RFID電子標簽芯片大揭秘
電子標簽芯片對接收的信號進行解調、解碼等各種處理,并對標簽需要返回的信號進行編碼、調制等處理。電子標簽的芯片很小,厚度一般不超過0.35 mm。
1. 芯片組成
不同頻段電子標簽芯片的結構基本類似,如圖5-9所示,一般包含射頻前端/模擬前端、CPU或邏輯控制單元、存儲器等模塊。射頻前端主要用于對射頻信號進行整流和反向調制;CPU主要用于對數字信號進行編/解碼及防碰撞協議的處理等;存儲器用于信息存儲,包含RAM、EEPROM等。
射頻前端從標簽天線吸收電流,在整流穩壓處理后作為電源供給芯片工作。射頻前端的設計必須綜合考慮本身與天線的匹配問題、功率和電壓的效率問題,以及對來自讀寫器的不同數據調制的兼容性問題。為了增加標簽的有效工作距離,可以提升輸入的電流電壓。
微處理器用來進行對數字信號的處理和運算,如對存儲器的讀寫操作等。程序模塊是以代碼的形式寫入ROM的,并在芯片生產階段已寫入芯片之中。對于基帶信號的編碼(數字調制),常用的編碼方法有以下幾種:NRZ(反向不歸零)編碼、曼徹斯特(Manchester)編碼、單極歸零制(Unipolar)編碼、密勒(Miller)編碼等。
標簽與讀寫器之間的數據是以0、1兩種狀態出現的,以電脈沖信號呈現的方波形式表示,其所占據的頻帶為直流或低頻,稱為基帶信號,接觸式IC卡傳輸的就是這種信號。在電子標簽中,數字基帶信號必須經過高頻信號調制才能傳輸,該高頻信號稱之為載波。在發送端,將基帶數字信號轉換成高頻信號的過程稱為調制。在接收端,將高頻信號轉換成基帶數字信號的過程稱為解調。實現數據傳輸的電路稱為射頻接口。
2. 電子標簽芯片的射頻前端
射頻前端通常屬于電子標簽芯片的一部分,連接電子標簽天線與芯片數字電路部分。芯片中邏輯控制單元傳出的數據只有經過射頻前端的調制以后,才能加載到天線上,成為天線可以傳輸的射頻信號;解調單元負責將經過調制的信號加以解調,獲得最初的信號;電壓調節單元主要用來將從讀寫器接收過來的射頻信號轉化為電源,通過穩壓電路確保穩定的電源供應。
射頻接口部分主要由接收部分、發送部分和公共電路部分組成。
(1)接收部分。接收部分的主要功能是將天線上接收到的幅度調制信號進行解調,從中恢復出數字基帶信號,再送到控制部分進行解碼處理。接收部分主要由包絡產生電路和檢波電路組成。包絡產生電路的主要功能是對高頻信號進行包絡檢波,把信號從頻帶搬移到基帶,包絡產生電路主要由非線性元件和低通濾波器組成。檢波電路主要由帶通濾波器和電壓比較器組成。經過包絡檢波后,信號一般還會存在高頻成分,所以還需進行帶通濾波,把載波徹底濾除,使信號曲線變得“光滑”,然后濾波后的信號再通過電壓比較器,從而恢復原來的數字信號。
(2)發送部分。發送部分的主要功能是將經控制部分處理后的數字編碼信號進行ASK幅度調制,放大后送到天線端,然后發送給讀寫器。它主要由ASK調制電路和放大器組成。
當電子標簽向讀寫設備傳輸信息時,其編/解碼電路將編碼后的數據送到射頻接口,調制電路進而對其進行ASK調制。ASK的反向調制采用負載調制,即通過改變天線負載的大小來改變發送信號幅度的強弱,將數字信號接入一個非線性元件電路,其高低電平的交替變化可以控制并聯負載在電路中的接通或斷開,從而改變天線負載的大小對編碼數據進行幅度調制。但由于調制好的ASK信號功率較小,不能滿足傳輸要求,所以要對ASK信號進行功率放大后再送到天線發射端發給讀寫器。
(3)公共電路部分。公共電路部分包括電源產生電路、限幅電路及復位電路等。
由于天線兩端從射頻場中感應到的是一個交變的信號(交變電壓源),故需要一個整流濾波電路將其轉化為直流電源。由于電子標簽內電路除了要求電源電壓是直流源之外,還要求工作電壓必須不能高過MOS管、三極管等器件的擊穿電壓,否則會導致器件損壞。單靠整流濾波電路不能使天線兩端的電壓變為符合要求的電壓值,因此需要引入限幅模塊。
復位信號產生電路的功能分為兩種:上電復位和下電復位。首先,要為電壓設置一個參考值,這個值一般為電路穩定工作的電壓值,當電源電壓升高時,若仍小于參考值,則復位信號仍然為低電平;若電源電壓升高至大于參考值,復位信號則跳變為高電平。這就是上電復位信號,它為數字部分電路設置了初始值,從而避免出現邏輯混亂,同時它還可以給整個系統一個穩定的時間,保證天線兩端耦合到的能量已達到相對穩定。當電源電壓降低時,若大于參考值,則復位信號為高;若降低至小于參考值,則電源信號跳變為低,這就是下電復位信號,它是針對系統中可能出現的意外情況(如操作時突然掉電)而采取的保護措施。