FRAM為RFID LSI帶來更多價值

文章出處：http://5052h112.com 作者：富士通微電子(上海)有限公司   人氣： 發表時間：2011年10月08日

         鐵電隨機存儲器(FRAM)RFID由于存儲容量大、擦寫速度快，一直被用作數據載體標簽。內置的串行接口可將傳感器與RFID連接在一起，從而豐富了RFID應用。

          到目前為止，富士通半導體已經開發出了高頻段(13.6MHz)和超高頻段(860 MHz到960 MHz)RFID LSI產品。這些產品最重要的特點就是它們內嵌FRAM。由于擦寫速度快、耐擦寫次數高，它們已經作為數據載體型被動RFID LSI而被全世界廣泛采用。

          大存儲數據載體的優勢就是RFID可以記錄可追溯數據，如制造數據、生產數據、物流數據、維護數據等，因此它可用于各種資產、產品和零部件的管理。由于大存儲數據載體具有這些優勢，人們希望進一步利用FRAM RFID來連接傳感器等設備。基于這些市場需求，富士通微電子開發出了一種帶有串行接口的技術，即超高頻段RIFD LSI上的串行外圍接口(SPI)。

          基于FRAM的FRID LSI的好處 

         FRAM是一種非易失性存儲器，使用鐵電材料作為數據載體，結合了隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)的優勢。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(EEPROM)已經得到廣泛應用，但是當數據被寫入時，EEPROM需要內部升壓電壓，因為數據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(需要數毫秒)，耐擦寫次數也僅限于10萬次。因此，大部分基于EEPROM的RFID LSI都是小存儲容量產品，只適合讀，不適合寫。 

圖：FRAM RFID的應用實例。

          相比較而言，FRAM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/寫次數是100億次。這就是FRAM RFID為什么可以作為數據載體提供大存儲容量的原因。 

         存儲容量大、擦寫速度快的RFID的最重要的優勢在于，它可以在自己的存儲器上記錄數據，由此可以將數據處理方式從集中數據管理轉變為分散數據管理。傳統的EEPROM RFID在很多情況下都采用集中管理的方式，在這種模式下，數據存在了服務器端，需要與標簽本身的ID相關聯。而FRAM RFID可以實現分散數據管理，數據可以存在標簽上，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)和維修領域中的生產歷史管理。在工廠自動化領域中，有數百個流程都需要經常寫入數據。在維修領域中，現場數據確認時也需要經常寫入數據，如維修歷史、零部件信息等，這樣就不需要詢問數據服務器。

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

         在RFID LSI上內置串行接口

          FRAM RFID LSI上已經內置了串行接口，為作為數據載體的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(MCU)相連后，FRAM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寫過的存儲數據，而對于MCU來說，就可以閱讀參數數據，如通過RF接口編寫的運行環境。

          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會定期監測傳感器數據，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據。同時，也可將RFID看作MCU的參數存儲器。在這種情況下，MCU就是存在指定存儲區的一些參數，存儲區中的數據可以通過RF接口改寫，然后MCU就會改變間隔獲取傳感器數據，或者更改閃光燈的條件進行告知。就RFID和傳感器之間的結合而言，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閱讀器日后讀取數據的存儲器。因此有源標簽不能作為數據載體記錄可追溯數據。

          另一方面，FRAM RFID由于存儲容量大，能夠記錄可追溯數據，標簽不在RF區域時也可通過串行接口記錄數據。

          除了傳感應用外，內置串行接口的RFID在理論上可以與受MCU控制的各種應用相連接。實際應用可能包括對工廠設備狀態的監測，比如壓力、流量等，或者游戲機、醫療設備等的歷史數據記錄。就目前掌握的信息來看，這些應用中，有些通過現有的技術(如非接觸式智能卡)就已經達到了應用要求，而有些采用了該技術后在存儲容量、傳輸速度等方面還沒達到要求。但我們希望通過這一技術能發現RFID新的用途和應用，并能將該技術做進一步的測試，從而實現更多構想。

          串行接口連接

          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，另一個就是通信距離。

          RF數據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寫入器提供。這樣，串行數據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或者物體上，電池管理就會成為問題，因為電池壽命結束時無法對電池進行更換。

          因此，根據使用環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。

          關于通信距離，眾所周知，阻抗匹配對于超高頻段至關重要，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，與傳統的RFID標簽相比，天線設計可能會越來越復雜。

          未來發展

          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，由于FRAM擦寫速度快、耐擦寫次數高，因而實現了大容量存儲的數據載體標簽。如今，內置串行接口的RFID增加了一項新功能，即使標簽不在RF區域，也可通過MCU從傳感器等設備上記錄可追溯數據，并可在日后通過RF讀取數據。

          盡管在實際應用中有些問題還需要得到解決，我們還是希望客戶通過樣品對這一功能進行評估，從而發現新的可能性。在與客戶進行評估和探討的過程中，我們將改進LSI的規格的問題。此外，我們有許多MCU產品可以與RFID連接，客戶也可以考慮采用這些產品。