CN100458841C

CN100458841C - 一种支持无线充电的半有源射频识别标签

Info

Publication number: CN100458841C
Application number: CNB2006101481593A
Authority: CN
Inventors: 车文毅; 闫娜; 闵昊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: CN1996352A

Abstract

本发明属于无线通讯技术领域，具体为一种支持无线充电的半有源射频识别标签。本发明通过改变无源射频识别标签的系统组成，并在其中增加电池、能量检测、能量选择和电池保护等模块，实现了一种支持无线充电功能的半有源射频识别标签。本发明中的能量检测电路采用两级检测的方式，通过检测整流电路输出的直流电平判断标签接收到的能量大小，选择天线上接收的射频能量或电池对标签中用以存储、处理数据和信号发生等功能的电路进行供电。当标签接收到的射频能量较强时，能量选择电路将利用富余的能量对电池进行充电，从而延长的标签的使用寿命。本发明还对电池充放电过程的进行监控，实现电池保护等功能。

Description

一种支持无线充电的半有源射频识别标签

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，具体波及一种半有源射频识别标签。

背景技术

在我们的日常生活中，自动识别技术在商业、服务业等领域有着非常广泛的应用。与条形码、磁条探测和接触式IC卡相比，射频识别技术(RFID-Radio FrequencyIdentification)具有非接触、精度高、信息收集处理迅速、全天候工作等众多的优点，近年来得到了蓬勃的发展和广泛的使用。在不同的应用场合中，射频识别系统的组成结构会根据实际需要的不同发生改变，但不管是在哪一个应用场合中，任意一个射频识别系统都包括了读写器和应答器两个部分。图1给出了一个由读写器(1)、读写器天线(2)、应答器天线(3)和应答器(4)组成的典型的射频识别系统的示意图。根据能量传递和数据交换方法的不同，读写器和应答器之间的耦合方式可以分为电感耦合和电磁后向散射耦合两种。根据工作频段的不同，又可以分为低频、高频、超高频和微波四个频段。一般来说，电感耦合方式适用于低频和高频频段，其特点在于能够在潮湿等恶劣环境中工作，但工作距离一般在一米以内，典型的工作频率有125kHz，225kHz，13.56MHz；而电磁后向散射耦合方式适用于超高频和微波频段，能够实现一米以上的信号传输，典型的工作频率有433MHz，868MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。

在实际应用中，应答器常被称为射频标签或者电子标签(简称标签)。根据标签供电方式的不同，可以分为无源(Passive)，半有源(Semi-passive或Battery assisted passive)和有源(Active)三种不同类型。无源标签没有电池供电，其用以进行数据通讯和维持数据存储、处理、信号产生的能量完全由读写器发出的射频能量提供。半有源标签内部装有电池，标签根据接收到的能量大小选择性地使用读写器发射的射频能量或者电池的能量对标签内部用于数据存储、处理和内部信号产生的电路进行供电，而标签内用以进行数据通讯的能量仍由读写器发射的射频能量提供。有源标签工作时所需的所有能量完全由内部电池供给，标签可以主动向外发送通讯请求，往往用于实现一些复杂的功能。和无源标签相比，半有源标签由于对接收到的射频能量的需求更小，可以用来实现更远距离的无线通讯；和有源标签相比，半有源标签的电路结构简单，对于电池性能的需求也更小，生产成本较低。半有源标签的这些优点为其在物流、仓储、车船监控、进出口检验等诸多领域提供了广阔的应用空间。

发明内容

本发明的目的在于提出一种支持无线充电的半有源射频识别标签，以减小标签系统对于接收到读写器发射的能量的需求，从而实现更远距离的无线通讯。

本发明提出的支持无线充电的半有源射频识别标签，通过改变无源标签的部分系统组成，并在其中增加电池、能量检测、能量选择和电池保护等模块。图2给出了本发明的结构框图。它包括天线5、电池6、整流与负载调制模块7、电池保护模块8、能量检测模块9、能量选择模块10和进行数据存储、处理和信号发生等功能的电路11这七个部分。本发明的核心部分在于系统中能量提供、能量检测和能量选择等模块。整流与负载调制模块7将天线5中得到的射频信号恢复出来，形成稳定的直流电压。当射频识别标签距离阅读器近时，天线5接收到的能量高，从而整流出的电压高；当射频标签距离阅读器比较远时，整流出的电压低。能量检测模块9根据整流与负载调制模块7输出电压V_R的高低来判断天线5上接收到能量的大小，控制能量选择模块10选择V_R或者电池6电源V_R来作为标签系统中用以存储、处理数据和信号发生等功能的电路11的电源V_DD。

图3给出了能量检测模块9和能量选择模块10的结构图示。由于进行精确的电压检测需要用到基准电压源和电压比较器等功耗较大的电路，如果完全用天线5接收到的能量对这部分电路进行供电，会缩短射频识别系统的最大读写距离。因此，本发明提出了一种两级能量检测的方式来解决这一问题。即能量检测模块9包括初级检测模块14和精确检测模块15，初级检测电路14使用射频能量供电，它采用静态功耗极小的上电复位电路进行初步的能量检测，当它检测到天线5上的能量足够强时，输出一个唤醒信号V_wake将开关K₃16导通。这时，使用电池6电源V_B的精确检测电路15再次对V_R的大小进行检测，检测的结果将通过控制线K₁C和K₂C被送往能量选择模块10控制开关K₁12和K₂13的导通或关断，从而进行能量的开关和切换。如果天线5上接收到的能量在提供标签系统的正常工作之外还有富余时，这部分富余的能量将用来对电池6进行充电，从而使得标签可以长时间重复使用而不用经常更换电池6。

电池保护模块8用以检测电池6在充放电过程中的电压和电流，一旦出现了过充、过放或者电流过大的情况后，立即关断开关K₂13，保护电池6不受损坏，同时，标签向读写器发送报警信号。

附图说明

图1是射频识别系统的结构图示。

图2是半有源射频识别标签的结构图示。

图3是能量检测模块9和能量选择模块10的结构图示。

图4是本发明的一个具体电路。

图5是能量检测模块9中精确检测电路15的结构图示。

图中标号：1为读写器，2为读写器天线，3为应答器天线，4为应答器，5为天线，6为电池，7为整流与负载调制模块，8为电池保护模块，9为能量检测模块，10为能量选择模块，11为数据存储、处理和信号发生等功能电路模块，12为控制开关K1，13为控制开关K2，14为初级检测模块，15为精确检测模块，16为开关K3，17为基准电压源，18为稳压和滤波电路，19为分压电路，20为电压比较器，21为逻辑电路，22为检波器，23为偏置电路，24为低压降稳压器，25为环形振荡器，26为电平移位和驱动电路，27为上电复位电路，28为非挥发性存储器及其控制电路，29为数字基带。

具体实施方式

下面通过一个具体实例进一步详细描述本发明。

图4给出了一个完整的半有源标签的系统结构图。其中，功能电路11由偏置电路23、低压降稳压器量24、带电流偏置的环形振荡器量25、电平移位和驱动电路26、上电复位电路27、非挥发性存储器及其控制电路28和数字基带29经电路连接组成。当标签进入到读写器电磁场的场区内时，整流与负载调制模块7将天线5上的射频能量恢复成一个直流电压V_R，能量检测模块9中的初级检测电路14受到这个电压V_R的激励后，输出一个唤醒信号V_wake将开关K₃16导通，精确检测电路15开始工作。如图5所示，精确检测电路15由稳压滤波电路18、基准电压源17、分压电路19、电压比较器20和逻辑电路21依次电路连接组成。其中，分压电路19包括若干个分压电阻(图中为R1-R3)。精确检测电路15首先用稳压和滤波电路18对V_R进行稳定，然后用分压电路19取其中的两个特定的中间电平V₁和V₂与基准电压源17输出的固定参考电平V_cmp进行比较。当读写器与标签之间的距离很远，天线5接收到的射频能量非常小时，整流与负载调制模块7输出的直流电平V_R很低，V₁和V₂均小于V_cmp，于是电压比较器20的输出V_X和V_Y均为低电平，逻辑电路21将这一比较结果进行处理后，输出两个信号K₁C和K₂C关断开关能量选择模块10中的K₁12和K₂13，同时控制K₃C将其自身的供电通路关断，并给出反馈信号Logic_Back要求提高初级检测电路14的开启阈限。当天线5上接收到的能量足以维持读写器与标签之间的通讯需要时，V_R升高，导致V₁小于V_cmp而V₂大于V_cmp，于是电压比较器20的输出V_X为低电平，而V_Y为高电平，逻辑电路21将这一比较结果进行处理后，将开关K₂13打开，电池6对标签系统中供电。进一步缩短读写器与标签之间的距离，当天线5上接收到的能量足以提供整个标签系统工作时，分压电路19的输出V₁和V₂均大于V_cmp，于是电压比较器的输出V_X和V_Y均为高电平，逻辑电路21将这一比较结果进行处理后，输出两个信号将开关K₁12和K₂13都导通，此时标签系统的能量由天线5上得到的射频能量提供，标签进入无源模式。在开关K₁12和K₂13都导通的情况下，如果读写器与标签之间的距离非常短，天线5上接收到的能量很强时，整流与负载调制模块7的输出将在为标签系统提供能量的同时，还用多余的能量对电池6进行充电。

在图4所示的标签系统中，只要能量选择模块10选择了V_R和V_B中的任何一个作为其输出V_DD，标签即进入工作状态。检波器22取出天线5上的包络信号，将其转换成数字信号Data；偏置电路23和低压降稳压器24为带电流偏置的环形振荡器25提供电流基准I_ref和电压基准V_ref，从而得到频率稳定的信号，这一信号经过电平移位和驱动电路26处理后成为系统的时钟信号Clock；上电复位电路27提供一个上电复位信号POR。另外，偏置电路23还为非挥发性存储器28提供一个电流偏置信号I_bias。数字基带29根据通信协议的规定对上述的Data、Clock、POR进行处理，同时，通过控制总线和数据总线完成与非挥发性存储器的通讯，将最终的信号处理结果编码后(Mod)传输给整流与负载调制模块7，用其改变标签系统的输入阻抗，采用电磁后向散射耦合的方式实现标签与读写器之间的通讯。

在标签系统的上述工作过程中，一旦能量选择模块10中的开关K₂13导通，电池6进入充放电回路，电池保护模块8即被唤醒，开始检测电池6在充放电过程中的电压和电流。如果电池6的工作出现了异常情况，立刻关断开关K₂13，对电池6进行保护，同时输出一个电池6出错的报警信号，连同电池6的状态(电压、电流、剩余能量等)一起送给标签中的数字基带29，数字基带29将这一信号进行编码后，将报警信号传输给读写器。

Claims

1、一种支持无线充电的半有源射频识别标签，其特征在于它包括天线(5)、电池(6)、整流与负载调制模块(7)、电池保护模块(8)、能量检测模块(9)、能量选择模块(10)和进行数据存储、处理和信号发生功能的电路(11)这七个部分；整流与负载调制模块(7)将天线(5)中得到的射频信号恢复出来，形成稳定的直流电压；能量检测模块(9)根据整流与负载调制模块(7)输出电压V_R的高低来判断天线(5)上接收到能量的大小，控制能量选择模块(10)选择V_R或者电池(6)电源V_B来作为标签系统中用以存储、处理数据和信号发生功能的电路(11)的电源V_DD。

2、根据权利要求1所述的支持无线充电的半有源射频识别标签，其特征在于能量检测模块(9)包括初级检测模块(14)和精确检测模块(15)；初级检测模块(14)使用射频能量供电，它采用静态功耗极小的上电复位电路进行初步的能量检测，当检测到天线(5)上的能量强度满足整个标签系统工作要求时，输出一个唤醒信号V_wake将开关K₃(16)导通；这时，使用电池(6)电源V_B的精确检测模块(15)再次对V_R的大小进行检测，检测的结果通过控制线K₁C和K₂C被送往能量选择模块(10)控制开关K₁(12)和K₂(13)的导通或关断，从而进行能量的开关和切换。

3、根据权利要求1所述的支持无线充电的半有源射频识别标签，其特征在于进行数据存储、处理和信号发生功能电路(11)由偏置电路(23)、低压降稳压器量(4)、带电流偏置的环形振荡器量(5)、电平移位和驱动电路(26)、上电复位电路(27)、非挥发性存储器及其控制电路(28)和数字基带(29)经电路连接组成。

4、根据权利要求2所述的支持无线充电的半有源射频识别标签，其特征在于精确检测模块(15)由稳压滤波电路(18)、基准电压源(17)、分压电路(19)、电压比较器(20)和逻辑电路(21)依次电路连接组成。