由于RFID标签芯片及其控制器要求具有低成本、低功耗的特性,目前含义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品,而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式,因此本文提出一种符合ISO18000-6B协议,并满足低成本、低功耗要求的高频RFID标签芯片数字基带处理器的设计。
1数字系统结构图
根据ISO18000-6B协议,从阅读器到应答器的数据传送通过对载波的幅度调制(ASK)完成,数据编码为通过生成脉冲创建的曼彻斯特码编码,速率为40kb/s;标签返回给阅读器的数据通过FM0编码调制后发送至模拟前端,经由天线发送至阅读器。
所设计的数字系统结构图如图1所示,重要完成以下功能:(1)对前向链路解调输出信号进行曼彻斯特码解码,给出解码输出时钟,解析出再同步信号;(2)对解码出的数据进行CRC校验,确认数据传输和标签解调的正确性,并且同时对解码输出数据进行串并转换,以及解析出正确的命令;(3)根据ISO18000-6B协议的全部功能要求对接收的指令进行正确处理;(4)根据协议的要求对存储器进行正确读写操作;(5)对处理完毕的数据进行组织,生成CRC校验码;(6)对回送数据进行FMO编码,回送给射频模拟前端进行调制。
在设计中,有限状态机的设计是数字部分设计的核心,其功能是协调模块之间数据与信号交互、处理接收到的指令及其相应的数据、转换自身状态、执行对碰撞计数器和静默计数器的操作、执行对存储器的读写存储操作、规定反向散射标签的64位UID以及MTp存储器内容,并和外围模块电路一起构成防碰撞电路,实现防碰撞算法。
2低功耗设计
电路中耗散的能量可以分为静态功耗和动态功耗。形成静态功耗的重要原因是晶体管中从源极到漏极的亚阈值泄漏,就是指阈值电压的降低阻止了栅的关闭。动态功耗分为开关功耗和内部功耗。开关功耗是由于器件输出端的负载电容的充放电引起的。
数字部分实现低功耗,可以从系统级和RTL代码级两方面考虑。本设计中采取降低功耗的有效措施包括:降低电源电压,降低时钟频率,门控时钟技术,组织模块的设计方法。
2.1同步化不同时钟的设计方法
当系统中有两个或两个以上不同时钟时,数据的建立和保持时间很难得到保证,会面对复杂的时间问题。最好的方法是将不同的时钟同步化,由于标签数字基带电路中的编码器设计中要编码输入时钟160kHz和编码输出时钟320kHz,所以不同的触发器使用不同的时钟。为了系统稳定,用系统时钟1.28MHz将160kHz和320kHz时钟同步化,如图2所示。1.28MHz的高频时钟将作为系统时钟,输入到所有触发器的时钟端。160MHz_EN和320MHz_EN将控制所有触发器的使能端。即原来接160MHz时钟的触发器,接1.28MHz时钟,同时160MHz_EN将控制该触发器使能,原接320MHz时钟的触发器,也接1.28MHz时钟,同时320MHz_EN将控制该触发器使能。
2.2降低电源电压
动态功耗和电源电压的平方成正比,故降低电源电压是减少功耗的有效办法,但是降低供电电压,会带来很多副用途:首先,降低供电电压,会导致速度下降,减小电容充放电的电流或负载驱动电流;其次,会导致较低的输出功率或较低的信号幅度,从而出现噪声和信号衰减的问题。研究表明:降低阀值电压,可以使得动态功耗减少,但会增大静态功耗。