基于RFID標(biāo)簽芯片基帶處理器的低功耗設(shè)計(jì)

射頻識別技術(shù)已被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如護(hù)照、交通運(yùn)輸、產(chǎn)品追蹤、汽車以及動(dòng)物識別等。射頻識別即RFID(Radio Frequency IDentification)技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，縮寫RFID)，射頻識別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動(dòng)識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來說，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(dá)探測目標(biāo)的空間耦合模型(雷達(dá)發(fā)射電磁波信號碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī))。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(chǔ)。

由于RFID標(biāo)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(nèi)的符合不同標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)器有無源和有源兩種方式，因此本文提出一種符合ISO18000-6B協(xié)議，并滿足低成本、低功耗要求的高頻RFID標(biāo)簽芯片數(shù)字基帶處理器的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)ISO18000-6B協(xié)議，從閱讀器到應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳送通過對載波的幅度調(diào)制(ASK)完成，數(shù)據(jù)編碼為通過生成脈沖創(chuàng)建的曼徹斯特碼編碼，速率為40 kb/s;標(biāo)簽返回給閱讀器的數(shù)據(jù)通過FM0編碼調(diào)制后發(fā)送至模擬前端，經(jīng)由天線發(fā)送至閱讀器。

所設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要完成以下功能：(1)對前向鏈路解調(diào)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(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸和標(biāo)簽解調(diào)的正確性，并且同時(shí)對解碼輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，以及解析出正確的命令;(3)根據(jù)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(jù)協(xié)議的要求對存儲(chǔ)器進(jìn)行正確讀寫操作;(5)對處理完畢的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，生成CRC校驗(yàn)碼;(6)對回送數(shù)據(jù)進(jìn)行FMO編碼，回送給射頻模擬前端進(jìn)行調(diào)制。

在設(shè)計(jì)中，有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)是數(shù)字部分設(shè)計(jì)的核心，其功能是協(xié)調(diào)模塊之間數(shù)據(jù)與信號交互、處理接收到的指令及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換自身狀態(tài)、執(zhí)行對碰撞計(jì)數(shù)器和靜默計(jì)數(shù)器的操作、執(zhí)行對存儲(chǔ)器的讀寫存儲(chǔ)操作、規(guī)定反向散射標(biāo)簽的64位UID以及MTP存儲(chǔ)器內(nèi)容，并和外圍模塊電路一起構(gòu)成防碰撞電路，實(shí)現(xiàn)防碰撞算法。

2 低功耗設(shè)計(jì)

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)功耗分為開關(guān)功耗和內(nèi)部功耗。開關(guān)功耗是由于器件輸出端的負(fù)載電容的充放電引起的。

數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)低功耗，可以從系統(tǒng)級和RTL代碼級兩方面考慮。本設(shè)計(jì)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，門控時(shí)鐘技術(shù)，組織模塊的設(shè)計(jì)方法。

2.1同步化不同時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方案

當(dāng)系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同時(shí)鐘時(shí)，數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間很難得到保證，會(huì)面臨復(fù)雜的時(shí)間問題。最好的方法是將不同的時(shí)鐘同步化，由于標(biāo)簽數(shù)字基帶電路中的編碼器設(shè)計(jì)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(tǒng)穩(wěn)定，用系統(tǒng)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(tǒng)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)帶來很多副作用：首先，降低供電電壓，會(huì)導(dǎo)致速度下降，減小電容充放電的電流或負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流;其次，會(huì)導(dǎo)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。