串行接口的FRAM RFID LSI概述

　　FRAM 概述

　　作為行業(yè)中最大的鐵電隨機存儲器（Ferroelectric Random Access Memory）供應商，富士通公司早在1998年就將鐵電隨機存儲器結(jié)合到微處理器中，并在1999年推出批量產(chǎn)品，均為行業(yè)之最。新一代的非易失性鐵電隨機存儲器在性能上超過現(xiàn)有的存儲器，比如電可擦除只讀存儲器（EEPROM）、電池后備供電靜態(tài)讀寫存儲器（BBSRAM）。鐵電隨機存儲器耗電更少，對于多次讀寫運算具有更高的耐受性。這一突破性存儲介質(zhì)正在各種應用中使用，包括智能卡、無線射頻識別（RFID）和安全應用。

　　鐵電隨機存儲器屬于非易失性存儲器，但在其它各方面則類似于隨機存儲器。因此，和其它類型的非易失性存儲器相比（如電可擦除只讀存儲器和閃存），它的特點是寫入速度更快，擦寫次數(shù)更多，同時耗電少。

　　到目前為止，富士通半導體已經(jīng)開發(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RFID LSI而被全世界廣泛采用。

　　富士通開發(fā)的 RFID 專用芯片，在原有 13.56MHz 的 HF 頻帶的基礎上，又增 加 了 860 ～ 960MHz 的 UHF 頻 帶 產(chǎn)品。其最大的特點就是配備了鐵電隨機存儲器FRAM（Ferroelectric RandomAccess Memory），從而靈活運用其高速寫入、可多次擦寫等特性，作為大容量數(shù)據(jù)載體型無源 RFID 專用芯片，在國 內(nèi)外得以廣泛應用。

　　大存儲數(shù)據(jù)載體的優(yōu)勢就是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。由于大存儲數(shù)據(jù)載體具有這些優(yōu)勢，人們希望進一步利用FRAM RFID來連接傳感器等設備。

　　LSI公司是創(chuàng)新芯片、系統(tǒng)和軟件技術(shù)的領(lǐng)先供應商，采用LSI技術(shù)的產(chǎn)品可以使消費者與信息及數(shù)碼內(nèi)容之間無縫的融合。公司在眾多領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務，包括定制和標準芯片、適配器、系統(tǒng)和軟件。我們的產(chǎn)品已經(jīng)獲得眾多世界級知名品牌的信任，為存儲和網(wǎng)絡市場提供了許多領(lǐng)先的解決方案。

　　為了供應市場上的需求，我們開發(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）。此次，富士通從此種市場需求入手，開發(fā)出了在 UHF 頻帶 RFID 專用芯片中配置串行接口SPI的技術(shù)。

　　FRAM FRID LSI的附加值

　　FRAM是一種非易失性存儲器，使用鐵電材料作為數(shù)據(jù)載體，結(jié)合了隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）的優(yōu)勢。作為用在RFID中的非易失性存儲器，電擦除可編程只讀存儲器（E2PROM）已經(jīng)得到廣泛應用，但是當數(shù)據(jù)被寫入時，E2PROM需要內(nèi)部升壓電壓，因為數(shù)據(jù)存儲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10萬次。因此，大部分基于E2PROM的RFID LSI都是小存儲容量產(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，因為二者的原則一樣。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)載體提供大存儲容量的原因。

　　存儲容量大、擦寫速度快的RFID的最重要的優(yōu)勢在于，它可以在自己的存儲器上記錄數(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)存在了服務器端，需要與標簽本身的ID相關(guān)聯(lián)。而FRAM RFID可以實現(xiàn)分散數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)可以存在標簽上，由此減輕了服務器的載荷。這種方式尤其適合工廠自動化（FA）和維修領(lǐng)域中的生產(chǎn)歷史管理。在工廠自動化領(lǐng)域中，有數(shù)百個流程都需要經(jīng)常寫入數(shù)據(jù)；在維修領(lǐng)域中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)確認時也需要經(jīng)常寫入數(shù)據(jù)，如維修歷史、零部件信息等，這樣就不需要詢問數(shù)據(jù)服務器。

　　FRAM的另一個主要特點，就是在防輻射方面明顯優(yōu)于E2PROM。例如，在醫(yī)療設備和包裝、食品或者亞麻布的伽瑪射線滅菌過程中，存在E2PROM中的數(shù)據(jù)會受到放射線的嚴重影響，因為它的數(shù)據(jù)存儲采用的是電子電荷。而存在FRAM中的數(shù)據(jù)在高達45kGy的放射水平下仍然不會受到影響。

　　RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽， 操作快捷方便?；镜腞FID系統(tǒng)由標簽（Tag）、閱讀器（Reader）、天線（Antenna）。RFID技術(shù)有著廣闊的應用前景，物流倉儲、零售、制造業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域都是RFID的潛在應用領(lǐng)域，另外，RFID由于其快速讀取與難以偽造的特性，一些國家正在開展的電子護照項目都采用了RFID技術(shù)。

　　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就是，對于同一個FRAM存儲區(qū)來說，既可以從串行接口進入，也可以從RF接口進入。

　　通過串行接口與微控制器（以下將“微控制器”簡稱為“MCU”）相連后，F(xiàn)RAM可以作為MCU的外部存儲，并通過RF接口進入。因此，RFID閱讀器就可以閱讀MCU寫過的存儲數(shù)據(jù)，而對于MCU來說，就可以閱讀參數(shù)數(shù)據(jù)，如通過RF接口編寫的運行環(huán)境。

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

　　實際應用可能包括對工廠設備狀態(tài)的監(jiān)測，比如壓力、流量等，或者游戲機、醫(yī)療設備等的歷史數(shù)據(jù)記錄。就目前掌握的信息來看，這些應用中，有些通過現(xiàn)有的技術(shù)（如非接觸式智能卡）就已經(jīng)達到了應用要求，有些采用了我們的技術(shù)后在存儲容量、傳輸速度等方面還沒達到要求。

　　但是我們希望通過這一技術(shù)能發(fā)現(xiàn)RFID新的用途和應用，并能將該技術(shù)做進一步的測試，從而實現(xiàn)更多構(gòu)想。

圖1 FRAM RFID 應用實例

　　探討有關(guān)串行接口使用的問題

　　從客戶的反饋來看，我們認識到還需要對串行接口連接的使用問題進行進一步的探討。其中的一個問題與電池有關(guān)，另一個就是通信距離。

　　RF數(shù)據(jù)傳輸是通過被動通信模式建立起來的，這就意味著電源由閱讀器或?qū)懭肫魈峁?。這樣的話，串行數(shù)據(jù)傳輸就需要額外的電池。電池問題是有源標簽中的普遍問題，我們的技術(shù)在實際應用中有時被誤解為有源標簽。但不管怎樣，電池壽命是需要考慮的問題。

　　從這一點上來看，串行接口的功能最適合于機器或儀器中的嵌入式應用，因為這些應用中總是能提供穩(wěn)定的電源。但是，如果標簽被牢固地安裝和依附在一些可移動的資產(chǎn)或者物體上，電池管理就會成為問題，因為電池壽命結(jié)束時無法對電池進行更換。

　　因此，根據(jù)使用環(huán)境評估電池壽命顯得尤為重要，可以考慮一些充電設備，比如充電電池，或者利用一些能源發(fā)電的電池。如果在RF通信過程中能夠充電，在理論上應該是不錯的選擇，但是卻不實用，因為通信距離會受到嚴重破壞。

　　關(guān)于通信距離，眾所周知，阻抗匹配對于超高頻段至關(guān)重要，因為它決定了通信性能。因此必須考慮到，匹配阻抗會因為通過串行接口連接各種LSI和器件，或者因為安裝在電路板上，而受到嚴重影響。從上述情況來看，如果使用串行接口，與傳統(tǒng)的RFID標簽相比，天線設計可能會越來越復雜。

　　未來發(fā)展形式

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

　　后續(xù)發(fā)展工作

　　所謂 RFID，究其根本，顧名思義，就是可以利用 RF 讀取的ID。存儲器使用大容量的 FRAM，則 RFID 可作為數(shù)據(jù)載體頻繁進行寫入；本篇所介紹的芯片 配置了串行接口，為 RFID 帶來了新的 應用。即 RFID 能夠通過 MCU 與傳感器等進行連接，從而在無讀寫器的環(huán)境下，也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理，并利用 RF 讀出其歷史記錄。雖然這在技術(shù)上是可行的，但是在實用性上還存在著很多問題。因此，該芯片可用作評估 RFID 新應用的樣片，今后，希望通過客戶的使用和我們自己的評估，逐步完善芯片的性能，從而發(fā)現(xiàn)新的可能性。在與客戶進行評估和探討的過程中，我們將改進LSI的規(guī)格的問題。此外，此外，與 RFID 相連的 MCU 也已形成產(chǎn)品線，請在使用過程中一并給以評估。