一种延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路和方法技术

本发明专利技术属于射频识别技术领域，具体是指一种用于延伸无源被动式射频识别标签通讯距离的放电控制电路，以及利用所述放电控制电路来延伸射频识别标签通讯距离的方法。本发明专利技术仅仅是对需要复位操作的数字逻辑的电源部分进行掉电操作，使得系统状态机的掉电状态切换的要求得到满足，下一次上电复位的时候，数字电源节点经历一个由低到高的转变过程，于是复位信号可以被正常触发，同时，本方案保持了经过整流之后存储在储能电容上的大部分电荷，以延长射频识别标签的通讯距离，从而获得很好的使用体验。另一方面，本电路结构可以在延伸通讯距离的性能下，确保系统能够在反复上电、再反复掉电的测试中复位，使射频识别标签系统进入正确的工作状态。

【技术实现步骤摘要】
一种延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路和方法
本专利技术属于射频识别
，具体是指一种用于延伸无源被动式射频识别标签通讯距离的放电控制电路，以及利用所述放电控制电路来延伸射频识别标签通讯距离的方法。
技术介绍
射频识别（RFID）标签是物联网应用系统架构中最为基础的一个核心技术构件，在物流管理、资产安全和追踪管理、出入权限管理、食品安全溯源等领域起到了追踪、溯源和大数据收集等方面的作用。射频识别标签主要的通讯方式分为主动应答和被动应答两种方式。主动应答方式，也称TTF（TagTalksFirst）方式，是射频识别标签启动之后进入循环反复发送自身的ID以及数据信号的方式；被动应答方式，也称RTF方式（ReaderTalksFirst），是射频识别标签在得到读写器设备的可执行指令之后做出相应的操作，并将读写器设备所需要的反馈数据发送回读写器设备的一次性操作方式。因为主动应答方式的循环反复的特性，其简单发送应答数据的通讯成功率比被动应答方式的一次性反馈结果数据操作的成功率高；而另一方面，被动应答方式具有执行高级复杂操作的优点，比如对某个内存地址进行单独寻址并进行写入操作等。上述两种通讯方式构成了物联网世界中种类繁多的射频识别标签技术的灵活应用。射频识别标签与读写器设备之间的通讯，可以通过磁场耦合的方式。比如以ISO11784/11785国际标准为规范的低频射频识别技术，和以ISO14443-A，ISO14443-B为技术标准的高频射频识别技术，和以高频射频识别技术为基础衍生而来的近场通讯（NFC）技术，都属于磁场耦合通讯的范畴。以磁场耦合为通讯方式，射频识别标签与读写器设备分别各自有一个由电感和电容器件构成的谐振电路，当这两个谐振电路的谐振频率设计成一致时，两者之间的耦合效率达到最大，能量传输的效率也最大。根据法拉第电磁场原理的磁力线定性描述和麦克斯韦尔方程组的定量计算，变化的磁场能够产生电场，反之，变化的电场也能够产生磁场。变化的交流磁场经过谐振电路耦合产生了交流电场，和流过谐振电路电感和电容器件的交流电流；该交流电流被射频识别标签芯片上的整流器电路所整流而转换成直流电流，同时，该交流电流所包含的幅度调制信息、频率调制、或者相位调制信息被芯片上的解调电路所解调而变成数字信息代码，即由若干个“0”和“1”构成的码流。当上述交流磁场转变成直流电的能量转换过程是射频识别标签芯片唯一的能量来源时，该射频识别标签即称为无源射频识别标签（PassiveRFID），也称为无电池射频识别标签（Battery-lessRFID），顾名思义，就是不用电池的射频识别标签。无源射频识别标签对射频识别标签芯片的电路设计提出了较高的技术要求，需要以超低的功耗和低电源电压的方式完成应答和高级读写指令操作。通常，有源（带电池供电）的射频识别标签的通讯距离比无源的长，但是，无源射频识别标签可以做到极低的物料成本，并且省去了更换电池的维护费用，所以，无源射频识别标签在物联网的基础应用中获得了更加广泛的应用，同时，无源射频识别标签的通讯距离一直是工业界不同标签生产厂家、不同芯片制造商之间所关注的竞争要点。图1给出了一个典型的射频识别标签的系统架构框图。其中，由谐振电感和谐振电容组成的谐振电路与读写器设备发射的射频场能量达到同频率的谐振，耦合交变磁场到电感线圈中，进而转变为交流电流；交流电流经过整流电路和限幅电路的共同作用产生了幅度适合的直流电压；直流电压在耦合的能量由少变多的过程中逼近并超过了上电复位模块监控的电压值，从而触发上电复位信号，启动了数字逻辑控制系统。自从交变射频场一开始耦合进来的时候，时钟恢复产生电路从电感线圈上的交变电流中获得了与射频场能量相同频率的时钟信号，供给到数字逻辑控制系统作为同步时钟；也是与此同时，具有自启动功能的带隙基准模块完成自我启动后稳定输出一个带隙基准电压值，作为参考供后面的稳压电源模块产生较为精确的直流电源电压；直流电源给系统中的其他功能模块供电，比如解调器模块，用以解析自读写器设备发出的指令信息，时钟恢复/产生模块，用以从周围射频场能量中提取时钟方波信号，读取放大器模块，用以读取非挥发性存储器单元中的数据，写入擦除模块，用以对非挥发性内存单元进行数据擦除和数据写入等操作，数字逻辑控制/状态机模块，用以射频识别标签的状态转换控制和其他芯片模式选择设置等，非挥发性存储单元阵列模块，用以存储芯片所需要的各种设置数据和用户数据，地址译码模块，用以按地址译码后选择内存存储页面，掉电控制模块，用以控制系统的掉电过程。电容器件，作为电子学中被广泛用来延迟、滤波等作用的一种器件，具有电荷保持和储能的物理特性。在集成电路芯片的电路设计中，飞法级（fF,1fF=10-15F）和皮法级（pF,1pF=10-12F）的电容往往被集成在芯片内部作为信号采样电容，或降低电源抖动或者毛刺的去耦合电容；而纳发级（nF,1nF=10-9F）乃至微法级（uF,1uF=10-6F）的电容则被作为芯片的外围器件与芯片的电源管脚连接，从而作为更大容量的储能电容。储能电容的使用可以有效的提高无源射频识别标签的通讯距离。以ISO11784/11785国际标准所规定的半双工（HalfDuplex，HDX）射频识别技术规范为例，读写器设备在首先发射射频场能量，射频识别标签经过耦合和整流的过程完成上电复位，标签处于等待读写器设备指令的状态。此时，读写器设备可以在规定的时间窗口内不进一步下发高级指令，而停止发射射频场（即断场，Fields-Off），射频识别标签上的电感线圈电压和电流则出现了振幅衰减的阻尼物理过程，按照协议，射频识别标签开始进行循环反复的数据发送。在循环反复的数据发送过程中，时钟信号仍然需要从正在衰减的射频场能量中提取而获得，电感线圈上的电压需要在一定时间内维持足够高的电压值而完成数据发送的过程。这个时候给整个芯片提供能量的即芯片上内置的或者芯片外围的储能电容，储能电容是必需的。电容值越大，能量越高，线圈上维持的电压幅度也越高，对读写器设备发射的通讯能量也越高，通讯距离越大。ISO11784/11785国际标准所规定的全双工（FullDuplex，FDX）的射频识别技术规范，读写器设备不会在通讯过程中断场，所以在全双工制式中，储能电容是否被射频识别标签系统所采用是可选的；如果存在一定容值大小的储能电容，则通讯距离也会随之有一定程度的增加。在图1所示的系统架构中，储能电容跨接在整流模块输出节点与地线之间，具有电荷储存作用和稳定整流后的电源电压纹波的作用。在稳压电源的输出节点上往往会摆放一定数量的去耦合电容用以降低电路中高频开关信号对电源线对应的扰动和提升电源输出的稳定性，同时，在某种情况下，稳压电源模块的输出节点上也会摆放一定数量的储能电容。然而，储能电容的使用也带来其对射频识别标签芯片电路时序的影响，这个影响与射频识别标签芯片所进行的掉电操作有关。无源射频识别标签芯片系统区别于其他具有嵌入式微控制器(MCU)的芯片系统，其所处的状态以及在状态之间的转换过程是由一个数字逻辑电路实现的状态机（StateMachine）控制的。射频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路，其特征在于，包括：/n谐振电感、谐振电容、整流器模块、稳压电源模块、数字逻辑模块以及第一泄流单元，所述整流器模块的第一输出端通过储能电容C1接地，/n整流器模块的第二输出端通过阈值单元组连接至低通滤波器，所述低通滤波器的输出端通过两个逻辑反相器连接至稳压电源模块的输入端，所述稳压电源模块的电源端连接至整流器模块的第一输出端，其输出端通过去耦合电容C3接地，所述稳压电源模块的输出端还连接至第一泄流单元，所述第一泄流单元的控制端连接至数字逻辑模块的输出端，所述数字逻辑模块控制所述稳压电源模块的状态切换，当系统状态切换为掉电状态时，数字逻辑模块输出掉电使能信号至第一泄流单元，第一泄流单元导通将稳压电源模块输出节点上的电荷泄放至地，同时关断稳压电源模块，于是数字系统部分的电源电压下降，使得系统状态机的掉电状态切换的要求得到了满足，下一次上电复位的时候，稳压电源模块的输出电压经历一个由低到高的转变过程，复位信号可以被正常触发，而所述储能电容C1上的电荷被保留，该部分电荷用于当系统再次复位进入工作状态时，延长射频识别标签的通讯距离。/n

【技术特征摘要】
1.一种延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路，其特征在于，包括：
谐振电感、谐振电容、整流器模块、稳压电源模块、数字逻辑模块以及第一泄流单元，所述整流器模块的第一输出端通过储能电容C1接地，
整流器模块的第二输出端通过阈值单元组连接至低通滤波器，所述低通滤波器的输出端通过两个逻辑反相器连接至稳压电源模块的输入端，所述稳压电源模块的电源端连接至整流器模块的第一输出端，其输出端通过去耦合电容C3接地，所述稳压电源模块的输出端还连接至第一泄流单元，所述第一泄流单元的控制端连接至数字逻辑模块的输出端，所述数字逻辑模块控制所述稳压电源模块的状态切换，当系统状态切换为掉电状态时，数字逻辑模块输出掉电使能信号至第一泄流单元，第一泄流单元导通将稳压电源模块输出节点上的电荷泄放至地，同时关断稳压电源模块，于是数字系统部分的电源电压下降，使得系统状态机的掉电状态切换的要求得到了满足，下一次上电复位的时候，稳压电源模块的输出电压经历一个由低到高的转变过程，复位信号可以被正常触发，而所述储能电容C1上的电荷被保留，该部分电荷用于当系统再次复位进入工作状态时，延长射频识别标签的通讯距离。


2.根据权利要求1所述的延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路，其特征在于，所述阈值单元组为至少一个串联连接的二极管，或者是至少一个串联连接的P型MOS管，或者是至少一个串联连接的N型MOS管，
所述至少一个二极管中，任一二极管阴极端与相邻二极管阳极端连接形成串联结构，第一个二极管阳极端连接至整流器模块的第二输出端为所述阈值单元组的输入端，最后一个二极管阴极端连接至低通滤波器，为所述阈值单元组的输出端；
所述至少一个P型MOS管中，任一P型MOS管漏极端与相邻P型MOS管的源极端连接形成串联结构，第一个所述P型MOS管的源极连接至整流器模块的第二输出端为所述阈值单元的输入端，最后一个P型MOS管的漏极连接至低通滤波器，为所述阈值单元组的输出端,各P型MOS管的栅极均与漏极相连；
所述至少一个N型MOS管中，任一N型MOS管源极端与相邻N型MOS管的漏极端连接形成串联结构，第一个所述N型MOS管的漏极连接至整流器模块的第二输出端为所述阈值单元的输入端，最后一个N型MOS管的源极连接至低通滤波器，为所述阈值单元组的输出端,各N型MOS管的栅极均与漏极相连。


3.根据权利要求1所述的延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路，其特征在于，所述低通滤波器包括滤波电阻R1和滤波电容C2，所述滤波电阻R1一端连接至阈值单元组，另一端连接至滤波电容C2作为低通滤波器的输出端，所述滤波电容C2的另一端接地。


4.根据权利要求1所述的延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路，其特征在于，所述第一泄流单元包括第一限流电阻R2和第一泄流开关管NM1，所述第一限流电阻R2一端连接至所述稳压电源模块的输出端，其另一端连接至第一泄流开关管NM1的漏极端，所述第一泄流开关管NM1的栅极端连接至数字逻辑模块的输出端，其源极端接地。


5.根据权利要求1所述的延伸射频识别标签通讯距离的放电控制电路，其特征在于，所述低通滤波器的输出端连接至第二泄流单元，
所述第二泄流单元的控制端连接至数字逻辑模块的输出端，当稳压电源模块为上电状态时，数字逻辑模块输出上电使能信号至所述第二泄流单元，第二泄流单元断开，当稳压电源模块切换为掉电状态时，数字逻辑模块输出掉电使能信号至第二泄流单元，第二泄流单元导通将高于阈值单元组所限定的多余电荷释放掉。


6....

【专利技术属性】
技术研发人员：吴边，
申请(专利权)人：卓捷创芯科技深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44