专利名称：一种用于射频识别的功率自适应变数据率通讯装置和方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种射频识别通讯装置和方法，尤其涉及一种远距离的射频识别功率自适应变数据率通讯装置和方法。
背景技术：
随着微电子技术的飞速发展，CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺已能制造应用于微波波段的芯片，射频电路能集成到大规模数字电路的芯片上。以CMOS工艺制造的低成本无线系统将会开拓出更为宽广的应用领域。射频标签就是一个前景非常好的应用领域。
当1973年条形码被推出时，其发明者曾经预言25年以后，将有一种新的技术来替代条形码。现在，射频标签已经走到人们面前。它不仅仅是条形码的简单替换品，更能综合无线通讯、微电子、互联网等最新信息技术，对所有社会产品进行从生产、销售、使用甚至回收处理进行全过程监控管理，极大地提高整个社会的运转效率。
射频标签的工作频段包括，1低频标签工作频率在30kHz-300kHz，典型的工作频率有125kHz，133kHz。2高频标签工作频率在3MHz-30MHz，典型的工作频率为13.56MHz。3超高频标签工作频率大于400MHz，典型工作频率为915MHz、2.45GHz、5.8GHz。
一个完整的射频识别系统通常由阅读器、射频标签、及通讯协议组成。图1是一个完整的射频识别系统的示意图。
一般射频识别系统对射频标签的识别距离与射频标签芯片的工作功耗成反比，识别的速度与标签芯片的返回数据通讯速率成正比。在现有的高频段射频识别卡系统的标准协议中，如ISO18000-6，对阅读器与卡之间的数据通讯速率的规定为单一通讯率。因此，在现有的高频段射频识别系统中，标签卡只能被动的采用固定的数据通讯速率与阅读器进行数据交换。这样的话，当标签卡与阅读器距离较近卡较多的时候，阅读器将所有标签卡识别出的时间将很长，当标签卡与阅读器的距离较远的时候，由于数据通讯速率固定，标签卡端的能量将不能支持卡内芯片工作，将使得标签卡不能被识别。这会导致射频识别系统的性能下降，效率低下。
如果射频识别标签能根据所接收的能量大小自动调节标签芯片的返回数据通讯速率，对射频识别系统的识别距离及识别时间进行自适应调节，将对射频识别系统的性能可以有很大的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于射频识别标签芯片的功率自适应变数据率通讯的装置和方法，通过在标签卡芯片内增加功率自适应时钟模块，根据标签接收能量强弱来决定标签内部工作时钟及阅读器之间的数据通讯速率，以实现射频识别系统的识别距离及识别时间的最优。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种用于射频识别的功率自适应变数据率通讯装置，至少包括天线21，片外匹配网络22和射频标签芯片，其中射频标签芯片又包括，桥式整流模块24、电源产生模块25、接收/发送模块26、数字基带控制模块27和功率自适应时钟模块23。
天线21与匹配网络22通过封装与射频标签芯片连接；在射频标签芯片内部，从芯片外匹配网络端输入的信号送入桥式整流模块24、接收/发送模块26及功率自适应时钟模块23，桥式整流模块24通过整流产生直流电源并经电源产生模块25送给芯片内的数字基带控制模块27及功率自适应时钟模块23作为电源，功率自适应时钟模块23根据输入的信号数据通讯率产生不同的自适应时钟。
本发明中，功率自适应时钟模块23如图3所示，包括电源电压量化模块31、鉴频鉴相模块32、低通滤波模块33、压控振荡器34、1:n分频器35、分频器36及采样模块37组成。其中，电源电压量化器31与1:n分频器35通过n位电源电压指示信号相连，鉴频鉴相模块32将输入的串行数据与分频器36输出的信号进行相位比较，通过低通滤波模块33的到压控震荡器34的控制电压从而得到采样模块37的输入采样频率对输入串行数据进行采样并实现数据恢复；同时压控振荡器34与分频器36及1:n分频器产生鉴频鉴相器32的输入比较时钟及片内数字基带的工作时钟。
所述电源电压量化模块31是由电阻和比较器组成的网络，输入的电源电压与一个标准电压分压后的n个不同电平值相比较，得到n位的电源电压指示信号。其结构为图4所示，为一种常见的的比较器结构。
一种用于射频识别的功率自适应变数据率通讯方法，至少包括如下步骤当前芯片上电后先复位，接着电源电压量化模块31对整流器输出的电源电压进行量化，根据电压大小产生一控制信号，然后设定1:n分频器35的分频数。对阅读器的输入串行数据进行时钟及数据恢复，对其数据率进行锁定。再根据1:n分频器35的分频数进行分频，从而输出标签芯片系统工作时钟及决定返回数据的通讯速率，然后监测下一芯片继续循环，直至所有芯片遍历。
根据1:n分频器35的分频数决定输出标签芯片系统工作时钟及返回数据的通讯速率，当能量足够时，1:n分频器选取小的时钟分频以输出高速率时钟，使得芯片数字基带处理速度加快，并以较高数据率返回数据；当能量低时，1:n分频器选取大的时钟分频以输出低速率时钟，使得芯片数字基带处理速度减慢，并以较低数据率返回数据。
利用本发明提出的用于射频识别的功率自适应变数据率通讯装置和方法，可以根据芯片接收到的能量大小，自动采取不同的系统时钟，实现自适应的变数据率的通讯，可以达到射频识别的识别距离及识别速率最优。
图1为完整的射频识别系统的示意图；图2为射频标签芯片与片外天线阻抗匹配片内自动调节电路结构图；图3为功率自适应时钟模块结构图；图4为电源电压量化模块电路示意；图5为1:n分频器电路示意图；图6为射频标签芯片功率自适应变数据率通讯流程图；图7为本发明应用实例示意图。
图中标号1为阅读器，2为通讯协议，3为射频标签，21为折合振子天线，22为片外匹配网络，23为功率自适应模块，24为桥式整流模块，25为电源产生模块，26为接受/发送模块，27为数字基带控制模块，31为电源电压量化模块，32为鉴频鉴相模块，33为低通滤波模块，34为压控震荡模块，35为1:n分频器，36为分频器，37为采样模块，41为比较器，42为电阻，51为译码器，52为1分频器，53为2分频器，54为n分频器。
具体实施例方式
以下结合附图详细描述本发明的技术方案。
图2为射频标签芯片与片外天线阻抗匹配片内自动调节电路结构图；如图所示，包括天线21，片外匹配网络22和射频标签芯片，其中射频标签芯片又包括，桥式整流模块24、电源产生模块25、接收/发送模块26、数字基带控制模块27和功率自适应时钟模块23。
其中的功率自适应时钟模块23如图3所示，包括电源电压量化模块31、鉴频鉴相器32、低通滤波33、压控振荡器34、1:n分频器35、分频器36及采样模块37组成。
由于芯片上不带电源，上述的电源是射频识别标签通过整流模块从射频信号中恢复的供标签内芯片工作的能量。当射频标签距离阅读器距离近时，整流出的电压高，当射频标签离阅读器距离远时，整流出的电压低。电源电压量化模块对射频标签芯片前端整流产生的电源信号进行量化，根据电压大小产生一指示信号，通过这一信号可以判断标签与阅读器的距离远近。鉴频鉴相器32、低通滤波33、压控振荡器34、分频器36及采样模块37组成一个标准的时钟数据恢复模块，对串行输入的数据进行时钟及数据恢复。
1:n分频器根据电源电压量化模块产生的控制信号决定输出到数字基带的工作时钟频率，可产生从1到n的不同分频。
当电源电压低时，说明标签卡与阅读器距离较远，此时采用低速率时钟及与阅读器之间的采用低速率数据通讯，将标签芯片工作功耗降低，从而提高标签识别距离。当电源电压高时，说明标签卡与阅读器距离较近，此时采用高速率时钟及与阅读器之间采用高数据率通讯，从而减少标签被识别时间。由于整流后的电源电压直接正比于标签芯片接收到的能量，所以通过电源电压量化模块测知芯片可能得到的能量供应。当能量足够时，1:n分频器选取小的时钟分频以输出高速率时钟，使得芯片数字基带处理速度加快，并以较高数据率返回数据。当能量低时，1:n分频器选取大的时钟分频以输出低速率时钟，使得芯片数字基带处理速度减慢，并以较低数据率返回数据。从而使得射频标签在距离近，获取能量高时以较快时间响应，在距离远，获取能量低时，以较长时间响应，由此来得到最远通讯距离。
电源电压量化模块如图4所示，输入的电源电压与一个标准电压分压后的n个不同电平值相比较，得到n位的电源电压指示信号。
1:n分频器如图5所示，对电源电压量化模块31进行译码后控制分频模块对锁相环输出的时钟进行n分频，提供给后级的数字基带控制模块27使用。
图6为本发明中射频标签芯片功率自适应变数据率通讯流程图。
芯片上电后先复位，接着电源电压量化模块31对整流器输出的电源电压进行量化，根据电压大小产生一控制信号，然后设定1:n分频器35的分频数，对阅读器输入的串行输入数据进行处理，再根据1:n分频器35的分频数进行分频，从而输出标签芯片系统工作时钟及决定返回数据的通讯速率。
图7所示为本发明在915MHz射频标签中的应用实例，其中一个射频标签离阅读器距离近，另一个射频标签离阅读器距离远。
在本实施例中，标签芯片内部时钟可在两种状态切换，一种是40k，另一种是640k。当射频标签进入到射频区域后，压控震荡器根据基带输来的调制信号将震荡频率控制在640K。标签芯片内部的功率自适应时钟模块对前级整流出来的电压进行量化，量化后的电压与基准电压Vt(1.5v)相比较，如果整流后的电压大于Vt(1.5v)，说明能量足够，则输出指示信号为1；如果整流后的电压小于Vt(1.5v)，说明能量不够，则输出的指示信号为0。分频器模块根据指示信号对压控震荡器的输出时钟进行分频，若指示信号为1，不分频直接输出，使得芯片数字基带处理速度加快，并以较高数据率返回数据；若指示信号为0，则进行16分频，使得芯片数字基带处理速度减慢，并以较低数据率返回数据，分频后的时钟供标签芯片内部数字基带使用。
通过这种方法，当射频标签距离阅读器距离较近时候，标签内部芯片采用640k的时钟进行工作，与阅读器采用640k数据率进行通讯，从而减少识别的时间；当射频标签距离阅读器距离较远时候，标签内部芯片采用40k的时钟进行工作，并与阅读器采用40k数据率进行通讯，从而降低标签卡内部芯片功耗而增强识别的距离。
整流后电压与基准电压相比较时，如果不分频直接与基准电压相比较，得到一位控制信号；若整流后电压与基准电压分压后的n个电平值比较，则得到n位的控制信号，此时根据控制信号的大小选择相应的分频数。
在本发明中，射频识别标签芯片根据接收到的能量大小，自动采取不同的系统时钟，以达到射频识别的识别距离及识别速率最优。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种用于射频识别的功率自适应变数据率通讯装置，其特征在于，至少包括天线(21)，片外匹配网络(22)和射频标签芯片，其中射频标签芯片又包括桥式整流模块(24)、电源产生模块(25)、接收/发送模块(26)、数字基带控制模块(27)和功率自适应时钟模块(23)；天线(21)与匹配网络(22)通过封装与射频标签芯片连接；在射频标签芯片内部，从芯片外匹配网络端输入的信号送入桥式整流模块(24)、接收/发送模块(26)及功率自适应时钟模块(23)，桥式整流模块(24)通过整流产生直流电源并经电源产生模块(25)送给芯片内的数字基带控制模块(27)及功率自适应时钟模块(23)作为电源，功率自适应时钟模块(23)根据输入的信号数据通讯率产生不同的自适应时钟。
2.根据权利要求1所述的用于射频识别的功率自适应变数据率通讯装置，其特征在于，功率自适应时钟模块(23)由电源电压量化模块(31)、鉴频鉴相模块(32)、低通滤波模块(33)、压控振荡器(34)、1:n分频器(35)、分频器(36)及采样模块(37)组成，其中电源电压量化器(31)与1:n分频器(35)通过n位电源电压指示信号相连，鉴频鉴相模块(32)将输入的串行数据与分频器(36)输出的信号进行相位比较，通过低通滤波模块(33)的到压控震荡器(34)的控制电压从而得到采样模块(37)的输入采样频率对输入串行数据进行采样并实现数据恢复；同时压控振荡器(34)与分频器(36)及1:n分频器产生鉴频鉴相器(32)的输入比较时钟及片内数字基带的工作时钟。
3.根据权利要求2所述的用于射频识别的功率自适应变数据率通讯装置，其特征在于，所述电源电压量化模块(31)是由电阻和比较器组成的网络，输入的电源电压与一个标准电压分压后的n个不同电平值相比较，得到n位的电源电压指示信号。
4.一种用于射频识别的功率自适应变数据率通讯方法，其特征在于，至少包括如下步骤当前芯片上电后先复位，接着电源电压量化模块(31)对整流器输出的电源电压进行量化，根据电压大小产生一控制信号，然后设定1:n分频器(35)的分频数，再根据1:n分频器(35)的分频数进行分频，从而输出标签芯片系统工作时钟及决定返回数据的通讯速率，然后监测下一芯片继续循环，直至所有芯片遍历。
5.根据权利要求4所述的用于射频识别的功率自适应变数据率通讯方法，其特征在于，还包括对阅读器的输入串行数据进行时钟及数据恢复，对其数据率进行锁定。
6.根据权利要求4所述的用于射频识别的功率自适应变数据率通讯方法，其特征在于，根据1:n分频器(35)的分频数决定输出标签芯片系统工作时钟及返回数据的通讯速率，当能量足够时，1:n分频器选取小的时钟分频以输出高速率时钟，使得芯片数字基带处理速度加快，并以较高数据率返回数据；当能量低时，1:n分频器选取大的时钟分频以输出低速率时钟，使得芯片数字基带处理速度减慢，并以较低数据率返回数据。
全文摘要
本发明公开了一种用于射频识别的功率自适应变数据率通讯的装置和方法。其中，装置由天线、片外匹配网络和射频标签芯片组成，射频标签芯片由桥式整流、电源产生、接收/发送、数字基带控制和功率自适应时钟等模块组成。电源电压量化模块对电源电压进行量化，然后设定1:n分频器的分频数，再根据分频数进行分频，从而输出标签芯片系统工作时钟及决定返回数据的通讯速率，然后监测下一芯片继续循环，直至所有芯片遍历。本发明可用于远距离射频识别系统，利用本发明方法，可以实现自适应的变数据率的通讯，达到射频识别的识别距离及识别速率最优。
文档编号G06K7/10GK1601547SQ20041006734
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者李强, 王俊宇, 韩益锋, 闵昊 申请人:复旦大学