专利名称：一种集成超高频射频识别功能的智能卡芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于智能卡/集成电路芯片设计和应用领域，尤其涉及集成超高频射频识 别功能的智能卡芯片设计和应用。
背景技术：
智能卡芯片(也称IC卡芯片)，是一种将存储、安全、IO接口、数据处理功能集成 到一个集成电路中的芯片。该类芯片可以分为存储卡芯片和微处理器芯片两大类别。其 中微处理器芯片采用微处理器作为核心。智能卡的基本特性和功能在IS0/IEC 7816系列 标准中规定，图2描述了一个微处理器智能卡芯片的典型结构。其中硬件部分包括用于计 算和控制的CPU、用于缓存运行时程序和数据的随机存取存储器(SRAM/SDRAM/DRAM)、用于 存储程序代码的只读和非挥发性存储器(R0M/EEPR0M/FLASH)、用于和外部环境进行通信的 IS0/IEC 7816接口，这些模块通过内部总线进行互联。智能卡芯片由于其国际标准化、智能化和安全特性，可以封装为各种卡形 态，应用于各个领域，其中最主要的是在手机终端中的应用。如在GSM制式手机中的 SIM(Subscriberlndentity Module Card，用户识别模块)卡，在CDMA网络中使用的UIM卡， 在3G网络中使用的USIM卡，这些卡产品都是将智能卡芯片镶嵌于塑料基片中构成的。在 手机中，智能卡可以通过SAT和手机终端进行交互。所谓SAT，是一套卡内和手机终端交互 的规范，SAT定义了一套标准调用接口，能够充分使用手机终端提供的功能，如要求手机终 端显示或输入指定内容、启动手机终端接入互联网络等。超高频RFID (UHF RFID)是指工作频率在300M 3GHz之间的超高频频段内的 RFID，该频段RFID特点是工作频率高，可读写距离长，能够以无源方式工作，制造成本低。 根据其工作模式可以分为Tag(识别卡)和Reader (读写器)两类。当作为Tag(识别卡) 工作时，可以印制到各种商品上，实现物品的被识别。当作为Reader(读写器)工作时，可 以远距离批量阅读Tag(识别卡)，实现物品的识别；Reader (读写器)也可以向Tag(识别 卡)写入简单内容，实现对物品的标注。随着超高频RFID技术的成熟，以及人们对物品追踪、识别、管理日益迫切的需求， 超高频RFID将取代目前广泛使用的条码，成为标识物品的主要技术。如上所述，超高频 RFID Tag(识别卡)可以比条码记录很多产品信息，而这些信息不仅对厂商有价值，对最终 消费者也是有价值的。如最终消费者基于Tag (识别卡)，可以实现超市物品搜索、家庭物品 管理、食品药品安全识别、物品个性化标注等功能。但是目前超高频RFID Reader(读写器)都是作为专有设备，普通消费者不便使 用，也就无法充分利用Tag(识别卡)中的信息。本发明实现了一种集成超高频射频识别功 能的智能卡芯片，该芯片具有Tag(识别卡)和Reader(读写器)功能。
发明内容
本发明提出了一种集成超高频射频识别(RFID)功能的智能卡芯片及其工作方法。如图1所示，该图描述了本发明中所述智能卡芯片的各部分组成。所述一种集成超高频RFID功能的智能卡芯片，包括硬件部分Sl和寄存器模块S2。所述硬件部分Sl包括微控制器模块Ml，超高频射频识别(RFID)模块M2，电源管 理模块M3、时钟/复位模块M4构成。其中微控制器模块Ml和RFID模块M2通过内部总线 进行互联。所述微控制器模块M1，符合IS0/IEC 7816规范，由用于计算和控制的CPU、用于缓 存运行时程序和数据的随机存取存储器(SRAM/SDRAM/DRAM)、用于存储程序代码的只读存 储器(ROM)和非挥发性存储器(EEPR0M/FLASH)、用于和外部环境进行通信的输入输出接口 模块IS0/IEC 781610接口构成。所述超高频RFID 模块 M2，符合 IS018000-6C 和 EPC CLASS-l/Gen-2 规范，M2 通过 内部总线和Ml互联到一起，并共用存储空间。超高频RFID模块配合微控制器模块，既能工 作在Tag(识别卡)模式，也能工作在Reader(读写器)模式。所述超高频模块M2，由RF-Tranceiver模块、AD/DA模块、PA/LNA、调整解调模块、 启动信号产生电路模块、微处理器构成。M2既能工作在Tag(识别卡)模式，也能工作在 Reader (读写器)模式。所述电源管理模块M3，用于为芯片内各功能模块提供稳定的电流和电压。所述时钟/复位模块M4，能够为芯片提供时钟和复位信号。并且当RFID作为 Tag(识别卡)模式工作时，能够通过收到的Reader(读写器)射频信号中提取同步时钟； 当RFID作为Reader (读写器)模式工作时，能够产生工作用时钟。所述寄存器模块S2，运行在该智能卡芯片内部，包括硬件驱动、COS、应用编程接 口。寄存器模块可以控制超高频RFID模块M2，作为Tag(识别卡)方式工作，或者作为 Reader (读写器)方式工作，并实现M2和其他接口模块的同时并行工作。所述寄存器模块控制超高频RFID模块M2工作于Tag (识别卡)模式时，包括如下 步骤1)超高频RFID模块M2缺省处于Tag (识别卡)工作模式，并处于休眠状态，寄存 器模块S2缺省提供Tag (识别卡)功能；2)当芯片感应到Reader (读写器)的射频信号时，从休眠状态切换到工作状态，并 通过反向散射调制方式和读写器通信。在该过程中，如果芯片没有外部供电，芯片使用无源 方式工作；如果芯片有外部供电，芯片采用有源方式工作。所述寄存器模块S2控制超高频RFID模块M2工作于Reader (读写器)模式时，包 括如下步骤1)当用户通过片内寄存器模块配置芯片处于Reader (读写器)模式时，寄存器模 块通过驱动设置芯片从Tag (识别卡)模式转换到Reader (读写器)模式，该模式下芯片使 用有源方式工作；2)芯片发送探询信号，等待Tag(识别卡)的应答，如果有应答，那么和Tag(识别 卡)进行通信。
图1为本发明的芯片结构示意图
图2为微处理器智能卡芯片的典型结构图3为智能卡IS0/IEC 7816接口定义图4为本发明具体实现方案的结构图
具体实施方案下面结合本发明的具体实现方案来对本发明做进一步描述。如图4所示，该图描述了本发明的一个具体实现方案。该实现方案包括了一个芯 片硬件Sl和芯片内寄存器模块S2。该实现方案中的芯片硬件Si，其主要的功能模块包括微处理器Ml、片上总线结构 M2、SRAM存储器M3、N0R-FLASH存储器M4、IS0/IEC 7816接口 M5、中断控制器M6、超高频 RFID模块M7、电源管理模块M8、时钟/复位模块M9构成。微处理器Ml主要实现控制和计算功能，为了实现较高的处理能力，该方案中使用 32位SC100CPU，其运行速度可以根据应用进行配置和调整，通常工作在几十到百M范围。片上SRAM存储器M3用于实现程序的指令和数据的缓存，通常在十几到几十K字 节范围。微处理器Ml可以通过内部总线M2直接寻址访问SRAM中的数据。片上N0R-FLASH存储器M4分为程序区和数据区，数据区用于存储软件程序和应用 数据，程序区作为指令运行的空间。IS0/IEC 7816接口 M5用于和外部部件进行接触式连接，遵循规范定义的8触点次 序和连接形式。参考图3，该图描述了 IS0/IEC 78161/0接口的分布和定义。片上总线M2用于连接芯片内的各硬件模块，实现控制、地址、数据信号的传递。工 业界目前有多种成熟的片上总线标准，在本实现中，使用AMBA (Advanced Microcontroller BusArchitecture)总线标准。超高频RFID模块M7主要实现无线通信功能。由RF-Tranceiver模块Al、AD/DA 模块A2、PA/LNA模块A3、调制和解调模块A4、启动信号产生电路模块A5、微处理器A6构成。 超高频RFID模块M7既能工作在Tag (识别卡)模式，也能工作在Reader (读写器)模式。RF-Tranceiver模块Al实现射频信号收发，如载频信号产生，上下变频。PA/LNA模块A2实现发射时的功率放大和接收时的低噪声信号放大功能。AD/DA模块A3实现数字和模拟之间的转换。调整解调模块A4实现ASK调制和解调。当处于Tag(识别卡)模式时，使用反向 散射方式传输。启动信号产生模块A5在芯片处于Tag (识别卡)模式时才会工作，用于电源恢复 完成后，为数字电路的启动工作提供复位信号。超高频RFID模块M7中的微处理器A6，是一个低功耗8位CPU，仅在芯片处于 Tag(识别卡)模式时才处于工作状态，用于控制和计算，运行Tag(识别卡)模式寄存器配 置，完成和Reader (读写器)的通信。电源管理模块M8，在芯片有源工作的情况下，连接外部供电，为芯片提供稳定的能 量；在芯片处于无源的情况下，将天线上所接收到的超高频信号通过整流、升压等方式转换 为直流电压，为芯片工作提供能量。时钟/复位模块M9，能够为芯片提供时钟和复位信号。并且当RFID作为Tag (识别卡)模式工作时，能够通过收到的Reader(读写器)射频信号中提取同步时钟；当RFID 作为Reader(读写器)模式工作时，能够产生工作用时钟。本实现方案中的寄存器模块S2，运行于芯片内部，包括硬件驱动、COS、应用编程接 口。该寄存器模块可以控制整个芯片。寄存器模块S2中的驱动包括了 Tag (识别卡)驱动 和Reader(读写器)驱动，用于控制超高频RFID模块M7，作为Tag (识别卡)方式工作，或 者作为Reader (读写器)方式工作。下面结合具体的应用场景，描述本发明实现方案的工作过程。如果把本发现所属 的芯片镶嵌于塑料基片中就构成了手机终端使用的SIM卡。将该卡放置于手机中后，该卡 通过IS0/IEC 7816接口和手机协同工作。以下描述Tag(识别卡)应用场景进行说明。1)缺省情况下，SIM卡的芯片中的超高频RFID模块处于Tag(识别卡)工作模式， 片内寄存器模块S2提供Tag(识别卡)功能。2)当手机进入一个Reader (读写器)的工作覆盖范围时，SIM卡芯片中的电源管 理模块M8从天线中获取能量，并开始输出稳定的能量到芯片中各功能模块。随后启动信号 产生电路模块A5激活，复位超高频RFID模块，使其从初始状态开始运行。3)超高频RFID模块M7中的微处理器A6运行N0R-FLASH中的指令，控制其和 Reader (读写器)的通信过程。竞争到机会后，M7将内容发送给Reader (读写器)，发送的 内容可以由用户自定义，如名片信息。以下描述Reader (读写器)应用场景，如食品药品安全问题。国家食品药品监督 管理局或国家质检总局会定期发布各类产品的安全信息，但是这些产品名单数据量大，批 次多，编号长而且不容易记忆和识别。如果利用本发明将手机+SIM卡搭配成为一个超高频 RFID ReadeH读写器)，配合运用商提供的产品数据，就能够很好的解决该问题。下面对该 场景进行说明。1)运营商将衣食住行用的常见产品信息，通过无线网络下载到用户的SIM卡中。2)如果用户准备购买某种产品，用户希望对该产品信息进行了解。用户就可以通 过手机界面，设置手机作为ReadeH读写器)。片内寄存器模块S2的应用程序接口部分收 到该设置信息，通过驱动软件配置超高频RFID模块M7处于Reader (读写器)工作模式，同 时片内寄存器模块S2中的驱动转变为提供Reader (读写器)功能。3)用户用该手机扫描所购买的产品，寄存器模块S2驱动超高频RFID模块M7发射 查询指令，该指令编码和调制后，上变频到800-900MHZ，经过PA的功率放大，通过天线发送 出去。4)产品上印制的RFID标签被该载波激活，将物品编号和其他附属信息编码后，以 反向散射的方式发送应答信息。手机SIM卡中的超高频RFID模块M7收到该无线应答信号 后，去除高频载波，经过LNA低噪声信号放大后，再解调解码后提取出其中的信息，交给微 处理器Ml处理。5)微处理器通过寄存器模块S2，S将该信息和SIM卡内存储的产品信息进行对比， 然后返回对比结果。寄存器模块S2通过SAT调用手机显示功能，在手机屏幕上显示结果。6)用户根据手机屏幕显示信息，从而就能了解产品的各种信息，包括品名、批次、 出厂时间、过期时间、是否安全等。
如上描述，通过在手机中装入本发明所述集成超高频RFID功能的智能卡芯 片，并通过SAT协议使用手机终端的显示、键盘、网络能力，就可以将手机变为一个RFID reader (读写器)。由于目前手机已经成为普及度最高、和个人最紧密的信息处理产品，利 用手机和本发明所述智能卡芯片，就可以实现普及到个人的、随时随地的物品识别。这样就 扩展了传统SIM卡和手机的功能范围，更好的满足了个人消费者对于物品管理、物品安全 的需求；同时运营商也可以利用本发明发行新型SIM卡，通过提供后台物品信息数据库，为 个人消费者提供更丰富的增值业务。
权利要求
一种集成超高频射频识别功能的智能卡芯片，该芯片由硬件和寄存器模块两个部分构成，其特征在于硬件部分包括微控制器模块、超高频射频识别模块，电源管理模块、时钟/复位模块，其中微控制器模块和超高频射频识别模块通过内部总线进行互联，并共用存储空间；寄存器模块控制超高频射频识别模块，使得整个芯片既能工作在识别卡模式，也能工作在读写器模式。
2.根据权利要求1所述的一种集成超高频射频识别功能的智能卡芯片，其特征在于 所述时钟/复位模块，为芯片提供时钟和复位信号，通过从收到的读写器射频信号中提取 同步时钟或产生工作用时钟。
3.根据根据权利要求1所述的一种集成超高频射频识别功能的智能卡芯片，其特征在 于，所述寄存器模块控制超高频射频识别模块工作于识别卡模式时，包括如下步骤1)该智能卡芯片缺省处于识别卡模式，并处于休眠状态；2)当智能卡芯片感应到读写器的射频信号时，从休眠状态切换到工作状态，并通过反 向散射调制方式和读写器通信，在该过程中，如果芯片没有外部供电，智能卡芯片使用无源 方式工作；如果智能卡芯片有外部供电，智能卡芯片采用有源方式工作。
4.根据根据权利要求1所述的一种集成超高频射频识别功能的智能卡芯片，其特征在 于，所述寄存器模块控制超高频射频识别模块工作于读写器模式时，包括如下步骤1)当用户通过寄存器模块配置该智能卡芯片处于读写器模式时，芯片从识别卡模式转 换到读写器模式，该模式下芯片使用有源方式工作；2)智能卡芯片发送射频探询信号，等待识别卡的应答，如果有应答，那么和识别卡进行通{曰。
5.根据权利要求1所述的一种集成超高频射频识别功能的智能卡芯片，其特征在于 所述超高频射频识别模块射频接口可以与智能卡芯片上的其他接口同时并行工作。
全文摘要
本发明提出了一种集成超高频RFID功能的智能卡芯片，同时也提供了该芯片工作的方法。本发明所述智能卡芯片包括微控制器模块和超高频RFID模块，以及用于控制该芯片的寄存器模块。其中微控制模块符合ISO/IEC 7816规范，超高频RFID模块符合ISO18000-6C和EPC CLASS-1/Gen-2规范，微控制器模块和RFID模块通过内部总线进行互联和协同工作。通过寄存器模块控制微控制器模块和超高频RFID模块，使得整个芯片既能工作在Tag(识别卡)模式，也能工作在Reader(读写器)模式。
文档编号G06K19/07GK101957931SQ20091008880
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者兰天 申请人:北京中电华大电子设计有限责任公司