專利名稱:一種支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通訊技術(shù)領(lǐng)域：
，具體波及一種半有源射頻識別標(biāo)簽。
背景技術(shù)：
在我們的日常生活中，自動識別技術(shù)在商業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。與條形碼、磁條探測和接觸式IC卡相比，射頻識別技術(shù)(RFID-Radio FrequencyIdentification)具有非接觸、精度高、信息收集處理迅速、全天候工作等眾多的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了蓬勃的發(fā)展和廣泛的使用。在不同的應(yīng)用場合中，射頻識別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)會根據(jù)實(shí)際需要的不同發(fā)生改變，但不管是在哪一個應(yīng)用場合中，任意一個射頻識別系統(tǒng)都包括了讀寫器和應(yīng)答器兩個部分。圖1給出了一個由讀寫器(1)、讀寫器天線(2)、應(yīng)答器天線(3)和應(yīng)答器(4)組成的典型的射頻識別系統(tǒng)的示意圖。根據(jù)能量傳遞和數(shù)據(jù)交換方法的不同，讀寫器和應(yīng)答器之間的耦合方式可以分為電感耦合和電磁后向散射耦合兩種。根據(jù)工作頻段的不同，又可以分為低頻、高頻、超高頻和微波四個頻段。一般來說，電感耦合方式適用于低頻和高頻頻段，其特點(diǎn)在于能夠在潮濕等惡劣環(huán)境中工作，但工作距離一般在一米以內(nèi)，典型的工作頻率有125kHz，225kHz，13.56MHz；而電磁后向散射耦合方式適用于超高頻和微波頻段，能夠?qū)崿F(xiàn)一米以上的信號傳輸，典型的工作頻率有433MHz，868MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)答器常被稱為射頻標(biāo)簽或者電子標(biāo)簽(簡稱標(biāo)簽)。根據(jù)標(biāo)簽供電方式的不同，可以分為無源(Passive)，半有源(Semi-passive或Battery assisted passive)和有源(Active)三種不同類型。無源標(biāo)簽沒有電池供電，其用以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和維持?jǐn)?shù)據(jù)存儲、處理、信號產(chǎn)生的能量完全由讀寫器發(fā)出的射頻能量提供。半有源標(biāo)簽內(nèi)部裝有電池，標(biāo)簽根據(jù)接收到的能量大小選擇性地使用讀寫器發(fā)射的射頻能量或者電池的能量對標(biāo)簽內(nèi)部用于數(shù)據(jù)存儲、處理和內(nèi)部信號產(chǎn)生的電路進(jìn)行供電，而標(biāo)簽內(nèi)用以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的能量仍由讀寫器發(fā)射的射頻能量提供。有源標(biāo)簽工作時(shí)所需的所有能量完全由內(nèi)部電池供給，標(biāo)簽可以主動向外發(fā)送通訊請求，往往用于實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能。和無源標(biāo)簽相比，半有源標(biāo)簽由于對接收到的射頻能量的需求更小，可以用來實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的無線通訊；和有源標(biāo)簽相比，半有源標(biāo)簽的電路結(jié)構(gòu)簡單，對于電池性能的需求也更小，生產(chǎn)成本較低。半有源標(biāo)簽的這些優(yōu)點(diǎn)為其在物流、倉儲、車船監(jiān)控、進(jìn)出口檢驗(yàn)等諸多領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽，以減小標(biāo)簽系統(tǒng)對于接收到讀寫器發(fā)射的能量的需求，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的無線通訊。
本發(fā)明提出的支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽，通過改變無源標(biāo)簽的部分系統(tǒng)組成，并在其中增加電池、能量檢測、能量選擇和電池保護(hù)等模塊。圖2給出了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。它包括天線5、電池6、整流與負(fù)載調(diào)制模塊7、電池保護(hù)模塊8、能量檢測模塊9、能量選擇模塊10和進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、處理和信號發(fā)生等功能的電路11這七個部分。本發(fā)明的核心部分在于系統(tǒng)中能量提供、能量檢測和能量選擇等模塊。整流與負(fù)載調(diào)制模塊7將天線5中得到的射頻信號恢復(fù)出來，形成穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)射頻識別標(biāo)簽距離閱讀器近時(shí)，天線5接收到的能量高，從而整流出的電壓高；當(dāng)射頻標(biāo)簽距離閱讀器比較遠(yuǎn)時(shí)，整流出的電壓低。能量檢測模塊9根據(jù)整流與負(fù)載調(diào)制模塊7輸出電壓VR的高低來判斷天線5上接收到能量的大小，控制能量選擇模塊10選擇VR或者電池6電源VB來作為標(biāo)簽系統(tǒng)中用以存儲、處理數(shù)據(jù)和信號發(fā)生等功能的電路11的電源VDD。
圖3給出了能量檢測模塊9和能量選擇模塊10的結(jié)構(gòu)圖示。由于進(jìn)行精確的電壓檢測需要用到基準(zhǔn)電壓源和電壓比較器等功耗較大的電路，如果完全用天線5接收到的能量對這部分電路進(jìn)行供電，會縮短射頻識別系統(tǒng)的最大讀寫距離。因此，本發(fā)明提出了一種兩級能量檢測的方式來解決這一問題。即能量檢測模塊9包括初級檢測模塊14和精確檢測模塊15，初級檢測電路14使用射頻能量供電，它采用靜態(tài)功耗極小的上電復(fù)位電路進(jìn)行初步的能量檢測，當(dāng)它檢測到天線5上的能量足夠強(qiáng)時(shí)，輸出一個喚醒信號Vwake將開關(guān)K316導(dǎo)通。這時(shí)，使用電池6電源VB的精確檢測電路15再次對VR的大小進(jìn)行檢測，檢測的結(jié)果將通過控制線K1C和K2C被送往能量選擇模塊10控制開關(guān)K112和K213的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而進(jìn)行能量的開關(guān)和切換。如果天線5上接收到的能量在提供標(biāo)簽系統(tǒng)的正常工作之外還有富余時(shí)，這部分富余的能量將用來對電池6進(jìn)行充電，從而使得標(biāo)簽可以長時(shí)間重復(fù)使用而不用經(jīng)常更換電池6。
電池保護(hù)模塊8用以檢測電池6在充放電過程中的電壓和電流，一旦出現(xiàn)了過充、過放或者電流過大的情況后，立即關(guān)斷開關(guān)K213，保護(hù)電池6不受損壞，同時(shí)，標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送報(bào)警信號。
圖1是射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖示。
圖2是半有源射頻識別標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)圖示。
圖3是能量檢測模塊9和能量選擇模塊10的結(jié)構(gòu)圖示。
圖4是本發(fā)明的一個具體電路。
圖5是能量檢測模塊9中精確檢測電路15的結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號1為讀寫器，2為讀寫器天線，3為應(yīng)答器天線，4為應(yīng)答器，5為天線，6為電池，7為整流與負(fù)載調(diào)制模塊，8為電池保護(hù)模塊，9為能量檢測模塊，10為能量選擇模塊，11為數(shù)據(jù)存儲、處理和信號發(fā)生等功能電路模塊，12為控制開關(guān)K1，13為控制開關(guān)K2，14為初級檢測模塊，15為精確檢測模塊，16為開關(guān)K3，17為基準(zhǔn)電壓源，18為穩(wěn)壓和濾波電路，19為分壓電路，20為電壓比較器，21為邏輯電路，22為檢波器，23為偏置電路，24為低壓降穩(wěn)壓器，25為環(huán)形振蕩器，26為電平移位和驅(qū)動電路，27為上電復(fù)位電路，28為非揮發(fā)性存儲器及其控制電路，29為數(shù)字基帶。
具體實(shí)施方式下面通過一個具體實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖4給出了一個完整的半有源標(biāo)簽的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，功能電路11由偏置電路23、低壓降穩(wěn)壓器量24、帶電流偏置的環(huán)形振蕩器量25、電平移位和驅(qū)動電路26、上電復(fù)位電路27、非揮發(fā)性存儲器及其控制電路28和數(shù)字基帶29經(jīng)電路連接組成。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入到讀寫器電磁場的場區(qū)內(nèi)時(shí)，整流與負(fù)載調(diào)制模塊7將天線5上的射頻能量恢復(fù)成一個直流電壓VR，能量檢測模塊9中的初級檢測電路14受到這個電壓VR的激勵后，輸出一個喚醒信號Vwake將開關(guān)K316導(dǎo)通，精確檢測電路15開始工作。如圖5所示，精確檢測電路15由穩(wěn)壓濾波電路18、基準(zhǔn)電壓源17、分壓電路19、電壓比較器20和邏輯電路21依次電路連接組成。其中，分壓電路19包括若干個分壓電阻(圖中為R1-R3)。精確檢測電路15首先用穩(wěn)壓和濾波電路18對VR進(jìn)行穩(wěn)定，然后用分壓電路19取其中的兩個特定的中間電平V1和V2與基準(zhǔn)電壓源17輸出的固定參考電平Vcmp進(jìn)行比較。當(dāng)讀寫器與標(biāo)簽之間的距離很遠(yuǎn)，天線5接收到的射頻能量非常小時(shí)，整流與負(fù)載調(diào)制模塊7輸出的直流電平VR很低，V1和V2均小于Vcmp，于是電壓比較器20的輸出VX和VY均為低電平，邏輯電路21將這一比較結(jié)果進(jìn)行處理后，輸出兩個信號K1C和K2C關(guān)斷開關(guān)能量選擇模塊10中的K112和K213，同時(shí)控制K3C將其自身的供電通路關(guān)斷，并給出反饋信號Logic_Back要求提高初級檢測電路14的開啟閾限。當(dāng)天線5上接收到的能量足以維持讀寫器與標(biāo)簽之間的通訊需要時(shí)，VR升高，導(dǎo)致V1小于Vcmp而V2大于Vcmp，于是電壓比較器20的輸出VX為低電平，而VY為高電平，邏輯電路21將這一比較結(jié)果進(jìn)行處理后，將開關(guān)K213打開，電池6對標(biāo)簽系統(tǒng)中供電。進(jìn)一步縮短讀寫器與標(biāo)簽之間的距離，當(dāng)天線5上接收到的能量足以提供整個標(biāo)簽系統(tǒng)工作時(shí)，分壓電路19的輸出V1和V2均大于Vcmp，于是電壓比較器的輸出VX和VY均為高電平，邏輯電路21將這一比較結(jié)果進(jìn)行處理后，輸出兩個信號將開關(guān)K112和K213都導(dǎo)通，此時(shí)標(biāo)簽系統(tǒng)的能量由天線5上得到的射頻能量提供，標(biāo)簽進(jìn)入無源模式。在開關(guān)K112和K213都導(dǎo)通的情況下，如果讀寫器與標(biāo)簽之間的距離非常短，天線5上接收到的能量很強(qiáng)時(shí)，整流與負(fù)載調(diào)制模塊7的輸出將在為標(biāo)簽系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還用多余的能量對電池6進(jìn)行充電。
在圖4所示的標(biāo)簽系統(tǒng)中，只要能量選擇模塊10選擇了VR和VB中的任何一個作為其輸出VDD，標(biāo)簽即進(jìn)入工作狀態(tài)。檢波器22取出天線5上的包絡(luò)信號，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號Data；偏置電路23和低壓降穩(wěn)壓器24為帶電流偏置的環(huán)形振蕩器25提供電流基準(zhǔn)Iref和電壓基準(zhǔn)Vref，從而得到頻率穩(wěn)定的信號，這一信號經(jīng)過電平移位和驅(qū)動電路26處理后成為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號Clock；上電復(fù)位電路27提供一個上電復(fù)位信號POR。另外，偏置電路23還為非揮發(fā)性存儲器28提供一個電流偏置信號Ibias。數(shù)字基帶29根據(jù)通信協(xié)議的規(guī)定對上述的Data、Clock、POR進(jìn)行處理，同時(shí)，通過控制總線和數(shù)據(jù)總線完成與非揮發(fā)性存儲器的通訊，將最終的信號處理結(jié)果編碼后(Mod)傳輸給整流與負(fù)載調(diào)制模塊7，用其改變標(biāo)簽系統(tǒng)的輸入阻抗，采用電磁后向散射耦合的方式實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與讀寫器之間的通訊。
在標(biāo)簽系統(tǒng)的上述工作過程中，一旦能量選擇模塊10中的開關(guān)K213導(dǎo)通，電池6進(jìn)入充放電回路，電池保護(hù)模塊8即被喚醒，開始檢測電池6在充放電過程中的電壓和電流。如果電池6的工作出現(xiàn)了異常情況，立刻關(guān)斷開關(guān)K213，對電池6進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)輸出一個電池6出錯的報(bào)警信號，連同電池6的狀態(tài)(電壓、電流、剩余能量等)一起送給標(biāo)簽中的數(shù)字基帶29，數(shù)字基帶29將這一信號進(jìn)行編碼后，將報(bào)警信號傳輸給讀寫器。
權(quán)利要求
1.一種支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽，其特征在于它包括天線(5)、電池(6)、整流與負(fù)載調(diào)制模塊(7)、電池保護(hù)模塊(8)、能量檢測模塊(9)、能量選擇模塊(10)和進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、處理和信號發(fā)生等功能的電路(11)這七個部分；整流與負(fù)載調(diào)制模塊(7)將天線(5)中得到的射頻信號恢復(fù)出來，形成穩(wěn)定的直流電壓；能量檢測模塊(9)根據(jù)整流與負(fù)載調(diào)制模塊(7)輸出電壓VR的高低來判斷天線(5)上接收到能量的大小，控制能量選擇模塊(10)選擇VR或者電池(6)電源VB來作為標(biāo)簽系統(tǒng)中用以存儲、處理數(shù)據(jù)和信號發(fā)生等功能的電路(11)的電源VDD。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽，其特征在于能量檢測模塊(9)包括初級檢測模塊(14)和精確檢測模塊(15)，初級檢測電路(14)使用射頻能量供電，它采用靜態(tài)功耗極小的上電復(fù)位電路進(jìn)行初步的能量檢測，當(dāng)它檢測到天線(5)上的能量足夠強(qiáng)時(shí)，輸出一個喚醒信號Vwakc將開關(guān)K3(16)導(dǎo)通，這時(shí)，使用電池(6)電源VB的精確檢測電路(15)再次對VR的大小進(jìn)行檢測，檢測的結(jié)果通過控制線K1C和K2C被送往能量選擇模塊(10)控制開關(guān)K1(12)和K2(13)的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而進(jìn)行能量的開關(guān)和切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽，其特征在于功能電路(11)由偏置電路(23)、低壓降穩(wěn)壓器量(4)、帶電流偏置的環(huán)形振蕩器量(5)、電平移位和驅(qū)動電路(26)、上電復(fù)位電路(27)、非揮發(fā)性存儲器及其控制電路(28)和數(shù)字基帶(29)經(jīng)電路連接組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽，其特征在于精確檢測電路(15)由穩(wěn)壓濾波電路(18)、基準(zhǔn)電壓源(17)、分壓電路(19)、電壓比較器(20)和邏輯電路(21)依次電路連接組成。
專利摘要
本發(fā)明屬于無線通訊技術(shù)領(lǐng)域：
，具體為一種支持無線充電的半有源射頻識別標(biāo)簽。本發(fā)明通過改變無源射頻識別標(biāo)簽的系統(tǒng)組成，并在其中增加電池、能量檢測、能量選擇和電池保護(hù)等模塊，實(shí)現(xiàn)了一種支持無線充電功能的半有源射頻識別標(biāo)簽。本發(fā)明中的能量檢測電路采用兩級檢測的方式，通過檢測整流電路輸出的直流電平判斷標(biāo)簽接收到的能量大小，選擇天線上接收的射頻能量或電池對標(biāo)簽中用以存儲、處理數(shù)據(jù)和信號發(fā)生等功能的電路進(jìn)行供電。當(dāng)標(biāo)簽接收到的射頻能量較強(qiáng)時(shí)，能量選擇電路將利用富余的能量對電池進(jìn)行充電，從而延長標(biāo)簽的使用壽命。本發(fā)明還對電池充放電的過程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)等功能。
文檔編號G06K19/077GK1996352SQ200610148159
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月28日
發(fā)明者車文毅, 閆娜, 閔昊 申請人:復(fù)旦大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan