基于PR9000的微型可嵌入UHF RFID读写器模块设计

射频识别技术已被应用到许多领域，如护照、交通运输、产品追踪、汽车以及动物识别等。射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别技术的理论基础。

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，目前定义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40 kb/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，主要完成以下功能：（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。形成静态功耗的主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案

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，会面临复杂的时间问题。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需要编码输入时钟160 kHz和编码输出时钟320 kHz，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1.28 MHz将160 kHz和320 kHz时钟同步化，如图2所示。1.28 MHz的高频时钟将作为系统时钟，输入到所有触发器的时钟端。160 MHz _EN和320 MHz_EN将控制所有触发器的使能端。即原来接160 MHz时钟的触发器，接1.28 MHz时钟，同时160 MHz_EN将控制该触发器使能，原接320 MHz时钟的触发器，也接1.28 MHz时钟，同时320 MHz_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，会带来很多副作用：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，从而产生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。

设计中采用的是台积电提供的0.18μm数字标准单元，标准工作电压为0.9 V～1.1 V.而EEPROM工作电压为0.9 V～1.2 V@读数据/1.8 V@写数据，所以进行写操作时需要用到电平转换将1.0 V转换到1.8 V的电压，以便进行数据的交互。

2.3门控时钟的设计

为了降低芯片的功耗，设计中使用了门控时钟：用使能信号控制寄存器的时钟端，当使能信号有效时时钟翻转，否则时钟保持在固定电平。因此时钟使能可以将电路中的部分电路处于空闲状态，阻止寄存器内部翻转和寄存器之间组合逻辑开关动作，以达到节省功耗的目的。图3所示为门控时钟的设计方案。

表1给出利用综合工具Design Compiler对当前设计进行综合后的功耗和面积报告。可以看出，本设计使用门控时钟后，总的动态功耗降低了很多，并且在降低功耗的同时，面积也有了一定的减小。