自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法和电路技术

本发明专利技术属于射频识别技术领域，具体是指一种自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法和电路。本申请针对射频识别标签芯片产品所面临的统计漂移和温度漂移对谐振性能的影响提出了一个完整的校准补偿技术，对统计漂移的自动补偿使得射频识别标签成品加工工序中省掉了一个用专门设备进行校准的工序，极大地提高了生产效率和成品率。本申请还包含谐振电路温度漂移的自动补偿技术，用多种不同的实施方案针对不同精细化逻辑控制要求的产品，从根本上解决了温度漂移对谐振频率的影响。本申请提出的上电复位后的频率校准流程明确地提出了实施统计漂移和温度漂移补偿的控制步骤，其指导思想可以延伸为低功耗无线通讯领域的更具一般性的电路补偿技术。一般性的电路补偿技术。一般性的电路补偿技术。

【技术实现步骤摘要】
自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法和电路


[0001]本专利技术属于射频识别
，具体是指一种应用于无源被动式射频识别标签（RFID）谐振电路的谐振频率因统计因素和温度因素而存在的漂移进行自动化校准补偿的方法，及实现所述方法的电路。

技术介绍

[0002]射频识别技术是物联网领域最底层的核心硬件技术之一，采用集成半导体制造工艺将射频识别技术以集成电路的形式制成的射频识别标签芯片是这一领域的核心技术所关注的基础部件。将射频识别标签芯片进行某种形式的封装，并与若干外围器件连线，即组成了射频识别标签核心电路系统；用塑封工艺或者玻璃封装工艺将该核心电路系统进行密封封装，可制成适用于多种应用场合的射频识别标签成品。射频识别标签成品在物流管理，物品监控等主要的应用领域中的作用以应答为主，其应答的内容可以简单到报送出标签自身的ID号码以供数据录入和追踪之用，也可以包括一些高级应用，比如对标签成品进行读写操作，把用户数据写入该成品标签等等。其中，被写入的数据被存放在标签芯片内置的非挥发性NVM(Non
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Volatile Memory)存储器单元中，比如OTP (One
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Time Programmable)，MTP (Multiple
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Time Programmable)或者EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read
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Only Memory)等存储单元。
[0003]被动式射频识别标签是没有外接电源或者电池供电的标签产品，因为其制造成本和维护成本较低而在市场应用中更具有适合推广的价值。被动式无源射频识别标签的电能来源是靠与射频识别芯片连接的外围电感线圈耦合周围的磁场能量，并产生谐振，形成在线圈中的交流电流，即所谓的法拉第电磁感应原理。由于感应获得的能量是十分有限的，所以对于不同规格的存储器的读写操作也有不同程度的限制；对于芯片设计来说，这种限制成为微电子学领域低功耗系统设计的挑战。
[0004]通常，被动式无源射频识别的通讯过程是由标签读写设备的磁感应线圈首先发出某特定频率的电磁场能量，而作为与外部世界的连接端口，被动式无源射频识别标签的外接电感线圈能够耦合周围的电磁场能量，并与芯片内部所连接的端口上的电容组成LC谐振电路，将磁场能量转换为谐振电路中的交流电能，经过整流之后变成直流电流，从而对芯片供电。被动式无源射频识别标签的主要性能指标是其通讯距离，即射频识别标签在距离读写设备的远端还能进行可靠的上行和下行传输；能够保证上行和下行通讯的距离越远，其性能越高，这也是业界中产品竞争的焦点所在。
[0005]为了得到较远的通讯距离，被动式无源射频识别标签芯片本身需要做到很小的功率消耗，即其工作时所需要的电能尽可能的小。这涉及到一系列的低功耗通讯电路设计议题，不在本申请所阐述的问题范围内，此处不做展开论述。在满足同等功率消耗的条件下，被动式无源射频识别标签芯片上由电感线圈和内置电容所组成的谐振电路的能量收集和耦合效率，成为改善无源射频识别标签芯片通讯距离的关键。
[0006]ISO11784/11785动物射频识别国际标准定义了一种以半双工通讯技术为主体的
半双工射频识别技术标准。在这种技术标准中，射频识别标签芯片进行从标签到读写设备的上行传输中采用了频移键控的技术（Frequency Shift Keying, 即FSK）。其中，谐振频率直接由谐振电路中的电感感值和电容容值决定，而与读写器设备下发的射频场频率无关，因为根据ISO11784/11785动物射频识别技术标准，在上行传输时，读写器设备处于关断状态，故名“半双工”。在频移键控技术中，数据“1”和“0”分别由两个不同的频率来代表，而这两个不同的频率正是由射频识别标签谐振电路里面的电容阵列开关切换而做到的。所以电容容值的准确性，也就是频率的准确性会直接影响频移键控的通讯性能。
[0007]众所周知，通常的被动式无源射频识别标签的谐振电路是一个由电感和电容组成的LC谐振电路。电感值和电容值必须满足：谐振电路才会有较高的耦合程度，即获取较高的能量，其中，f0为被耦合的外部输入的载波谐振频率，L为电感线圈的电感值，C为内置谐振电容的电容值。对于处于低频频段的无源射频识别标签来说，比如ISO11784/11785动物射频识别国际标准中规定的低频谐振频率为134.25KHz，由于电感感值和电容容值都必须达到相对较大的数值而不可能完全集成在芯片内部，特别是电感数值远远超出了集成电路芯片中的电感器件所能达到的范围，其谐振电感线圈必须是在芯片外置的。在小尺寸的玻璃管射频识别标签封装工艺中，往往采用由铁氧体材料构成的磁芯作为外部线圈绕线的核心，依靠磁芯的高磁导率来提升电感品质因素，从而提升谐振耦合的性能，在某些情况下，为了节省芯片的制造成本，部分的谐振电容也会放置在芯片之外，于是整个谐振电路的谐振电容就由芯片外部的分立电容元件和芯片内部的电容相加而成。
[0008]在大规模批量生产被动式无源射频识别标签的生产实践中，因为外部电感的感值或者电容的容值随着该分立元件生产批次的变化呈现一定的统计规律，比如高斯分布等，同时所采取的磁芯也会有制造工艺上的偏差而导致磁导率也呈现一定的统计分布，这些参数的漂移都可以被归为同一类并称为统计漂移。上述参数的统计漂移造成了无源射频标签谐振电路中心频率的漂移。如图1所示的谐振幅度与频率的关系曲线，I0为谐振幅度的最大值，对应于最佳谐振频率f0；而0.707倍的I0为谐振幅度达到最大幅度的
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3dB,即功率达到最佳谐振功率的50%，分别对应于频率轴上小于和大于最佳谐振频率f0的两个频率点f
L
和f
H
;从图1中谐振波形幅度随着频率变化的曲线可以看出，当电感和电容所构成的谐振电路频率与其达到最佳谐振的数值有偏差的时候，谐振电路的耦合效率大幅度的降低，使得被动式无源射频识别标签无法达到最佳的谐振幅度，从而造成标签成品因为通讯距离不够而良率降低。所以，谐振电路设计的首要要素就是保证外部分立的电感和电容可以达到产生最佳谐振幅度f0的数值。
[0009]为了解决上述统计漂移的问题，在芯片设计中大都采用将部分的谐振电容根据谐振电路外部器件偏差的大小而接入或者不接入的方法。其具体做法是由芯片内部一组MOS晶体管组成的开关分别与可调整的内部谐振电容进行串联连接，当系统决定将该电容接入时，MOS开关连通闭合，该电容与其他谐振电容形成并联连接的关系，于是其容值被加到谐振电容上，如图2所示。
[0010]现有技术的做法会带来两个新的问题，分别阐述如下。
[0011]第一，由于我们关注的射频识别标签芯片是无源的，其所有能量来源均来自于通过谐振而耦合得来的场能量；只有当场能量足够大的时候，才会触发芯片系统的上电复位信号，在上电复位信号激活之后，芯片内部的数字逻辑电路才会进入正常的工作状态，进而控制逻辑信号才会分辨出具有电学意义的高电平电压或者低电平电压，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法，其特征在于，所述方法包括的流程为：S0,无源射频识别标签系统上电并复位之后,首先检查在预设的非挥发性内存地址中是否已经存在补偿码，如果没有补偿码，那么无源射频识别标签系统进入谐振频率的统计漂移补偿流程，所述统计漂移补偿流程结束后，无源射频识别标签系统结束自动谐振频率补偿流程，进入正常启动状态;如果已经存在补偿码且补偿码无需更新，则无源射频识别标签系统结束自动谐振频率补偿流程，进入正常启动状态；如果已经存在补偿码且补偿码需要更新，则判断是否需要进行统计漂移补偿，如果需要，则无源射频识别标签系统进入谐振频率的统计漂移补偿流程直至结束；S1,所述统计漂移补偿流程为对可调电容阵列进行控制，将可调电容阵列中接入谐振电路的电容个数进行调整，以获得改进的谐振效果，并将此状态下电容阵列开关的状态数值，即第一补偿码，写入非挥发性内存单元，并就此结束统计漂移补偿流程。2.根据权利要求1所述的自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法，其特征在于，所述自动谐振频率补偿流程中，当判断不需要进行统计漂移补偿时，则无源射频识别标签系统进入温度漂移补偿流程，所述温度漂移补偿流程为对可调电容阵列中接入谐振电路的电容个数进行控制和调整，以使得谐振幅度在温度变化的条件下仍能达到最大，温度漂移补偿结束之后，无源射频识别标签系统将此状态下电容阵列开关的状态数值，即第二补偿码，写入非挥发性内存单元，并就此结束温度漂移补偿流程。3.根据权利要求2所述的自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法，其特征在于，所述温度漂移补偿流程结束之后，无源射频识别标签系统根据其工作的环境而选择性地将补偿码写入非挥发性内存单元，即，若射频识别标签工作在温度相对恒定的环境内时，则写入非挥发性内存单元的补偿码为第二补偿码；若无法保证下一次射频识别标签被激活时的温度与现时做温度漂移补偿的环境温度一致，则写入的仅为第一补偿码。4.根据权利要求1所述的自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法，其特征在于，所述统计漂移补偿流程生成第一补偿码的方法为：无源射频识别标签系统产生初始补偿码控制电容阵列开关的导通或者关断，并启动统计漂移补偿流程；在所述流程中采用峰值检测电路提取该状态下谐振电路的谐振幅度值，经过模拟
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数字转换器的转换，得到一个代表其谐振幅度的数字代码，即统计漂移补偿流程中的第一峰值码，将所述第一峰值码暂存寄存器中，然后所述统计漂移补偿流程在数学上形成了一个以所述第一峰值码为目标函数，以补偿码为自变量的优化流程；逻辑控制模块得到所述第一峰值码后，通过优化算法进行自变量的搜索，以搜索到的自变量组取值，即新的补偿码，驱动可调电容阵列中的开关控制信号控制电容阵列开关的导通或者关断，并且测量当前开关信号设置条件下的谐振幅度幅值，得到新的第一峰值码，搜索算法根据新得到的第一峰值码再次进行搜索调整，从而再次得到一个新的峰值码和新的补偿码，如此循环反复的搜索直至该补偿过程满足一个收敛条件而收敛至谐振幅度达到最大的一种电容阵列开关组合, 此状态下的补偿码即为统计漂移补偿流程生成的第一补偿码，将所述第一补偿码写入非挥发性内存，并就此结束统计漂移补偿流程。5.根据权利要求4所述的自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法，其特征在于，所述统计漂移补偿流程受收敛控制信号的控制，所述收敛控制信号在补偿结果满足收敛条
件后停止统计漂移补偿的操作，所述收敛控制信号的收敛条件包括但不限于连续两次或若干次的峰值码相差在允许的范围内，或者是连续两次或若干次的补偿码相差在允许的范围内，或者是统计漂移补偿的次数达到预设次数。6.根据权利要求2所述的自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法，其特征在于，所述温度漂移补偿流程生成第二补偿码的方法为：无源射频识别标签系统以业已存在的补偿码控制电容阵列开关的导通或者关断，启动温度检测与控制电路工作，得到与绝对温度成正比例关系的PTAT电压，所述PTAT电压经过模拟
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数字转换器的转换得到PTAT码，所述PTAT码输入到数字逻辑模块中进行处理，数字逻辑模块由所述PTAT码查表得到温度漂移补偿流程中的第二补偿码，以所述第二补偿码对可调电容阵列中的开关进行导通或者关断的控制，从而改变了电容阵列中接入谐振电路的电容个数和总体谐振电容值，得到一个在该温度下被改进的谐振幅度，将所述第二补偿码写入非挥发性内存，并就此结束温度漂移补偿流程。7.根据权利要求2所述的自动补偿RFID谐振频率统计和温度漂移的方法，其特征在于，所述温度漂移补偿流程生成第二补偿码的方法为：无源射频识别标签系统以业已存在的补偿码控制电容阵列开关的导通或者关断，启动温度检测与控制电路工作，得到与绝对温度成正比例关系的PTAT电压，所述PTAT电压经过一个N路并行处理结构的转换而得到PTAT码，所述PTAT码输入到数字逻辑模块中进行处理，数字逻辑模块由所述PTAT码查表得到温度漂移补偿流程中的第二补偿码，以所述第二补偿码对可调电容阵列中的开关进行导通或者关断的控制，从而改变了电容阵列中接入谐振电路的电容个数和总体谐振电容值，得到一个在该温度下被改进的谐振幅度，将所述第二补...

【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：