专利名称：通过无源唤醒方式实现超低待机功耗有源rfid装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有源射频识别系统，特别是涉及一种有源射频识别系统的低待机 功耗设计，具体讲涉及通过无源唤醒方式实现的超低待机功耗有源RFID装置。
背景技术：
根据实现的方式不同，射频识别系统RFID可分为两类有源RFID和无源RFID。无 源RFID的电子标签上不带电池，其工作所需要的全部电能都依靠转换接收到的读写器发 送的电磁波而获得，所以其读写器的发射功率一般较大，但是有效作用距离却相当有限。与 之相反，有源RFID的电子标签自身具备电池，可提供全部器件工作的电源，因而相应读写 器的发射功率要求不高，而且有效阅读距离也较前者大大增加。由于很多场合需要具有远距离工作的RFID系统，所以有源RFID有广阔的应用前 景。但是有源RFID较大的功耗影响了标签电池使用时间，因而标签寿命比较短。如何有效 地降低RFID标签功耗，节省有限的电能，尽可能延长电池的使用寿命成为亟待解决的技术 问题。降低有源RFID标签功耗的方法主要有1、从芯片工艺设计上考虑，采用多种低功 耗设计方法，使功耗尽可能降低；2、在软件上，改进标签阅读算法，提高工作效率。3、减少有 源标签的待机功耗。目前国际上普遍采用有源唤醒方式和延长芯片休眠时间来实现功耗的降低。唤醒 功能是指RFID设备在不工作的情况下处于低功耗的休眠模式，只有在接收到有效信号后 才会唤醒后台进入工作状态，这样可以减少设备的待机功耗，延长电池寿命。而有源唤醒是 指设备定时开启接收端的检测窗口，在很短的时间内检测是否接收到有效信号，如果接收 到有效信号则产生中断信号，唤醒设备开始工作；否则就再次返回休眠模式，等待下次检测 脉冲。有源唤醒方式的优点是一定程度上降低了有源标签的待机功耗；基本不改变读 写器和有源标签的硬件电路。其缺点是有源唤醒的待机模式下定期自唤醒过程的功耗也 相当大，所以有源唤醒仍然没有彻底解决待机功耗问题，多数有源唤醒的标签电池寿命只 有1年左右，不能满足实际应用的要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种全新的唤醒方式及具有这种唤醒功能的系统的 实施方法，实现RFID标签的无源唤醒，解决传统有源标签待机功耗问题，实现超低功耗待 机，延长有源标签电池寿命，并且保持较远的通信距离。为达到上述目的，本发明采取的技 术方案是，通过无源唤醒方式实现超低待机功耗有源RFID装置，包括读写器和标签；读写器由读写微控制器和射频收发模块构成，用于发射唤醒信号以及和标签有源 模块进行通信；标签包含以下模块
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无源唤醒模块，用于接收读写器定期发射的唤醒信号，并将唤醒信号进行解调，然 后将解调后的数据输入微控制器中进行校验，若校验通过则产生一个开启信号将有源通信 模块的电源开关开启，如果唤醒信号不匹配，则忽略此次唤醒信号；有源通信模块，用于和读写器进行通信，当有源通信模块通信完毕后，模块内部的 微控制器产生一个关断信号，将电源开关关断，有源通信模块重返掉电模式。无源唤醒模块包括两大部分，一部分是由肖特基二极管、电容和稳压二极管构成 的倍压整流稳压电路，用于将接收到的射频能量转化为足够高的直流电压并进行稳压；第 二部分是由低电压比较器、二极管、电容、MOS管、微控制器组成的唤醒信号校验电路，用于 解调唤醒信号并进行校验，如果唤醒信号匹配则由微控制器发出一个开启信号配合倍压整 流稳压电路的输出将标签电源开关打开，继而标签进入有源通信模式。在无源唤醒模块中包括一个两输入与门和一个两输入或门，用于实现对电源开关 的开合，与门的两输入端分别为倍压整流稳压电路的输出端和无源唤醒模块中的微控制器 的一个IO 口，或门的两输入端分别为与门的输出端和有源通信模块中的微控制器的一个 IO □。本发明具备如下技术效果(1)由于使用无源唤醒模块进行唤醒信号检测，所以唤醒信号检测功耗为零。在不 考虑漏电的情况下，具有无源唤醒功能的有源RFID标签在待机状态下功耗基本为零，大大 提高了有源RFID标签电池的寿命。(2)具有无源唤醒功能的有源标签待机功耗超低，电池寿命理论上可达普通有源 唤醒标签的7倍。(3)具有无源唤醒功能的有源标签的阅读距离远大于无源标签，能够满足远距离 工作的要求。
图1读写器工作流程；图2标签工作流程；图3系统电路框图； 图4无源唤醒模块的倍压整流稳压电路及解调电路；图5最佳实施方案的系统工作流程。
具体实施例方式本发明提出的具有无源唤醒功能的有源RFID系统包括读写器和标签两部分，而 且对标签的改进是本发明的重点，系统的整体结构如图3。读写器由天线、微控制器、射频模 块和电源构成。标签由天线、阻抗匹配网络、倍压整流稳压电路、解调电路，微控制器A、与门 或门、电源开关、微控制器B、无线通信模块和电源构成。本系统的工作频率为915MHz，即唤 醒信号频率和有源通信模块工作频率均为915MHz。无源唤醒模块包括两大部分，一部分是由肖特基二极管、电容和稳压二极管构成 的倍压整流稳压电路，用于将接收到的射频能量转化为足够高的直流电压并进行稳压。第 二部分是由低电压比较器、二极管、电容、MOS管、微控制器组成的唤醒信号校验电路，用于解调唤醒信号并进行校验，详见图4。读写器发射的唤醒信号采用ASK调制方式。如果唤醒 信号匹配则由微控制器发出一个开启信号配合倍压整流稳压电路的输出将标签电源开关 打开，继而标签进入有源通信模式。本发明的重点在无源唤醒模块上，其结构借鉴了超高频无源标签的射频前端的电 路结构(如图3)。最前面连接到天线上的是由一个并联的可调电容和串联电感组成的阻抗 匹配网络，通过调整可调电容的电容值来改变无源唤醒模块的输入阻抗，使无源唤醒模块 的输入阻抗和天线阻抗匹配。阻抗匹配网络后面是一个由肖特基二极管(HSMS-285)、电容 和稳压二极管(ESD5Z3. 3T1)构成的倍压整流稳压电路，用于将接收到的射频能量转化为 直流电压并使电压升到足够高，用来提供无源唤醒过程的电能。型号为HSMS-285的肖特基 二极管的是一款高频低导通电压的二极管，工作频率为1.5GHz以下，正向导通电压最大值 为250mV，非常适合模块中倍压整流稳压电路的应用。型号为ESD5Z3. 3T1的稳压二极管可 以将电压稳到3. 3V，为无源唤醒模块中的解调电路和微控制器供电。倍压整流稳压电路的 输出电压可由电路的级数调节，级数越高则输出电压越大，输出电压低于3. 3V时可以通过 增加级数来提高输出电压使其达到3. 3V。解码电路是由二极管、电容、低电压比较器、MOS管和微控制器组成，其中二极管 和电容构成峰值包络检波器，唤醒信号采用ASK调制方式，经过包络检波器后输入到低电 压比较器中将唤醒信号解调出来，然后将解调出的信号输入微控制器中进行校验，判断是 否为目标唤醒信号。如果匹配，则微控制器输出一个开启命令将电源开关开启；否则，忽略 该唤醒信号。二极管型号为RB751S40T1，具有很低的正向导通电压。低电压比较器型号为 NCS2200SQ2T2G，工作电压范围为0. 85V-6. OV0 MOS管型号为NTK3134N，作为一个开关对低 电压比较器进行使能控制。无源唤醒模块中的微控制器采用MSP430X20X1，其具有多种工作 模式，功耗极低。在电源开关打开之前这些过程需要的电能均由倍压整流电路捕获的能量 提供。本发明的另一个创新点是在无源唤醒模块中包括一个两输入与门和一个两输入 或门，用于实现对电源开关的开合。与门的两输入端分别为倍压整流稳压电路的输出端和 无源唤醒模块中的微控制器的一个IO 口(记为A)，或门的两输入端分别为与门的输出端 和有源通信模块中的微控制器的一个IO 口(记为B)。具体结构见图3。在待机状态时，或 门两输入均为低电平，故其输出为低电平，这时标签电源开关关断。标签接收到唤醒信号 后其倍压整流电路产生一个高电平，唤醒信号通过无源唤醒模块中的微控制器校验后，微 控制器的A 口输出一个高电平，此时与门两输入端均为高电平，与门输出高电平，与门的输 出端作为或门的一个输入端，故或门也将输出高电平，继而电源开关打开，标签进入有源通 信模式。有源通信时令有源通信模块中的微控制器的B 口置为高电平，其作为或门的一个 输入端可以保证或门输出为高电平，这样可以保证电源开关在标签进行有源通信时一直打 开，而不受唤醒信号强弱和存在与否的影响。当有源通信结束后，无源唤醒模块中的微控制 器的A 口和有源通信模块中的B 口均置为低，此时与门的一个输入为低电平，其输出为低电 平；而或门两输入均为低，故其输出为低电平，此时能保证电源开关关断，使无源唤醒模块 在接收到非目标唤醒信号未通过信号校验时不打开电源开关。有源通信模块中的微控制器 采用MSP430F149，该单片机功耗极低而且功能很强大。电源开关选用MAX4625模拟开关，其 工作电压范围较大，为1. 8V-5. 5V，当工作在3V的时候，开启电压为2V ；导通电阻极小，小于1 Ω。通信模块选用CCl 100，其具有低功耗性能且与MSP430电平兼容。
采用此实施方案的系统的工作流程如图5所示。读写器定期发射唤醒信号，标签 未进入读写器的阅读范围时标签处于掉电的待机状态，电池未提供工作电流，所有有源芯 片处于关断状态，只有无源唤醒模块等待唤醒信号。当标签进入读写器的阅读范围后，无源 唤醒模块接收到唤醒信号，如果唤醒信号足够强并且唤醒信号通过校验后，无源唤醒模块 产生一个开启信号将有标签电源开关打开。然后有源通信模块开始和读写器通信。通信结 束后，标签有源通信模块的微控制器通过IO 口发出关断信号，经过无源唤醒模块中的与门 和或门将标签电源开关关断，标签重新进入无源待机状态。
权利要求
一种通过无源唤醒方式实现超低待机功耗有源RFID装置，其特征是，包括标签和读写器读写器由读写微控制器和射频收发模块构成，用于发射唤醒信号以及和标签有源模块进行通信；标签包含以下模块无源唤醒模块，用于接收读写器定期发射的唤醒信号，并将唤醒信号进行解调，然后将解调后的数据输入微控制器中进行校验，若校验通过则产生一个唤醒信号将有源通信模块的电源开关开启，如果唤醒信号不匹配，则忽略此次唤醒信号；有源通信模块，用于和读写器进行通信，当有源通信模块通信完毕后，模块内部的微控制器产生一个关断信号，将电源开关关断，有源通信模块重返掉电模式。
2.根据权利要求1所述的一种通过无源唤醒方式实现超低待机功耗有源RFID装置，其 特征是，无源唤醒模块包括两大部分，一部分是由肖特基二极管、电容和稳压二极管构成的 倍压整流稳压电路，用于将接收到的射频能量转化为足够高的直流电压并进行稳压；第二 部分是由低电压比较器、二极管、电容、MOS管、微控制器组成的唤醒信号校验电路，用于解 调唤醒信号并进行校验，如果唤醒信号匹配则由微控制器发出一个开启信号配合倍压整流 稳压电路的输出将标签电源开关打开，继而标签进入有源通信模式。
3.根据权利要求1所述的一种通过无源唤醒方式实现超低待机功耗有源RFID装置，其 特征是，在无源唤醒模块中包括一个两输入与门和一个两输入或门，用于实现对电源开关 的开合，与门的两输入端分别为倍压整流稳压电路的输出端和无源唤醒模块中的微控制器 的一个IO 口，或门的两输入端分别为与门的输出端和有源通信模块中的微控制器的一个 IO □。
全文摘要
本发明涉及有源射频识别系统的低待机功耗设计。为提供实现RFID标签的无源唤醒、超低功耗待机、延长有源标签电池寿命，并且保持较远的通信距离，本发明采取的技术方案是，通过无源唤醒方式实现超低待机功耗有源RFID装置，包括读写器和标签；标签包含以下模块无源唤醒模块，用于接收读写器定期发射的唤醒信号，并将唤醒信号进行解调，然后将解调后的数据输入微控制器中进行校验，若校验通过则产生一个开启信号将有源通信模块的电源开关开启，如果唤醒信号不匹配，则忽略此次唤醒信号；有源通信模块，用于和读写器进行通信，当有源通信模块通信完毕后，有源通信模块重返掉电模式。本发明主要应用于低待机功耗设计。
文档编号G06K19/077GK101996334SQ201010536329
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者吕辰刚, 姬中凯, 张瑞峰, 马建国 申请人:天津大学