCU從傳感器等設備上記錄可追溯數據，并可在日后通過(guò)RF讀取數據。

　　后續發(fā)展工作

　　所謂 RFID，究其根本，顧名思義，就是可以利用 RF 讀取的ID。存儲器使用大容量的 FRAM，則 RFID 可作為數據載體頻繁進(jìn)行寫(xiě)入；本篇所介紹的芯片 配置了串行接口，為 RFID 帶來(lái)了新的 應用。即 RFID 能夠通過(guò) MCU 與傳感器等進(jìn)行連接，從而在無(wú)讀寫(xiě)器的環(huán)境下，也能實(shí)現數據的管理，并利用 RF 讀出其歷史記錄。雖然這在技術(shù)上是可行的，但是在實(shí)用性上還存在著(zhù)很多問(wèn)題。因此，該芯片可用作評估 RFID 新應用的樣片，今后，希望通過(guò)客戶(hù)的使用和我們自己的評估，逐步完善芯片的性能，從而發(fā)現新的可能性。在與客戶(hù)進(jìn)行評估和探討的過(guò)程中，我們將改進(jìn)LSI的規格的問(wèn)題。此外，此外，與 RFID 相連的 MCU 也已形成產(chǎn)品線(xiàn)，請在使用過(guò)程中一并給以評估。