基于低频唤醒的RFID有源电子标签设计_史胜玉.pdf

，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期作者简介：史胜玉（），男，本科，工程师，研究方向为智能硬件技术；聂琪鹤（），男，土家族，本科，高级工程师，研究方向为物联网技术；王文赫（），男，本科，高级工程师，研究方向为物联网技术；朱云良（），男，本科，工程师，研究方向为物联网技术；白鹏飞（），男，硕士，高级工程师，研究方向为芯片技术研究与管理。文章编号：（）基于低频唤醒的 有源电子标签设计史胜玉，聂琪鹤，王文赫，朱云良，白鹏飞（北京智芯微电子科技有限公司，北京 ）摘要：为了有效降低 有源电子标签应用过程中的功率损耗，提升使用寿命，设计了一种基于低频唤醒的 有源电子标签。将低频唤醒技术作为电子标签系统硬件的主要元素，采用 并联谐振电路设计理念，通过低频唤醒接收、高频收发、电源、控制、其余外设个板块组建有源电子标签硬件结构。计算电路的谐振频率与品质因子，运用 低频唤醒芯片监听固定区域频率生成的唤醒信号；使用 语言和星型拓扑下的工作流模型搭建 有源电子标签软件部分，为避免电子标签碰撞利用哈希算法确定各电子标签对应某唯一值，给标签配发输送时隙，利用得到的时隙和阅读器实现通信，完成低功耗有源电子标签设计目标。仿真结果证明，所提方法低频唤醒距离长且唤醒稳定性高，休眠功耗较低，有效延长了有源电子标签使用年限，拥有极强实用性。关键词：低频唤醒；射频识别技术；有源电子标签；星型拓扑；阅读器中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；引言射频识别技术（）为一种无接触模态下的识别方案，运用射频信号经过空间耦合传递数据，实现自主识别目标，识别流程不必通过人为操作，使用快捷简便，在智能家居、公共安全、贸易管理方面具有十分开阔的应用前景。有源电子标签自身可携带电池与不同类型的独立能源，可自主生成射频载波，激发主动通信，是一个拥有完备性能的射频通信机。但在应用过程中，对电子标签的设计与研究要全方位考虑其能耗问题，这样才能最大限度延长电子标签使用寿命。我国有源电子标签多数使用定时唤醒机制来节约电池耗电量，但此方法无法实现最优节能效果。在国外，集成电路企业也致力于研发体积小且价格低廉的 芯片，但低功耗方面的研究依旧无法满足真实应用下的最小功耗需求。本文采用低频唤醒机制，低频唤醒是利用低频信号给予外界电子标签一个终止信号，让运行的电子标签转换成休眠状态，电子标签全部电路均为休眠形态，更好地实现预期低功耗使用目标。综合以上内容，设计一种基于低频唤醒的 有源电子标签。使用低频唤醒接收、高频收发、电源等板块创建标签硬件结构，降低 系统功耗，最大化延长标签的使用 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期年限；利用星型拓扑机制建立有源电子标签软件结构，采用基于哈希算法的有源电子标签防碰撞算法，让电子标签与阅读器实现高效率通信，给用户最优的使用体验。低频唤醒下 有源电子标签硬件设计有源电子标签即主动标签，标签工作的能量由电池提供。标签没有步入工作状态时会处在休眠模式，电子标签全局系统除了主要板块之外基本不耗费电量。在标签处于阅读区域状态下，利用读写器传递的射频信号变成运行状态，这时标签内部系统在微处理器的操控下步入工作，接收来自阅读器输出的数据，完成对应的处理与阅读器通信任务，通信完毕后，标签依旧为休眠模式。本文创建的有源电子标签系统具有如下研发条件。第一，高品质处理器，终端平台内需要运行 有源电子标签系统软件与中间件，包络 读写器与其余信息采集板块的管理与安全算法的运行，因此要挑选一个具备高性能条件的处理器作为有源电子标签的主控端口；第二，储存容量高的嵌入式数据库，这样方便中间件对数据的处理与分析；第三，多类外部接口，有源电子标签系统要供应不同类型的外部支持接口，完成读写器与其余板块的物理连接。结合如上需求，将 有源电子标签硬件结构表示成图，并分别阐述系统内不同板块的技术特征。图 有源电子标签硬件结构 低频唤醒接收板块低频唤醒是一种降低电子标签系统功耗的重要技术。低频唤醒具备种模式：搜寻式低频唤醒与触发式低频唤醒。搜寻式低频唤醒的应用定理是无线主机端发起固定唤醒信号，接收端收到信号后，提取并获得地址信息段，用于评估下个动作的应用情况。搜寻式低频唤醒的射频前端与控制终端互相分离，射频前端监测唤醒信号，获得地址数据，生成唤醒信号之前会持续收到该无线端的唤醒信号，再传递至控制端实施信息处理直至终止休眠，减少电子标签系统功率损耗，过程如图所示。图搜寻式低频唤醒过程触发式低频唤醒运作模式为：在无线终端设施不运转状态下，射频芯片与核心芯片均为睡眠模式，工作时会从外部低频唤醒电路生成中断信号，启动有源电子标签系统。其工作过程如图所示。图触发式低频唤醒过程低频唤醒接收电路使用 并联谐振电路原理。并联谐振过程中，电路为纯阻性电路，所以品质因子值高于则阻抗值较高，电路谐振的阻抗计算公式为（）（）其中，表示电路谐振阻抗，为电阻，是电阻的倒数，即电导，表示电感。并联谐振电流推导解析式为 （）其中，表示电流，表示电压，表示电容，表示导电率。并联谐振电路通过电感与电容并联得到，将电路的复导纳，即端口电流相量和电压相量的比率记作：（）（）其中，表示虚部符号。并联 电路为纯电阻，电路为，导纳虚部也为，这时的阻抗为最高值。因此将低频唤醒接收电路中的并联谐振的前提条件记作式（）：（）（）将低频唤醒下的有源电子标签系统硬件电路生成的谐振频率描述成：（）低频唤醒接收电路中，描述品质因子可用电路参变量的推导式为（）掌握低频唤醒接收电路相关原理后，本文在电子标签系统中使用 低频唤醒芯片，可以监听 区域面积频率生成的唤醒信号，并将低频唤醒模块电路表示为图。芯片及其外部的并联谐振电路均位于监听空中 的无线信号，利用不同的串行外设接口完成感应通信。芯片的唤醒协议规格包含载波头、前导码、格式码、数据码。为了让有源电子标签在、三维方向上均可以被有效激活，挑选三维接收天线，并设定天线处于、方向内的特征阻抗是，方向特征阻抗是 。低频信号频率是 ，为增强电子标签系统线圈接 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期收灵敏性与标签的激活间距，要把并联谐振电路的谐振频率调整至 左右。图是并联谐振相量示意图，代表电阻导纳，是电感导纳，是电容导纳。图低频唤醒下的有源电子标签硬件电路图并联谐振电路图将驱动点导纳的推导解析式描述为（）（）（）（）（）式中，（）（）（）（）（）在 情况下，可得到：（）（）通过以上过程即可完成低频唤醒接收电路的搭建，降低有源电子标签系统能耗，极大延长电子标签电池使用寿命。控制板块全方面评估电子标签投资成本、功耗需求等要素，控制芯片使用 单片机，拥有内部资源与接口类型丰富的特征，内含活动、空闲、挂起、停机项工作状况，按照真实应用场景实现不同工况随机切换。高频收发板块有源电子标签高频部分可完成高频信息的接收与发送，本文采用 高频收发芯片，它是一个拥有低功耗频移键控调制的射频收发芯片，射频收发器拥有可编程信息传输率，最 大 能 达 到 ，工 作 频 率 区 域 范 围 是 频段，同时集合了定时器与连接管理器，完成不同形态的低功耗运作方式，电量持续下降情况下，其 功 耗 只 有 ，贴 合 低 功 耗 电 子 标 签 设 计理念。电源板块电源板块涵盖锂电池与电源芯片，锂电池经过电源芯片构成电流稳压传输至各个板块进行供电。若设备处在运行模式，静态电流可以省略不计，供电效率通过输入与输出电压之间的比率进行计算，在休眠状态下，负载电流较小，静态电流的传递效率也会逐渐变低。将线性电源运算公式记作：?（）（）其余外设板块外设板块包含储存板块、仿真调制接口与 状态指示板块。储 存 板 块 使 用 芯 片，仿 真 调 制 接 口 为 系列单片机合集中拥有线片内编程的接口，状态指示板块可以呈现出电子标签充电、低频唤醒与高频信息收发的实时情况。有源电子标签软件设计采用基于星型拓扑的工作流模型设计有源电子标签系统软件部分，如图所示。标签阅读器处于网络中心位置，在标签位于阅读器的可靠读写区域时，标签会自动与阅读器交互。软件系统设计运用时间轮转法完成阅读区与若干标签之间的信息传递。图有源电子标签软件系统工作流模型工作流运行过程如下：给目标对象安设 标签，标签内拥有目标对象的自身信息。标签处于阅读器可靠读写范围后，电 磁 波 可 以 迅 速 激 活 标 签，此 时 标 签 处 于工作形态，标签利用本身的无线单元和阅读器构建通信连接，二者之间完成信息交互，标签向阅读器提供自身具备的所有信息，然后步入休眠状态，等候下一阶段的通信连接。阅读器把数据传递至个人计算机等待处理。有源电子标签软件使用语言编辑，标签和读卡器之间的数据交互使用固定的通信协议。图为标签和阅读器之间的通信过程。图标签和阅读器间的通信过程为优化电子标签与阅读器之间的通信速率，设计一种基于哈希算法的有源电子标签防碰撞算法。设置电子标签和阅读器通信一个需要的时间均值是，电子标签数量总和是，电子标签时间延迟是 ，阅读器识别全部标签的耗时为。算法根本思路为：提取每个标签内相对的 数据，利用哈希算法把全部电子标签 数据映射至的哈希表中，让各个电子标签依次对应于表内某个唯一值；运用电子标签与哈希表内地址的相对关联，给每个标签配发一个输送时隙，同步阅读器传输命令与电子标签的发送时间，每个 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期标签就能根据分配到的时隙，将当作一个周期，利用得到的时隙和阅读器完成通信，防止不同标签和读写器通信过程中产生碰撞。将电子标签与阅读器的通信周期描述成：（）哈希算法的核心思想是采用除留余数法，每个电子标签把自身的 数据除以标签总值后获得一个余数，同时评估的实时状态。如果没有被其余标签使用，那么就是该电子标签的哈希地址；如果已被使用，那么在的基础上加之后再评判是否被占用。如此循环直至探寻一个唯一的值当作电子标签哈希地址。在明确的流程中，倘若，把值加再进行评估。防碰撞算法如图所示，将其定义为如下过程：第一，每个电子标签按照哈希算法与标签的 数据获得哈希函数映射表内的方位信息；第二，电子标签凭借哈希表内的方位推算延迟传输时间 ，（）；第三，全部标签处于接收形态，等候阅读器传递启动指令，收到指令后，每个标签将看作一个周期，在延迟传输时间 的基础上和阅读器完成通信；第四，每个标签和阅读器通信完毕后步入休眠形态，等候下一阶段的发送周期。图防碰撞算法计算过程实验结果与分析对所提方法进行仿真实验分析，以此表明其有效性。实验环境采用 为 ，内存的 操作系统，仿真平台为 软件。随机抽取本文方法下的个 有源电子标签，检验其低频唤醒距离、高频信息收 发 距 离 与 休 眠 状 态 下 的 功 耗，检 测 结 果 如 表 所示。在日常应用中，有源电子标签低频唤醒距离通常在左右，高频信息收发距离为。从表数据可知，本文设计得到的有源电子标签低频唤醒距离能够平稳到达以上，高频信息收发传输距离能维持在 以上，符合有源电子标签日常使用需求。与此同时，电子标签处于休眠情况下的功耗电流低于，可以最大限度节约电池电量损耗，证明本文方法的有源电子标签软硬件设计合理，完成了预期标签设计需求。表 有源电子标签检测结果编码空旷低频唤醒最高距离高频收发最高距离休眠时功耗电流电子标签 电子标签 电子标签 电子标签 电子标签 电子标签 电子标签 电子标签 电子标签 本文方法最核心的特征就是能在标签与阅读器通信结束后，以最快的速度进入休眠状态。为进一步验证本文电子标签设计优越性，以标签休眠时间为例，对所提方法电子标签的使用年限进行具体分析。假设标签一次休眠 时长 是，休眠电流是，一次标签激活时长是，激活过程中的电流均值 是，将 标 签 单 次休眠唤醒周 期 的 电 流 均 值 表示成：（）处于低频唤醒模式，且电池无漏电的状态下，以本文方法中容量 电池为例，将使用年限和一次休眠时长的关联如图所示。从图可知，伴随一次休眠时间的提升，电池使用年限逐步增多，证明标签功耗和标签一次休眠时长具有直接关联。本文方法使用基于星型拓扑的工作流模型来设计标签的软件部分，标签与阅读器完成信息交互后，迅速步入休眠状态，由此看出本文方法在实际操作方面具有相当的实