基于RFID標(biāo)簽芯片基帶處理器的低功耗設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用的是臺(tái)積電提供的0.18μm數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為0.9 V～1.1 V.而EEPROM工作電壓為0.9 V～1.2 V@讀數(shù)據(jù)/1.8 V@寫數(shù)據(jù)，所以進(jìn)行寫操作時(shí)需要用到電平轉(zhuǎn)換將1.0 V轉(zhuǎn)換到1.8 V的電壓，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

2.3門控時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

為了降低芯片的功耗，設(shè)計(jì)中使用了門控時(shí)鐘：用使能信號(hào)控制寄存器的時(shí)鐘端，當(dāng)使能信號(hào)有效時(shí)時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，否則時(shí)鐘保持在固定電平。因此時(shí)鐘使能可以將電路中的部分電路處于空閑狀態(tài)，阻止寄存器內(nèi)部翻轉(zhuǎn)和寄存器之間組合邏輯開關(guān)動(dòng)作，以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。圖3所示為門控時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方案。

表1給出利用綜合工具Design Compiler對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合后的功耗和面積報(bào)告。可以看出，本設(shè)計(jì)使用門控時(shí)鐘后，總的動(dòng)態(tài)功耗降低了很多，并且在降低功耗的同時(shí)，面積也有了一定的減小。

2.4組織模塊設(shè)計(jì)方法

由于在設(shè)計(jì)中并不是所有的模塊都同時(shí)工作，而是在某一個(gè)狀態(tài)下，只開啟一個(gè)或幾個(gè)模塊，其他模塊處于關(guān)閉狀態(tài)，所以如果有效組織模塊的開關(guān)，將會(huì)減少寄存器的開關(guān)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。設(shè)計(jì)中利用有限狀態(tài)機(jī)根據(jù)不同的指令和狀態(tài)轉(zhuǎn)換開啟不同的模塊來完成數(shù)據(jù)的處理要求和存儲(chǔ)操作：當(dāng)接收前向數(shù)據(jù)時(shí)，開啟編碼器、CRC計(jì)算/校驗(yàn)、和串并轉(zhuǎn)換;當(dāng)處理數(shù)據(jù)時(shí)，開啟模塊有限狀態(tài)控制機(jī)、EEPROM控制模塊、靜默計(jì)數(shù)器、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器;當(dāng)返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，開啟模塊有限狀態(tài)控制機(jī)、EEPROM控制模塊、數(shù)據(jù)輸出控制端、編碼器其他模塊關(guān)閉。

3 芯片測試

首先采用FPGA完成芯片的功能驗(yàn)證，以FPGA的可編程邏輯陣列為基本單元，實(shí)現(xiàn)ISO18000-6B的數(shù)字基帶功能的硬件仿真驗(yàn)證。然后使用ASIC芯片設(shè)計(jì)EDA工具將RTL頂層描述映射為基于TSMC提供的目標(biāo)工藝庫的基本數(shù)字單元的物理電路，并生成CAD版圖且提交給TSMC半導(dǎo)體工廠制作出來。

進(jìn)行芯片測試時(shí)，利用先施閱讀器產(chǎn)生RFID各種命令信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后輸入到待測試芯片的數(shù)據(jù)輸入端。芯片在電源、時(shí)鐘源信號(hào)、復(fù)位信號(hào)的共同激勵(lì)下進(jìn)入正常工作狀態(tài)并對(duì)輸入命令數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，將數(shù)據(jù)輸出到調(diào)制電路，然后反射回閱讀器。閱讀器根據(jù)接收到的信號(hào)決定下一步操作。在閱讀器和待測芯片的交互過程中，可用邏輯分析儀觀察中間過程。圖4為先施閱讀器對(duì)測試芯片發(fā)送read命令時(shí)，用邏輯分析儀捕捉的內(nèi)部信號(hào)，其中信號(hào)data_in為解調(diào)器解調(diào)出的前向鏈路數(shù)據(jù)，信號(hào)data_out為芯片的返回?cái)?shù)據(jù)。

從已流片芯片的測試結(jié)果看，標(biāo)簽芯片數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很好地完成了符合ISO18000-6B協(xié)議的所有強(qiáng)制命令以及讀寫操作和鎖存、查詢鎖存等基本功能，且在閱讀器存盤操作下的平均速率為45～60張/s，功耗為3.10μW，很好地完成了低功耗無源電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。