CN103413166A

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Info

Publication number: CN103413166A
Application number: CN2013102644403A
Authority: CN
Inventors: 谢生; 管坤; 毛陆虹; 战金雷; 张世林
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明公开了一种用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，包括天线、标签模块、传感器，其特征在于，所述标签模块还包括：用于将所述标签模块的射频信号进行收集、存储、调制、解调的射频模拟单元，用于将所述射频模拟单元的基带信号进行解码、校验、处理的数字控制单元，用于根据所述数字控制单元的命令信号选择供电模式的供电切换单元，用于保证所述供电切换单元工作的电源，用于根据所述数字控制单元的命令信号进行读写的存储器，本发明通过使用控制命令进行智能切换供电方式，提高了半有源RFID传感标签工作效率，降低功耗，节约资源，符合环保要求。

Description

一种用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统

技术领域

本发明属于射频识别领域及无线传感领域，具体涉及用于低功耗半有源RFID传感标签的自动切换供电系统。

背景技术

射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别标签并且能够进行双向的数据传输。

RFID系统通常由阅读器（Reader）、电子标签（Tag）和主机三部分组成。RFID系统的工作原理是操作人员可以通过主机对阅读器执行某些操作，阅读器经天线发送载有命令信息的电磁波能量，标签通过天线接收信息，并按照协议要求返回数据，最后阅读器接收来自标签的信息。嵌入智能传感器的RFID标签是无线传感网络WSN(Wireless Sensor Network)和物联网的重要组成部分，是感知世界的“触角”。因此，将传感器与RFID技术结合，可实现更丰富的功能，大大拓展RFID的应用领域。如将温度传感器、血氧传感器与RFID相结合，可构建远程医疗服务体系。

以往的半有源标签是根据接收信号强度指示（RSSI）值来初步判断距离，然后根据工作距离远近切换电源开关，实现无源到有源工作模式或者有源到无源工作模式的转换。这种控制方法可以适当地节省功耗，并保持工作距离。然而，实际工作中，除了EEPROM读写或高精度传感器操作以外，其他命令操作的功耗较低，因此，此时采用有源工作模式是对供电电源的极大浪费。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统。本发明通过使用控制命令进行智能切换供电方式，提高了半有源RFID传感标签工作效率，降低功耗，节约资源，符合环保要求。另外，本发明提供多种电路接口，方便多种传感器连接，通过不同的命令控制不同的传感器，实现多种信息的实时检测。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，包括连接有天线和传感器的标签模块，所述标签模块包括：用于将所述标签模块的射频信号进行收集、存储、调制、解调的射频模拟单元，用于将所述射频模拟单元的基带信号进行解码、校验、处理的数字控制单元，用于根据所述数字控制单元的命令信号选择供电模式的供电切换单元，用于保证所述供电切换单元工作的电源，用于根据所述数字控制单元的命令信号进行读写的存储器。

所述数字控制单元包括：用于将射频模拟单元发出的基带信号恢复为原始命令信号的解码模块、用于将所述解码模块发出的原始命令信号进行高8位解析的解析模块，用于将所述数字控制单元存在的原始命令信号中并行信号转换成串行信号的寄存器模块，用于将所述寄存器模块发出的串行信号有选择进行校验的校验模块，用于将校验结果正确的命令进行处理的命令处理模块，用于产生16位随机数的随机数模块，用于向所述存储器进行读写操作的读控制模块和写控制模块，用于将所述数字控制单元向所述射频模拟单元发出命令信号进行编码的编码模块，所述数字控制单元还包括控制所述传感器并接收所述传感器返回信号的通用接口。

如果所述命令处理模块收到所述校验模块产生的结果是错误的，则所述命令处理模块不再对命令进行处理；如果所述命令处理模块收到所述校验模块产生的结果是正确的，则所述命令处理模块进行命令处理。

所述命令处理模块针对不同的命令有不同的处理：

1)所述标签模块接收到正确的Select命令或NAK命令时，则只需进行状态转换，无需返回信息，所述标签模块工作在无源模式；

2)所述标签模块接收到正确的Query、QueryRep、QueryAdjust和Req_RN命令，所述标签只需要返回16位随机数或者16位随机数和CRC-16校验码，此时16位随机数通过所述寄存器模块并串转换，经过所述校验模块计算，然后经过所述编码模块编码，输出给所述调制模块，经过调制以后的信号经所述天线发送，所述标签模块仍工作在无源模式；

3)所述标签模块接收正确的强制命令和可选命令时，启动所述读控制模块和所述写控制模块，对所述存储器进行读写操作，将所述命令处理模块产生的并行信号通过所述寄存器模块并串转换，将转换后的串行信号放在所述存储器返回的信号之后，一起经过所述校验模块计算，然后经过所述编码模块编码，输出给所述调制模块，经过调制以后的信号通过所述天线发出，所述标签模块工作在有源模式。

所述标签模块接收到用户自定义的访问所述传感器的命令时，如果所述传感器的精度大于80um或者需要存储所述传感器的返回信号，则所述标签模块工作在有源模式；如果传感器精度小于50um且无需存储所述传感器的返回信号，则所述标签模块工作在无源模式。

所述命令处理模块向所述供电切换模式电路发送控制信号，当控制信号为1时，所述供电切换单元启动有源模式，此时电池供电；当控制信号为0时，所述供电切换单元启动无源模式。

有益效果

本发明的有益效果是：

1)根据操作命令灵活地切换供电模式，在不影响工作距离的情况下，可有效降低功耗，提高电池使用寿命。

2)设置了通用接口，可嵌入多种类型的传感器，灵活便利。因此可将半有源RFID标签技术应用于工业生产、商业物流、交通管理等领域。

3)数字控制单元采用门控时钟、多种模块控制组合、共用资源、多时钟区域等技术，可有效减小芯片面积，降低功耗。在循环冗余校验（CRC）计算和编码模块采用三级流水线结构，减少了等待时间，提高了处理速度。

以下结合附图对本发明的实施方案进行详细描述：

如图1所示，本发明提供一种用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，包括连接有天线1和传感器3的标签模块2，该系统包括：用于将所述标签模块2的射频信号进行收集、存储、调制、解调的射频模拟单元21；用于将所述射频模拟单元21的基带信号进行解码、校验、处理的数字控制单元22；用于根据所述数字控制单元22的命令信号选择供电模式的供电切换单元23；用于保证所述供电切换单元工作的电源24；用于根据所述数字控制单元22的命令信号进行读写操作的存储器26；所述数字控制单元还包括控制所述传感器并接收所述传感器信号的通用接口。RFID系统通常由阅读器4、电子标签和主机三部分组成。RFID系统的工作原理是操作人员可以通过主机对阅读器4执行某些操作，阅读器4经天线发送载有命令信息的电磁波能量，标签通过天线接收信息，并按照协议要求返回数据，最后阅读器4接收来自标签的信息。按照图1中的信号传递理解：射频模拟单元21主要实现对电磁波的收集、存储及对信号调制解调，并在特定命令下给电路其他部分供电。数字控制单元22主要对射频模拟单元21发送过来的基带信号进行处理，并根据具体命令控制传感器，切换供电模式，读取/写入存储器26，最后将处理后产生的结果以编码的方式发给射频模拟单元，调制后以电磁波的方式返回阅读器4。在模拟电路供电端和电池之间，通过数字控制信号实现供电方式的切换。在数字控制单元端口留出控制传感器和接收数据的接口。

如图2所示，所述射频模拟单元21包括：用于将收到的射频信号转成直流信号的整流模块211，用于将所述整流模块211产生的直流信号进行稳定的稳压模块212，用于将收到的射频信号进行解调并输入给所述数字控制单元的解调模块213，用于对所述数字控制单元22发送的命令信号进行调制的调制模块214；当所述标签模块2接收到射频信号时，所述射频模拟单元21将收到的信号分别通过整流电路211、稳压电路212向所述数字控制单元22输入稳定电压，所述射频模拟单元21将收到的信号通过解调电路213向所述数字控制单元输入基带信号。阅读器4到所述标签模块（R=>T）之间的传输称之为下行链路或前向链路；所述标签模块到阅读器4(T=>R)之间的传输称之为上行链路或反向链路。所述天线1接收阅读器4发出的射频信号，所述整流模块211将射频信号转换至直流信号，稳压模块212将直流信号稳定在后级单元所需的工作电压V_DD。解调模块213利用包络检波原理对接收的射频信号进行幅移键控解调，因此能对双边带幅移键控、单边带幅移键控或反向相位幅移键控信号进行检波。对包络进行整形以产生数字电路能够识别的R=>T基带信号。调制模块214利用反向散射原理对射频信号进行幅移键控调制，所述标签模块自身不产生载波，而将接收到的连续载波进行反射，同时根据T=>R基带信号对其幅度调制。振荡器215和上电复位电路216，分别产生时钟信号和复位信号。偏置电路217为所述解调电路、所述振荡器、所述复位电路产生偏置(bias)。

如图3所示，所述数字控制单元22包括：用于将射频模拟单元21发出的基带信号恢复为原始命令信号的解码模块221、用于将所述解码模块221发出的原始命令信号进行高8位解析的解析模块225，用于将所述数字控制单元22存在的原始命令信号中并行信号转换成串行信号的寄存器模块228，用于将所述寄存器模块228发出的串行信号有选择进行校验的校验模块（226，229），所述校验模块（226）为CRC-5校验模块，所述校验模块（229）为CRC-16校验和计算模块。用于将校验结果正确的命令进行处理的命令处理模块232，用于产生16位随机数的随机数模块227，用于向所述存储器进行读写操作的读控制模块231和写控制模块230，用于将所述数字控制单元22向所述射频模拟单元21发出命令信号进行编码的编码模块233。数字控制单元22按照工作时钟频率分为两个部分，其中一个为1.92MHz部分，处理异步复位模块222接收模拟前端发送的异步复位信号rst，将其同步化输出。分频系数产生模块235和反向时钟模块223产生反向链路所需要的时钟，该时钟主要用于读控制模块231、寄存器模块228、校验模块（CRC-16）229、编码模块等。为了降低功耗，设计了低频处理部分，其他模块采用此时钟由时钟分频模块224产生的240K时钟，此时钟也用于寄存器模块228和校验模块229。电源管理模块237用于关断和开启各个模块的时钟，以达到低功耗的目的。当数字控制模块检测到基带信号到来，通过打开解码模块221的时钟，启动解码模块，完成基带信号到原始信息的转换。命令解析模块225接收原始信息的高8位，对命令进行解析，并以独热码的方式表示结果，以降低功耗；同时原始信息经过寄存器模块228并串转换后发给命令处理控制模块232进行处理。命令处理控制模块232根据命令要求的校验类型选择5位循环冗余校验（CRC-5）模块校验或者16位循环冗余校验（CRC-16）模块校验。经过（CRC-5）模块226或者（CRC-16）校验模块229校验后的结果返回给命令处理控制模块232，如果校验结果正确，则对命令进一步处理；如果命令错误，则直接丢弃，不做处理。

根据协议规定，所述标签模块2接收到正确的NAK、Select命令时，只需进行状态转换，无需返回信息，所述标签模块此时工作在无源模式；所述标签模块接收到正确的QueryRep、Query、QueryAdjust、Req_RN命令,所述标签模块只需要返回16位随机数或者16位随机数和CRC-16校验码，而且无需对存储器操作，所以此时标签仍工作在无源模式。当所述标签模块接收Read、Write、Kill、Lock、Access等强制命令和BlockWrite、BlockErase等可选命令时，由于要对所述存储器进行读写操作，考虑功耗问题，此时自动切换到有源模式，即电池供电。当所述标签接收到用户自定义的访问所述传感器的命令时，如果所述传感器精度低，即传感器精度小于50UM且无需存储数据则可以工作在无源模式；如果所述传感器精度较高,即传感器精度大于80UM或者需要存储信息，则自动切换到有源工作模式。

随机数模块227主要用来产生16位随机数，此随机数会作为所述标签模块2到阅读器4（T=>R）命令的一部分发送给阅读器4，并作为下次接收阅读器4到所述标签模块2（R>=T）命令匹配的依据。所述解析模块225在前向链路中将解码后的（R>=T）命令进行并串转换，在反向链路中将命令处理模块产生的（T=>R）命令部分进行并串转换。所述校验模块（CRC-16）229在前向链路中对（R>=T）命令进行校验，在反向链路中将（T=>R）命令进行计算编码。写控制模块230和读控制模块231主要产生满足存储器26要求的读写信号。编码模块主要实现对（T=>R）命令进行编码。传感器控制模块主要实现根据具体命令产生适合多种传感器的控制信号，并接收多种传感器的返回信息。在反向链路中，解析模块、校验模块（CRC-16）、存储器模块采用三级流水线结构，节省了资源，提高了速度，降低了功耗。

如图4所示，图中Enable为控制信号，来自数字控制部分，接在两个PMOS的栅极，如果Enable=1,则P1开启，P2关闭，此时RFID标签模块工作在电池供电模式，即有源工作；如果Enable=0,则P2开启，P1关闭，此时RFID传感标签工作在无源模式。

本发明工作原理：标签模块通过天线接收阅读器4发送的射频信号，整流模块将射频信号转换至直流信号，稳压模块将直流信号稳定在后级电路所需的工作电压V_DD。解调模块利用包络检波原理对接收的射频信号进行幅移键控解调，并对包络进行整形以产生数字电路能够识别的R=>T基带信号。解码模块对该基带信号解码，得到原始命令。命令解析模块对命令高8位进行解析。同时原始命令经过寄存器模块并串转换，经过校验模块（CRC-5模块或CRC-16模块）校验，如果结果正确则交由命令处理模块处理，如果结果不正确则直接丢掉。命令处理模块针对不同的命令有不同的处理：1.如果标签接收到正确的NAK、Select命令时，只需进行状态转换，无需返回信息，标签此时工作在无源模式；2.如果标签接收到正确的QueryRep、Query、QueryAdjust、Req_RN命令,标签只需要返回16位随机数或者16位随机数和CRC-16校验码，此时16位随机数通过共用寄存器模块并串转换，经过CRC-16模块计算，然后经过编码模块）编码，输出给调制电路，经过调制以后通过天线发送给阅读器4，所以此时标签仍工作在无源模式；3.如果标签接收正确的Read、Write、Kill、Lock、Access等强制命令和BlockWrite、BlockErase等可选命令时，启动读控制模块和写控制，对存储器进行读写操作，将命令处理模块产生的并行信息通过寄存器模块并串转换，将转换后的串行信息放在存储器返回的信号之后，一起经过校验模块（CRC-16）计算，然后经过编码模块编码，输出给调制模块，经过调制以后信号通过天线发送给阅读器4，由于要存储器进行读写操作，考虑功耗问题，此时自动切换到电池供电方式。所述命令处理模块向所述供电切换单元发送控制信号，当控制信号为1时，所述供电切换单元启动有源模式，此时电池供电；当控制信号为0时，所述供电切换单元启动无源模式。

Claims

1.一种用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，包括连接有天线和传感器的标签模块，其特征在于，所述标签模块包括：用于将所述模块的射频信号进行收集、存储、调制、解调的射频模拟单元，用于将所述射频模拟单元的基带信号进行解码、校验、处理的数字控制单元，用于根据所述数字控制单元的命令信号选择供电模式的供电切换单元，用于保证所述供电切换单元工作的电源，用于根据所述数字控制单元的命令信号进行读写的存储器。

2.根据权利要求1所述用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，其特征在于，所述数字控制单元包括：用于将射频模拟单元发出的基带信号恢复为原始命令信号的解码模块、用于将所述解码模块发出的原始命令信号进行高8位解析的解析模块，用于将所述数字控制单元存在的原始命令信号中并行信号转换成串行信号的寄存器模块，用于将所述寄存器模块发出的串行信号有选择进行校验的校验模块，用于将校验结果正确的命令进行处理的命令处理模块，用于产生16位随机数的随机数模块，用于向所述存储器进行读写操作的读控制模块和写控制模块，用于将所述数字控制单元向所述射频模拟单元发出命令信号进行编码的编码模块，所述数字控制单元还包括控制所述传感器并接收所述传感器返回信号的通用接口。

3.根据权利要求2所述用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，其特征在于，如果所述命令处理模块收到所述校验模块产生的结果是错误的，则所述命令处理模块不再对命令进行处理；如果所述命令处理模块收到所述校验模块产生的结果是正确的，则所述命令处理模块进行命令处理。

4.根据权利要求3所述用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，其特征在于，所述命令处理模块针对不同的命令有不同的处理：

5.根据权利要求4所述用于半有源RFID传感标签的自动切换供电系统，其特征在于，所述标签模块接收到用户自定义的访问所述传感器的命令时，如果所述传感器的精度大于80uw或者需要存储所述传感器的返回信号，则所述标签模块工作在有源模式；如果传感器精度小于50um且无需存储所述传感器的返回信号，则所述标签模块工作在无源模式。

6.根据权利要求4或5所述用于低功耗半有源RFID标签的自动切换供电系统，其特征在于，所述命令处理模块向所述供电切换模式电路发送控制信号，当控制信号为1时，所述供电切换单元启动有源模式，此时电池供电；当控制信号为0时，所述供电切换单元启动无源模式。