基于PR9000的微型可嵌入UHF RFID讀寫器模塊設(shè)計

射頻識別技術(shù)已被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如護照、交通運輸、產(chǎn)品追蹤、汽車以及動物識別等。射頻識別即RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，又稱電子標簽、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并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，縮寫RFID），射頻識別技術(shù)是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過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(chǔ)。

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(nèi)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標簽芯片數(shù)字基帶處理器的設(shè)計。

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)輸出信號進行曼徹斯特碼解碼，給出解碼輸出時鐘，解析出再同步信號；（2）對解碼出的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，確認數(shù)據(jù)傳輸和標簽解調(diào)的正確性，并且同時對解碼輸出數(shù)據(jù)進行串并轉(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行正確處理；（4）根據(jù)協(xié)議的要求對存儲器進行正確讀寫操作；（5）對處理完畢的數(shù)據(jù)進行組織，生成CRC校驗碼；（6）對回送數(shù)據(jù)進行FMO編碼，回送給射頻模擬前端進行調(diào)制。

在設(shè)計中，有限狀態(tài)機的設(shè)計是數(shù)字部分設(shè)計的核心，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)行對碰撞計數(shù)器和靜默計數(shù)器的操作、執(zhí)行對存儲器的讀寫存儲操作、規(guī)定反向散射標簽的64位UID以及MTP存儲器內(nèi)容，并和外圍模塊電路一起構(gòu)成防碰撞電路，實現(xiàn)防碰撞算法。

2低功耗設(shè)計

電路中耗散的能量可以分為靜態(tài)功耗和動態(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載電容的充放電引起的。

數(shù)字部分實現(xiàn)低功耗，可以從系統(tǒng)級和RTL代碼級兩方面考慮。本設(shè)計中采取降低功耗的有效措施包括：降低電源電壓，降低時鐘頻率，門控時鐘技術(shù)，組織模塊的設(shè)計方法。

2.1同步化不同時鐘的設(shè)計方案

當系統(tǒng)中有兩個或兩個以上不同時鐘時，數(shù)據(jù)的建立和保持時間很難得到保證，會面臨復雜的時間問題。最好的方法是將不同的時鐘同步化，由于標簽數(shù)字基帶電路中的編碼器設(shè)計中需要編碼輸入時鐘160 kHz和編碼輸出時鐘320 kHz，所以不同的觸發(fā)器使用不同的時鐘。為了系統(tǒng)穩(wěn)定，用系統(tǒng)時鐘1.28 MHz將160 kHz和320 kHz時鐘同步化，如圖2所示。1.28 MHz的高頻時鐘將作為系統(tǒng)時鐘，輸入到所有觸發(fā)器的時鐘端。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時鐘的觸發(fā)器，接1.28 MHz時鐘，同時160 MHz_EN將控制該觸發(fā)器使能，原接320 MHz時鐘的觸發(fā)器，也接1.28 MHz時鐘，同時320 MHz_EN將控制該觸發(fā)器使能。

2.2降低電源電壓

動態(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，會帶來很多副作用：首先，降低供電電壓，會導致速度下降，減小電容充放電的電流或負載驅(qū)動電流；其次，會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題。研究表明：降低閥值電壓，可以使得動態(tài)功耗減少，但會增大靜態(tài)功耗。

設(shè)計中采用的是臺積電提供的0.18μm數(shù)字標準單元，標準工作電壓為0.9 V～1.1 V.而EEPROM工作電壓為0.9 V～1.2 V@讀數(shù)據(jù)/1.8 V@寫數(shù)據(jù)，所以進行寫操作時需要用到電平轉(zhuǎn)換將1.0 V轉(zhuǎn)換到1.8 V的電壓，以便進行數(shù)據(jù)的交互。

2.3門控時鐘的設(shè)計

為了降低芯片的功耗，設(shè)計中使用了門控時鐘：用使能信號控制寄存器的時鐘端，當使能信號有效時時鐘翻轉(zhuǎn)，否則時鐘保持在固定電平。因此時鐘使能可以將電路中的部分電路處于空閑狀態(tài)，阻止寄存器內(nèi)部翻轉(zhuǎn)和寄存器之間組合邏輯開關(guān)動作，以達到節(jié)省功耗的目的。圖3所示為門控時鐘的設(shè)計方案。

表1給出利用綜合工具Design Compiler對當前設(shè)計進行綜合后的功耗和面積報告?？梢钥闯?，本設(shè)計使用門控時鐘后，總的動態(tài)功耗降低了很多，并且在降低功耗的同時，面積也有了一定的減小。