帶有串行接口的FRAM RFID LSI

鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FRAM) RFID由于存儲(chǔ)容量大、擦寫速度快一直被用作數(shù)據(jù)載體標(biāo)簽。內(nèi)置的串行接口可將傳感器與RFID連接在一起，從而豐富了RFID應(yīng)用。

概述

到目前為止，富士通半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了高頻段(13.6MHz)和超高頻段(860 MHz到960 MHz)RFID LSI產(chǎn)品。這些產(chǎn)品最重要的特點(diǎn)就是它們內(nèi)嵌FRAM。由于擦寫速度快、耐擦寫次數(shù)高，它們已經(jīng)作為數(shù)據(jù)載體型被動(dòng)RFID LSI而被全世界廣泛采用。

大存儲(chǔ)數(shù)據(jù)載體的優(yōu)勢(shì)就是RFID可以記錄可追溯數(shù)據(jù)，如制造數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等，因此它可用于各種資產(chǎn)、產(chǎn)品和零部件的管理。由于大存儲(chǔ)數(shù)據(jù)載體具有這些優(yōu)勢(shì)，人們希望進(jìn)一步利用FRAM RFID來(lái)連接傳感器等設(shè)備。

基于這些市場(chǎng)需求，我們開(kāi)發(fā)出了一種帶有串行接口的技術(shù);超高頻段RIFD LSI上的串行外圍接口(SPI)。

FRAM FRID LSI的附加值

FRAM是一種非易失性存儲(chǔ)器，使用鐵電材料作為數(shù)據(jù)載體，結(jié)合了隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)的優(yōu)勢(shì)。作為用在RFID中的非易失性存儲(chǔ)器，電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入時(shí)，E2PROM需要內(nèi)部升壓電壓，因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)的原則就是要看是否帶有電子電荷，所以它的寫入速度非常慢(需要數(shù)毫秒)，耐擦寫次數(shù)也僅限于10萬(wàn)次。因此，大部分基于E2PROM的RFID LSI都是小存儲(chǔ)容量產(chǎn)品，只適合讀，不適合寫。

相比較而言，F(xiàn)RAM在寫和讀方面的性能一樣好，因?yàn)槎叩脑瓌t一樣。FRAM本身的擦寫速度是100納秒，耐讀/寫次數(shù)是100億次。這就是FRAM RFID為什么可以作為數(shù)據(jù)載體提供大存儲(chǔ)容量的原因。

存儲(chǔ)容量大、擦寫速度快的RFID的最重要的優(yōu)勢(shì)在于，它可以在自己的存儲(chǔ)器上記錄數(shù)據(jù)，由此可以將數(shù)據(jù)處理方式從集中數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚?shù)據(jù)管理。傳統(tǒng)的E2PROM RFID在很多情況下都采用集中管理的方式，在這種模式下，數(shù)據(jù)存在了服務(wù)器端，需要與標(biāo)簽本身的ID相關(guān)聯(lián)。而FRAM RFID可以實(shí)現(xiàn)分散數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)可以存在標(biāo)簽上，由此減輕了服務(wù)器的載荷。這種方式尤其適合工廠自動(dòng)化(FA)和維修領(lǐng)域中的生產(chǎn)歷史管理。在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域中，有數(shù)百個(gè)流程都需要經(jīng)常寫入數(shù)據(jù);在維修領(lǐng)域中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)確認(rèn)時(shí)也需要經(jīng)常寫入數(shù)據(jù)，如維修歷史、零部件信息等，這樣就不需要詢問(wèn)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

FRAM的另一個(gè)主要特點(diǎn)，就是在防輻射方面明顯優(yōu)于E2PROM。例如，在醫(yī)療設(shè)備和包裝、食品或者亞麻布的伽瑪射線滅菌過(guò)程中，存在 E2PROM中的數(shù)據(jù)會(huì)受到放射線的嚴(yán)重影響，因?yàn)樗臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)采用的是電子電荷。而存在FRAM中的數(shù)據(jù)在高達(dá)45kGy的放射水平下仍然不會(huì)受到影響。

在RFID LSI上內(nèi)置串行接口

FRAM RFID LSI上已經(jīng)內(nèi)置了串行接口，為作為數(shù)據(jù)載體的RFID提供了額外的功能。這種配置的主要特點(diǎn)就是，對(duì)于同一個(gè)FRAM存儲(chǔ)區(qū)來(lái)說(shuō)，既可以從串行接口進(jìn)入，也可以從RF接口進(jìn)入。

通過(guò)串行接口與微控制器(以下將“微控制器”簡(jiǎn)稱為“MCU”)相連后，F(xiàn)RAM可以作為MCU的外部存儲(chǔ)，并通過(guò)RF接口進(jìn)入。因此，RFID閱讀器就可以閱讀MCU寫過(guò)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)，就可以閱讀參數(shù)數(shù)據(jù)，如通過(guò)RF接口編寫的運(yùn)行環(huán)境。

例如，我們可以假設(shè)傳感器與MCU相連，那么就可以將RFID看作是一種傳感器標(biāo)簽。在這種情況下，MCU會(huì)定期監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，然后寫入 FRAM存儲(chǔ)器，過(guò)段時(shí)間后，就可以通過(guò)RF接口讀取所收集的可追溯數(shù)據(jù)。同時(shí)，也可將RFID看作MCU的參數(shù)存儲(chǔ)器。在這種情況下，MCU就是存在指定存儲(chǔ)區(qū)的一些參數(shù)，存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)RF接口改寫，然后MCU就會(huì)改變間隔獲取傳感器數(shù)據(jù)，或者更改閃光燈的條件進(jìn)行告知。就RFID和傳感器之間的結(jié)合而言，有源標(biāo)簽也是個(gè)眾所周知的解決方案。但是有源標(biāo)簽只是一種單向通訊模式，它沒(méi)有可供RF閱讀器日后讀取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。因此有源標(biāo)簽不能作為數(shù)據(jù)載體記錄可追溯數(shù)據(jù)。

另一方面，F(xiàn)RAM RFID由于存儲(chǔ)容量大，能夠記錄可追溯數(shù)據(jù)，標(biāo)簽不在RF區(qū)域時(shí)也可通過(guò)串行接口記錄數(shù)據(jù)。

除了傳感應(yīng)用外，內(nèi)置串行接口的RFID在理論上可以與受MCU控制的各種應(yīng)用相連接。

實(shí)際應(yīng)用可能包括對(duì)工廠設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，比如壓力、流量等，或者游戲機(jī)、醫(yī)療設(shè)備等的歷史數(shù)據(jù)記錄。就目前掌握的信息來(lái)看，這些應(yīng)用中，有些通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)(如非接觸式智能卡)就已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)用要求，有些采用了我們的技術(shù)后在存儲(chǔ)容量、傳輸速度等方面還沒(méi)達(dá)到要求。

但是我們希望通過(guò)這一技術(shù)能發(fā)現(xiàn)RFID新的用途和應(yīng)用，并能將該技術(shù)做進(jìn)一步的測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)更多構(gòu)想。

圖1 FRAM RFID 應(yīng)用實(shí)例

關(guān)于串行接口使用的探討

從客戶的反饋來(lái)看，我們認(rèn)識(shí)到還需要對(duì)串行接口連接的使用問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。其中的一個(gè)問(wèn)題與電池有關(guān)，另一個(gè)就是通信距離。

RF數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)被動(dòng)通信模式建立起來(lái)的，這就意味著電源由閱讀器或?qū)懭肫魈峁＿@樣的話，串行數(shù)據(jù)傳輸就需要額外的電池。電池問(wèn)題是有源標(biāo)簽中的普遍問(wèn)題，我們的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)被誤解為有源標(biāo)簽。但不管怎樣，電池壽命是需要考慮的問(wèn)題。

從這一點(diǎn)上來(lái)看，串行接口的功能最適合于機(jī)器或儀器中的嵌入式應(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用中總是能提供穩(wěn)定的電源。但是，如果標(biāo)簽被牢固地安裝和依附在一些可移動(dòng)的資產(chǎn)或者物體上，電池管理就會(huì)成為問(wèn)題，因?yàn)殡姵貕勖Y(jié)束時(shí)無(wú)法對(duì)電池進(jìn)行更換。

因此，根據(jù)使用環(huán)境評(píng)估電池壽命顯得尤為重要，可以考慮一些充電設(shè)備，比如充電電池，或者利用一些能源發(fā)電的電池。如果在RF通信過(guò)程中能夠充電，在理論上應(yīng)該是不錯(cuò)的選擇，但是卻不實(shí)用，因?yàn)橥ㄐ啪嚯x會(huì)受到嚴(yán)重破壞。

關(guān)于通信距離，眾所周知，阻抗匹配對(duì)于超高頻段至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了通信性能。因此必須考慮到，匹配阻抗會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)串行接口連接各種LSI和器件，或者因?yàn)榘惭b在電路板上，而受到嚴(yán)重影響。從上述情況來(lái)看，如果使用串行接口，與傳統(tǒng)的RFID標(biāo)簽相比，天線設(shè)計(jì)可能會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。

未來(lái)發(fā)展

由于RFID代表射頻識(shí)別(RADIo Frequency IDentification)，RFID起初被用作可由RFID閱讀器讀取的ID存儲(chǔ)。富士通半導(dǎo)體將FRAM用在了RFID上，由于FRAM擦寫速度快、耐擦寫次數(shù)高而實(shí)現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)載體標(biāo)簽。如今，內(nèi)置串行接口的RFID增加了一項(xiàng)新功能，即時(shí)標(biāo)簽不在RF區(qū)域，也可通過(guò)MCU從傳感器等設(shè)備上記錄可追溯數(shù)據(jù)，并可在日后通過(guò)RF讀取數(shù)據(jù)。

盡管在實(shí)際應(yīng)用中有些問(wèn)題還需要得到解決，我們還是希望客戶通過(guò)樣品對(duì)這一功能進(jìn)行評(píng)估，從而發(fā)現(xiàn)新的可能性。在與客戶進(jìn)行評(píng)估和探討的過(guò)程中，我們將改進(jìn)LSI的規(guī)格的問(wèn)題。此外，我們有許多MCU產(chǎn)品可以與RFID連接，希望客戶也能可以考慮采用這些產(chǎn)品。