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串行接口的FRAM RFID LSI概述

作者:不详 来源:论文网 2011-09-27 10:29:09

摘要:到目前为止,富士通半导体已经开发出了高频段(13.6MHz)和超高频段(860 MHz到960 MHz)RFID LSI产品。这些产品最重要的特点就是它们内嵌FRAM。由于擦写速度快、耐擦写次数高,它们已经作为数据载体型被动RFID LSI而被全世界广泛采用。

关键词:串行接口[0篇]  RFID[1139篇]  超高频[39篇]  

  铁电随机存储器(FRAM) RFID由于存储容量大、擦写速度快一直被用作数据载体标签。内置的串行接口可将传感器与RFID连接在一起,从而丰富了RFID应用。铁电存储器(FRAM)产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。FRAM产品包括各种接口和多种密度,像工业标准的串行和并行接口,工业标准的封装类型。
 
  FRAM 概述

  作为行业中最大的铁电随机存储器(Ferroelectric Random Access Memory)供应商,富士通公司早在1998年就将铁电随机存储器结合到微处理器中,并在1999年推出批量产品,均为行业之最。新一代的非易失性铁电随机存储器在性能上超过现有的存储器,比如电可擦除只读存储器(EEPROM)、电池后备供电静态读写存储器(BBSRAM)。铁电随机存储器耗电更少,对于多次读写运算具有更高的耐受性。这一突破性存储介质正在各种应用中使用,包括智能卡、无线射频识别(RFID)和安全应用。

  铁电随机存储器属于非易失性存储器,但在其它各方面则类似于随机存储器。因此,和其它类型的非易失性存储器相比(如电可擦除只读存储器和闪存),它的特点是写入速度更快,擦写次数更多,同时耗电少。

  到目前为止,富士通半导体已经开发出了高频段(13.6MHz)和超高频段(860 MHz到960 MHz)RFID LSI产品。这些产品最重要的特点就是它们内嵌FRAM。由于擦写速度快、耐擦写次数高,它们已经作为数据载体型被动RFID LSI而被全世界广泛采用。

  富士通开发的 RFID 专用芯片,在原有 13.56MHz 的 HF 频带的基础上,又增 加 了 860 ~ 960MHz 的 UHF 频 带 产品。其最大的特点就是配备了铁电随机存储器FRAM(Ferroelectric RandomAccess Memory),从而灵活运用其高速写入、可多次擦写等特性,作为大容量数据载体型无源 RFID 专用芯片,在国 内外得以广泛应用。

  大存储数据载体的优势就是RFID可以记录可追溯数据,如制造数据、生产数据、物流数据、维护数据等,因此它可用于各种资产、产品和零部件的管理。由于大存储数据载体具有这些优势,人们希望进一步利用FRAM RFID来连接传感器等设备。

  LSI公司是创新芯片、系统和软件技术的领先供应商,采用LSI技术的产品可以使消费者与信息及数码内容之间无缝的融合。公司在众多领域提供产品和服务,包括定制和标准芯片、适配器、系统和软件。我们的产品已经获得众多世界级知名品牌的信任,为存储和网络市场提供了许多领先的解决方案。

  为了供应市场上的需求,我们开发出了一种带有串行接口的技术;超高频段RIFD LSI上的串行外围接口(SPI)。此次,富士通从此种市场需求入手,开发出了在 UHF 频带 RFID 专用芯片中配置串行接口SPI的技术。

  FRAM FRID LSI的附加值

  FRAM是一种非易失性存储器,使用铁电材料作为数据载体,结合了随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的优势。作为用在RFID中的非易失性存储器,电擦除可编程只读存储器(E2PROM)已经得到广泛应用,但是当数据被写入时,E2PROM需要内部升压电压,因为数据存储的原则就是要看是否带有电子电荷,所以它的写入速度非常慢(需要数毫秒),耐擦写次数也仅限于10万次。因此,大部分基于E2PROM的RFID LSI都是小存储容量产品,只适合读,不适合写。
 
  相比较而言,FRAM在写和读方面的性能一样好,因为二者的原则一样。FRAM本身的擦写速度是100纳秒,耐读/写次数是100亿次。这就是FRAM RFID为什么可以作为数据载体提供大存储容量的原因。

  存储容量大、擦写速度快的RFID的最重要的优势在于,它可以在自己的存储器上记录数据,由此可以将数据处理方式从集中数据管理转变为分散数据管理。传统的E2PROM RFID在很多情况下都采用集中管理的方式,在这种模式下,数据存在了服务器端,需要与标签本身的ID相关联。而FRAM RFID可以实现分散数据管理,数据可以存在标签上,由此减轻了服务器的载荷。这种方式尤其适合工厂自动化(FA)和维修领域中的生产历史管理。在工厂自动化领域中,有数百个流程都需要经常写入数据;在维修领域中,现场数据确认时也需要经常写入数据,如维修历史、零部件信息等,这样就不需要询问数据服务器。

  FRAM的另一个主要特点,就是在防辐射方面明显优于E2PROM。例如,在医疗设备和包装、食品或者亚麻布的伽玛射线灭菌过程中,存在E2PROM中的数据会受到放射线的严重影响,因为它的数据存储采用的是电子电荷。而存在FRAM中的数据在高达45kGy的放射水平下仍然不会受到影响。

  RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签, 操作快捷方便。基本的RFID系统由标签(Tag)、阅读器(Reader)、天线(Antenna)。RFID技术有着广阔的应用前景,物流仓储、零售、制造业、医疗等领域都是RFID的潜在应用领域,另外,RFID由于其快速读取与难以伪造的特性,一些国家正在开展的电子护照项目都采用了RFID技术。

  在RFID LSI上内置串行接口

  FRAM RFID LSI上已经内置了串行接口,为作为数据载体的RFID提供了额外的功能。这种配置的主要特点就是,对于同一个FRAM存储区来说,既可以从串行接口进入,也可以从RF接口进入。

  通过串行接口与微控制器(以下将“微控制器”简称为“MCU”)相连后,FRAM可以作为MCU的外部存储,并通过RF接口进入。因此,RFID阅读器就可以阅读MCU写过的存储数据,而对于MCU来说,就可以阅读参数数据,如通过RF接口编写的运行环境。

  例如,我们可以假设传感器与MCU相连,那么就可以将RFID看作是一种传感器标签。在这种情况下,MCU会定期监测传感器数据,然后写入FRAM存储器,过段时间后,就可以通过RF接口读取所收集的可追溯数据。同时,也可将RFID看作MCU的参数存储器。在这种情况下,MCU就是存在指定存储区的一些参数,存储区中的数据可以通过RF接口改写,然后MCU就会改变间隔获取传感器数据,或者更改闪光灯的条件进行告知。就RFID和传感器之间的结合而言,有源标签也是个众所周知的解决方案。但是有源标签只是一种单向通讯模式,它没有可供RF阅读器日后读取数据的存储器。因此有源标签不能作为数据载体记录可追溯数据。

  实际应用可能包括对工厂设备状态的监测,比如压力、流量等,或者游戏机、医疗设备等的历史数据记录。就目前掌握的信息来看,这些应用中,有些通过现有的技术(如非接触式智能卡)就已经达到了应用要求,有些采用了我们的技术后在存储容量、传输速度等方面还没达到要求。

  但是我们希望通过这一技术能发现RFID新的用途和应用,并能将该技术做进一步的测试,从而实现更多构想。

  探讨有关串行接口使用的问题

  从客户的反馈来看,我们认识到还需要对串行接口连接的使用问题进行进一步的探讨。其中的一个问题与电池有关,另一个就是通信距离。

  RF数据传输是通过被动通信模式建立起来的,这就意味着电源由阅读器或写入器提供。这样的话,串行数据传输就需要额外的电池。电池问题是有源标签中的普遍问题,我们的技术在实际应用中有时被误解为有源标签。但不管怎样,电池寿命是需要考虑的问题。

  从这一点上来看,串行接口的功能最适合于机器或仪器中的嵌入式应用,因为这些应用中总是能提供稳定的电源。但是,如果标签被牢固地安装和依附在一些可移动的资产或者物体上,电池管理就会成为问题,因为电池寿命结束时无法对电池进行更换。

  因此,根据使用环境评估电池寿命显得尤为重要,可以考虑一些充电设备,比如充电电池,或者利用一些能源发电的电池。如果在RF通信过程中能够充电,在理论上应该是不错的选择,但是却不实用,因为通信距离会受到严重破坏。

  关于通信距离,众所周知,阻抗匹配对于超高频段至关重要,因为它决定了通信性能。因此必须考虑到,匹配阻抗会因为通过串行接口连接各种LSI和器件,或者因为安装在电路板上,而受到严重影响。从上述情况来看,如果使用串行接口,与传统的RFID标签相比,天线设计可能会越来越复杂。

  未来发展形式


  由于RFID代表射频识别(RADIo Frequency IDentification),RFID起初被用作可由RFID阅读器读取的ID存储。富士通半导体将FRAM用在了RFID上,由于FRAM擦写速度快、耐擦写次数高而实现了大容量存储的数据载体标签。如今,内置串行接口的RFID增加了一项新功能,即时标签不在RF区域,也可通过MCU从传感器等设备上记录可追溯数据,并可在日后通过RF读取数据。

  后续发展工作

  所谓 RFID,究其根本,顾名思义,就是可以利用 RF 读取的ID。存储器使用大容量的 FRAM,则 RFID 可作为数据载体频繁进行写入;本篇所介绍的芯片 配置了串行接口,为 RFID 带来了新的 应用。即 RFID 能够通过 MCU 与传感器等进行连接,从而在无读写器的环境下,也能实现数据的管理,并利用 RF 读出其历史记录。虽然这在技术上是可行的,但是在实用性上还存在着很多问题。因此,该芯片可用作评估 RFID 新应用的样片,今后,希望通过客户的使用和我们自己的评估,逐步完善芯片的性能,从而发现新的可能性。在与客户进行评估和探讨的过程中,我们将改进LSI的规格的问题。此外,此外,与 RFID 相连的 MCU 也已形成产品线,请在使用过程中一并给以评估。

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