0 引言

    近年來物聯(lián)網(wǎng)是人們普遍關(guān)注的一項(xiàng)新技術(shù),，射頻識(shí)別技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),，得到迅速的發(fā)展。目前在實(shí)際應(yīng)用中的電子標(biāo)簽大多基于單頻段的RFID技術(shù),，不能滿足遠(yuǎn)近系統(tǒng)精準(zhǔn)化的管理以及其他業(yè)務(wù)需求^[1],。有些公司提出把兩個(gè)單頻的電子標(biāo)簽復(fù)合在一起組成一個(gè)雙頻的電子標(biāo)簽，雖然在一定程度上滿足了業(yè)務(wù)需求,，但兩個(gè)單頻的標(biāo)簽相互獨(dú)立,，使用起來不方便。本文提出一種集成的雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片,，可以把兩個(gè)或多個(gè)頻段的電子標(biāo)簽集成在一顆芯片里,，使兩個(gè)頻段共用芯片的電源、中央控制邏輯電路和存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段的相互協(xié)調(diào)工作,，避免兩個(gè)頻段同時(shí)工作產(chǎn)生電源沖突和讀寫存儲(chǔ)器的沖突問題,。

1 現(xiàn)有的雙頻RFID標(biāo)簽解決方案

    針對(duì)現(xiàn)有的單頻段RFID電子標(biāo)簽不能同時(shí)滿足遠(yuǎn)近距離、高速識(shí)別,、高穿透力的應(yīng)用需求，行業(yè)提出一種復(fù)合的雙頻RFID電子標(biāo)簽,，如圖1所示,，復(fù)合的電子標(biāo)簽包括兩個(gè)部分：第一頻段的電子標(biāo)簽和第二頻段的電子標(biāo)簽，兩個(gè)頻段的標(biāo)簽相互獨(dú)立,，它們有各自的芯片和天線,，它們組合在一起封裝在一個(gè)裝配體（標(biāo)簽外殼）中形成一個(gè)雙頻段電子標(biāo)簽^[2]。雖然兩個(gè)頻段的標(biāo)簽相互獨(dú)立,，但在實(shí)際應(yīng)用中它們的數(shù)據(jù)需要相互關(guān)聯(lián)或共享,，就需要在兩個(gè)標(biāo)簽芯片中寫入相同的數(shù)據(jù)，比如TID和UID數(shù)據(jù),，即相同的數(shù)據(jù)需要寫兩遍,。

2 本文提出的雙頻RFID標(biāo)簽芯片

2.1 本文提出的雙頻標(biāo)簽芯片系統(tǒng)方案

    圖2是本文提出的無源雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片系統(tǒng)方案。包括第一頻段的射頻前端電路模塊和第二頻段的射頻前端電路模塊,、狀態(tài)檢測(cè)電路模塊,、中央控制邏輯電路模塊、電源電路模塊,、存儲(chǔ)器電路等,。兩個(gè)射頻模塊分別處理兩個(gè)頻段射頻信號(hào)的接收、解調(diào)和發(fā)送,。電源模塊把兩個(gè)射頻模塊接收的電能轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電源,，為芯片的各模塊供電。狀態(tài)檢測(cè)模塊檢測(cè)兩個(gè)頻段射頻端口的激活狀態(tài),，識(shí)別出哪個(gè)頻段被激活,，并把該頻段的激活狀態(tài)信息傳遞給中央控制邏輯電路模塊。中央控制邏輯電路模塊根據(jù)相關(guān)的RFID通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)解析兩個(gè)射頻前端接收的指令并響應(yīng)指令,、讀寫存儲(chǔ)器以及返回相關(guān)的數(shù)據(jù),，并依據(jù)兩個(gè)射頻端口的激活狀態(tài)指示信號(hào)確定兩個(gè)頻段讀寫存儲(chǔ)器的優(yōu)先次序。兩個(gè)頻段共用電源,、存儲(chǔ)器,、中央控制邏輯電路，可以使兩個(gè)頻段相互協(xié)調(diào)工作,，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的共享,，避免兩個(gè)頻段同時(shí)工作時(shí)出現(xiàn)電源電壓相互沖突問題和兩個(gè)頻段同時(shí)讀寫存儲(chǔ)器的沖突問題。

2.2 本文設(shè)計(jì)的LF+UHF雙頻標(biāo)簽芯片

    依據(jù)圖2所述的系統(tǒng)方案，本文設(shè)計(jì)了一款集成低頻段（LF）和超高頻段(UHF)的無源雙頻RFID標(biāo)簽芯片電路,。低頻段遵守ISO 11784和ISO 11785協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),，超高頻段遵守ISO 18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。芯片有低頻端口和超高頻端口,，分別接低頻標(biāo)簽天線和超高頻標(biāo)簽天線,，接收低頻和超高頻射頻信號(hào)。兩個(gè)射頻端口可單獨(dú)連接低頻或超高頻天線制成低頻或超高頻單頻段電子標(biāo)簽,，也可以同時(shí)連接一個(gè)低頻天線和一個(gè)超高頻天線制成雙頻電子標(biāo)簽,。當(dāng)該芯片制成雙頻電子標(biāo)簽時(shí)，在低頻和超高頻同時(shí)激活時(shí),，低頻工作優(yōu)先,，芯片會(huì)自動(dòng)切換到低頻工作模式；在只有一種低頻或超高頻單獨(dú)激活時(shí),，該電子標(biāo)簽芯片自動(dòng)選擇相對(duì)應(yīng)頻段的工作模式,。

芯片的低頻段和超高頻段共用存儲(chǔ)器，有相同的TID號(hào),，相同的數(shù)據(jù)只需寫一次即可,，并且存儲(chǔ)用戶區(qū)的數(shù)據(jù)共享。

2.3 電源管理模塊

    在本文提出的雙頻RFID標(biāo)簽芯片方案中,，解決兩個(gè)頻段同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生電源沖突和讀寫存儲(chǔ)器沖突問題的關(guān)鍵在于電源管理模塊,。使用統(tǒng)一的電源供電和狀態(tài)檢測(cè)，使各種沖突問題迎刃而解,。因此下面重點(diǎn)闡述雙頻RFID標(biāo)簽芯片的電源管理電路,，對(duì)于單個(gè)頻段的射頻前端電路，在很多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)描述,，本文不再贅述,。

    雙頻RFID標(biāo)簽芯片中，兩個(gè)頻段既可以單獨(dú)工作,，也可以同時(shí)工作,，因此芯片既可以由低頻端口的磁場(chǎng)供電，也可以由超高頻端口的電磁場(chǎng)供電,，并且兩邊的供電壓都有較大的變化范圍,。芯片電源管理電路的功能就是管理低頻和超高頻的供電電源，使它們對(duì)系統(tǒng)供電時(shí)不產(chǎn)生沖突,。當(dāng)標(biāo)簽處于低頻磁場(chǎng)中,，LF狀態(tài)檢測(cè)電路檢測(cè)低頻段的電壓，當(dāng)其達(dá)到設(shè)定的電壓閾值時(shí)就輸出低頻激活狀態(tài)信號(hào),，使數(shù)字電路切換到低頻工作模式,，實(shí)現(xiàn)低頻工作優(yōu)先,，解決兩個(gè)頻段同時(shí)讀存儲(chǔ)器的沖突問題。

2.3.1 UHF端的整流電路

    超高頻端的電源恢復(fù)電路采用電荷泵整流電路,，如圖3所示,。將從天線接收下來的UHF射頻信號(hào)恢復(fù)出直流電源VDU，為芯片的后續(xù)電路提供原始的電源,。圖3中采用Dickson倍壓電路結(jié)構(gòu)^[3-4],，MOS管采用二極管接法。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如式(1)：

    式(1)中的N為倍壓電路的級(jí)數(shù),，V_th為MOS管的閾值電壓,。電源轉(zhuǎn)換效率公式如式(2)：

    式(2)中I_in為輸入端的射頻信號(hào)瞬態(tài)電流，V_in為輸入端的射頻信號(hào)瞬態(tài)電壓,，I_out為輸出端的直流電流，V_out為輸出端的直流電壓,。

    式(1)中可以看出,，隨著N的增大，輸出電壓會(huì)不斷增大,，但在實(shí)際中由于MOS管存在寄生效應(yīng)和襯底效應(yīng),，電源的轉(zhuǎn)換效率隨著級(jí)數(shù)的增加會(huì)不斷降低,，同時(shí)轉(zhuǎn)換效率與MOS管的寬度也存在一定的關(guān)系,，所以需要在輸出電壓以及電源效率轉(zhuǎn)換間進(jìn)行折中。通過對(duì)電路的優(yōu)化,，最后采用6級(jí)倍壓結(jié)構(gòu),。

2.3.2 LF端的整流電路

    圖4是低頻端的整流電路,，采用NMOS柵交叉連接全波橋式整流電路^[5]，把低頻射頻信號(hào)變成直流電源VDL,，為芯片的后續(xù)電路提供原始的電源,。此電路有一對(duì)二極管連接的NMOS管，電路從天線到負(fù)載電容有閾值電壓V_th的壓降,，因此NMOS管應(yīng)選用低閾值的MOS管,。

2.3.3 雙頻標(biāo)簽芯片的電源整合及電壓調(diào)節(jié)電路

    經(jīng)過超高頻整流電路和低頻整流電路輸出的兩個(gè)電源VDU和VDL需要整合成一個(gè)電源為芯片供電，并且由于整流電路提供的輸出電壓隨環(huán)境因素變化,，它還不能滿足為后續(xù)電路供電的要求,，因此還需要一個(gè)電壓調(diào)節(jié)電路，提供一個(gè)較為穩(wěn)定的電壓,，作為整個(gè)芯片電路的工作電壓,。

    電源整合及電壓調(diào)節(jié)電路如圖5所示。Pmos晶體管MP3作為電源整合開關(guān),，當(dāng)它截止時(shí),，由VDU為芯片供電,，當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，把VDL連接到VDU,，由VDL為芯片供電,。為了防止MP3露電，需要把MP3的襯底連接VDU和VDL兩者中電壓較高的一個(gè),，因此MP1和MP2作為MP3的襯底電壓選擇開關(guān),，當(dāng)MP1導(dǎo)通MP2截止時(shí)，選擇VDU作為MP3的襯底電壓,，反之則選擇VDL作為MP3的襯底電壓,。反相器inv1、MN1,、MN2,、MP4,、MP5作為電平轉(zhuǎn)換電路,，對(duì)輸入信號(hào)LF_flag進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,。當(dāng)超高頻端被激活而低頻端沒有被激活時(shí),，LF_flag為低電平，節(jié)點(diǎn)V1為高電平,，V2為低電平,，MP1導(dǎo)通，MP2和MP3截止,，由VDU為芯片供電；當(dāng)超高頻端沒有被激活而低頻端被激活時(shí),，LF_flag為高電平,，節(jié)點(diǎn)V1為低電平,，V2為高電平，MP1截止,，MP2和MP3導(dǎo)通，由VDL為芯片供電,；當(dāng)超高頻端和低頻端同時(shí)被激活時(shí)，LF_flag為高電平,，節(jié)點(diǎn)V1為低電平,，V2為高電平,，MP1截止，MP2和MP3導(dǎo)通,，此時(shí)VDU和VDL同時(shí)為芯片供電，由于芯片設(shè)計(jì)成低頻工作優(yōu)先,，因此此時(shí)的芯片工作在低頻優(yōu)先工作狀態(tài)。通過開關(guān)管MP3使VDU和VDL斷開,，避免了低頻端的整流電源與超高頻端的整流電流直接連接在一起,，有效地避免了因?yàn)榈皖l端口的低頻天線產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過電源線流竄到超高頻端而導(dǎo)致超高頻端靈敏度下降的問題,。

    經(jīng)過電源整合后的電源電壓還有很大的波動(dòng),，為了防止電壓太高而損壞芯片，需要增加一個(gè)起電壓保護(hù)作用的泄流電路^[6],，當(dāng)電壓超過設(shè)定電壓時(shí)就泄放掉部分電荷,，使電源電壓降。

    圖5中,，基準(zhǔn)電壓源,、運(yùn)算放大器AMP1,、PMOS晶體管MP6、R1和R2,、電容CL構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)電路，其工作原理詳見文獻(xiàn)[7-8],?；鶞?zhǔn)電壓源是一個(gè)與電源電壓無關(guān)的參考源,。輸出電源VDD電壓經(jīng)電阻R1和R2分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較，通過運(yùn)算放大器AMP1放大其差值來控制MP6晶體管的柵極電壓,，使得輸出電壓VDD與基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 芯片測(cè)試結(jié)果

    本文提出的雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片電路基于某代工廠 0.18 μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)并流片,。芯片的電源整合及電壓調(diào)節(jié)電路的仿真結(jié)果如圖6所示，在500 μs之前電路由超高頻端供電,，此時(shí)VDU供電電壓為2.2 V，VDD輸出電壓為1.18 V,，LF_flag為低電平，VDL為低電壓,，雖然VDL上有很大的干擾信號(hào)，但由于此時(shí)圖5中MP3晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),，VDL與VDU斷開，VDL上的干擾信號(hào)對(duì)VDU沒有產(chǎn)生影響,；在500 μs之后VDL電壓為2.7 V，LF_flag為高電平,，此時(shí)由低頻端供電或者由低頻端和超高端同時(shí)供電，VDU的電壓取兩個(gè)輸入電壓的較高者,。不管是由低頻端供電還是由超高頻端供電,，VDD輸出穩(wěn)定的電壓為整個(gè)芯片電路供電。

    芯片的版圖如圖7所示,，版圖面積為750×1 020 μm²,，芯片設(shè)有4個(gè)PAD,分別是UHF的兩個(gè)射頻PAD和LF端的兩個(gè)射頻PAD。為了降低兩個(gè)頻段相互干擾,，把兩個(gè)頻段的射頻電路分開,，圖中左邊為低頻射頻電路，右邊為超高頻射頻電路和電源管理電路,。中間的上部是存儲(chǔ)器,，中間的下部是數(shù)字邏輯電路。

    圖8是由封裝后的芯片制成的雙頻標(biāo)簽測(cè)試樣品,，UHF端連接半波偶極子天線,，工作頻率為920~960 MHz；LF端連接低頻電感線圈天線,，工作頻率為134.2 kHz。UHF端的靈敏度為-16 dBm,，低頻端的讀標(biāo)簽距離為10 cm,。標(biāo)簽在兩個(gè)頻段的靈敏度和識(shí)讀距離與業(yè)界的同類標(biāo)簽相近似,。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文提出的雙頻RFID電子標(biāo)簽芯片系統(tǒng)方案和電路結(jié)構(gòu),，解決了多頻段電子標(biāo)簽集成在一個(gè)芯片上相互沖突的問題,，并且設(shè)計(jì)和流片了集成超高頻和低頻的雙頻電子標(biāo)簽芯片,，通過測(cè)試驗(yàn)證了芯片的各項(xiàng)功能和性能與業(yè)界的同類標(biāo)簽相近。

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作者信息：

孔令榮

（深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司,，廣東 深圳518057）