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(jī)存儲(chǔ)器（Ferroelectric Random Access Memory）供應(yīng)商，富士通公司早在1998年就將鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)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(jī)存儲(chǔ)器在性能上超過(guò)現(xiàn)有的存儲(chǔ)器，比如電可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）、電池后備供電靜態(tài)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器（BBSRAM）。鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器耗電更少，對(duì)于多次讀寫(xiě)運(yùn)算具有更高的耐受性。這一突破性存儲(chǔ)介質(zhì)正在各種應(yīng)用中使用，包括智能卡、無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID）和安全應(yīng)用。

　　鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器屬于非易失性存儲(chǔ)器，但在其它各方面則類(lèi)似于隨機(jī)存儲(chǔ)器。因此，和其它類(lèi)型的非易失性存儲(chǔ)器相比（如電可擦除只讀存儲(chǔ)器和閃存），它的特點(diǎn)是寫(xiě)入速度更快，擦寫(xiě)次數(shù)更多，同時(shí)耗電少。

　　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(xiě)速度快、耐擦寫(xiě)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。

　　富士通開(kāi)發(fā)的 RFID 專(zhuān)用芯片，在原有 13.56MHz 的 HF 頻帶的基礎(chǔ)上，又增 加 了 860 ～ 960MHz 的 UHF 頻 帶 產(chǎn)品。其最大的特點(diǎn)就是配備了鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器FRAM（Ferroelectric RandomAccess Memory），從而靈活運(yùn)用其高速寫(xiě)入、可多次擦寫(xiě)等特性，作為大容量數(shù)據(jù)載體型無(wú)源 RFID 專(zhuān)用芯片，在國(guó) 內(nèi)外得以廣泛應(yīng)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。

　　LSI公司是創(chuàng)新芯片、系統(tǒng)和軟件技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商，采用LSI技術(shù)的產(chǎn)品可以使消費(fèi)者與信息及數(shù)碼內(nèi)容之間無(wú)縫的融合。公司在眾多領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù)，包括定制和標(biāo)準(zhǔn)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(jí)知名品牌的信任，為存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)提供了許多領(lǐng)先的解決方案。

　　為了供應(yīng)市場(chǎng)上的需求，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）。此次，富士通從此種市場(chǎng)需求入手，開(kāi)發(fā)出了在 UHF 頻帶 RFID 專(zhuān)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(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(xiě)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(xiě)入速度非常慢（需要數(shù)毫秒），耐擦寫(xiě)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(xiě)。

　　相比較而言，F(xiàn)RAM在寫(xiě)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(xiě)速度是100納秒，耐讀/寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)入數(shù)據(jù)，如維修歷史、零部件信息等，這樣就不需要詢(xún)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(xiàn)滅菌過(guò)程中，存在E2PROM中的數(shù)據(jù)會(huì)受到放射線(xiàn)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。

　　RFID是Radio Frequency Identification的縮寫(xiě)，即射頻識(shí)別。它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽， 操作快捷方便。基本的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）、天線(xiàn)（Antenna）。RFID技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，物流倉(cāng)儲(chǔ)、零售、制造業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域都是RFID的潛在應(yīng)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(guó)家正在開(kāi)展的電子護(hù)照項(xiàng)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(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(chēng)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)，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)。

　　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

　　探討有關(guān)串行接口使用的問(wèn)題

　　從客戶(hù)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?。這樣的話(huà)，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(xiàn)設(shè)計(jì)可能會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。

　　未來(lái)發(fā)展形式

　　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(xiě)速度快、耐擦寫(xiě)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)。

　　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(chǔ)器使用大容量的 FRAM，則 RFID 可作為數(shù)據(jù)載體頻繁進(jìn)行寫(xiě)入；本篇所介紹的芯片 配置了串行接口，為 RFID 帶來(lái)了新的 應(yīng)用。即 RFID 能夠通過(guò) MCU 與傳感器等進(jìn)行連接，從而在無(wú)讀寫(xiě)器的環(huán)境下，也能實(shí)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(shí)用性上還存在著很多問(wèn)題。因此，該芯片可用作評(píng)估 RFID 新應(yīng)用的樣片，今后，希望通過(guò)客戶(hù)的使用和我們自己的評(píng)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(hù)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，此外，與 RFID 相連的 MCU 也已形成產(chǎn)品線(xiàn)，請(qǐng)?jiān)谑褂眠^(guò)程中一并給以評(píng)估。