FRAM助RFID升值

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铁电随机存储器(FRAM)RFID由于存储容量大、擦写速度快,一直被用作数据载体标签。内置的串行接口可将传感器与RFID连接在一起,从而丰富了RFID应用。

到目前为止,富士通半导体已经开发出了高频段(13.6MHz)和超高频段(860 MHz到960 MHz)RFID LSI产品。这些产品最重要的特点就是它们内嵌FRAM。由于擦写速度快、耐擦写次数高,它们已经作为数据载体型被动RFID LSI而被全世界广泛采用。


大存储数据载体的优势就是 RFID可以记录可追溯数据,如制造数据、生产数据、物流数据、维护数据等,因此它可用于各种资产、产品和零部件的管理。由于大存储数据载体具有这些优势,人们希望进一步利用FRAM RFID来连接传感器等设备。基于这些市场需求,富士通微电子开发出了一种带有串行接口的技术,即超高频段RIFD LSI上的串行外围接口(SPI)。


基于FRAM的RFID LSI的好处


FRAM是一种非易失性存储器,使用铁电材料作为数据载体,结合了随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的优势。作为用在RFID中的非易失性存储器,电擦除可编程只读存储器 (EEPROM)已经得到广泛应用,但是当数据被写入时,EEPROM需要内部升压电压,因为数据存储的原则就是要看是否带有电子电荷,所以它的写入速度非常慢(需要数毫秒),耐擦写次数也仅限于10万次。因此,大部分基于EEPROM的RFID LSI都是小存储容量产品,只适合读,不适合写。

图:FRAM RFID的应用实例。


相比较而言,FRAM在写和读方面的性能一样好,因为二者的原则一样。FRAM本身的擦写速度是100纳秒,耐读/写次数是100亿次。这就是FRAM RFID为什么可以作为数据载体提供大存储容量的原因。


存储容量大、擦写速度快的 RFID的最重要的优势在于,它可以在自己的存储器上记录数据,由此可以将数据处理方式从集中数据管理转变为分散数据管理。传统的EEPROM RFID在很多情况下都采用集中管理的方式,在这种模式下,数据存在了服务器端,需要与标签本身的ID相关联。而FRAM RFID可以实现分散数据管理,数据可以存在标签上,由此减轻了服务器的载荷。这种方式尤其适合工厂自动化(FA)和维修领域中的生产历史管理。在工厂自动化领域中,有数百个流程都需要经常写入数据。在维修领域中,现场数据确认时也需要经常写入数据,如维修历史、零部件信息等,这样就不需要询问数据服务器。


FRAM的另一个主要特点,是在防辐射方面明显优于EEPROM。例如,在医疗设备和包装、食品或者亚麻布的伽玛射线灭菌过程中,存在EEPROM中的数据会受到放射线的严重影响,因为它的数据存储采用的是电子电荷。而存在FRAM中的数据在高达45kGy的放射水平下仍然不会受到影响。


在RFID LSI上内置串行接口


FRAM RFID LSI上已经内置了串行接口,为作为数据载体的RFID提供了额外的功能。这种配置的主要特点就是,对于同一个FRAM存储区来说,既可以从串行接口进入,也可以从RF接口进入。通过串行接口与微控制器(MCU)相连后,FRAM可以作为MCU的外部存储,并通过RF接口进入。因此,RFID阅读器就可以阅读MCU写过的存储数据,而对于MCU来说,就可以阅读参数数据,如通过RF接口编写的运行环境。


例如,我们可以假设传感器与 MCU相连,那么就可以将RFID看作是一种传感器标签。在这种情况下,MCU会定期监测传感器数据,然后写入FRAM存储器,过段时间后,就可以通过 RF接口读取所收集的可追溯数据。同时,也可将RFID看作MCU的参数存储器。在这种情况下,MCU就是存在指定存储区的一些参数,存储区中的数据可以通过RF接口改写,然后MCU就会改变间隔获取传感器数据,或者更改闪光灯的条件进行告知。就RFID和传感器之间的结合而言,有源标签也是个众所周知的解决方案。但是有源标签只是一种单向通讯模式,它没有可供RF阅读器日后读取数据的存储器。因此有源标签不能作为数据载体记录可追溯数据。

另一方面,FRAM RFID由于存储容量大,能够记录可追溯数据,标签不在RF区域时也可通过串行接口记录数据。

除了传感应用外,内置串行接口的 RFID在理论上可以与受MCU控制的各种应用相连接。实际应用可能包括对工厂设备状态的监测,比如压力、流量等,或者游戏机、医疗设备等的历史数据记录。就目前掌握的信息来看,这些应用中,有些通过现有的技术(如非接触式智能卡)就已经达到了应用要求,而有些采用了该技术后在存储容量、传输速度等方面还没达到要求。但我们希望通过这一技术能发现RFID新的用途和应用,并能将该技术做进一步的测试,从而实现更多构想。


串行接口连接


从客户的反馈来看,我们认识到还需要对串行接口连接的使用问题进行进一步的探讨。其中的一个问题与电池有关,另一个就是通信距离。


RF数据传输是通过被动通信模式建立起来的,这就意味着电源由阅读器或写入器提供。这样,串行数据传输就需要额外的电池。电池问题是有源标签中的普遍问题,我们的技术在实际应用中有时被误解为有源标签。但不管怎样,电池寿命是需要考虑的问题。


从这一点上来看,串行接口的功能最适合于机器或仪器中的嵌入式应用,因为这些应用中总是能提供稳定的电源。但是,如果标签被牢固地安装和依附在一些可移动的资产或者物体上,电池管理就会成为问题,因为电池寿命结束时无法对电池进行更换。


因此,根据使用环境评估电池寿命显得尤为重要,可以考虑一些充电设备,比如充电电池,或者利用一些能源发电的电池。如果在RF通信过程中能够充电,在理论上应该是不错的选择,但是却不实用,因为通信距离会受到严重破坏。


关于通信距离,众所周知,阻抗匹配对于超高频段至关重要,因为它决定了通信性能。因此必须考虑到,匹配阻抗会因为通过串行接口连接各种LSI和器件,或者因为安装在电路板上,而受到严重影响。从上述情况来看,如果使用串行接口,与传统的RFID标签相比,天线设计可能会越来越复杂。

未来发展

RFID起初被用作可由RFID阅读器读取的ID存储。富士通半导体将FRAM用在了RFID,由于FRAM擦写速度快、耐擦写次数高,因而实现了大容量存储的数据载体标签。如今,内置串行接口的RFID增加了一项新功能,即使标签不在RF区域,也可通过MCU从传感器等设备上记录可追溯数据,并可在日后通过RF读取数据。

尽管在实际应用中有些问题还需要得到解决,我们还是希望客户通过样品对这一功能进行评估,从而发现新的可能性。在与客户进行评估和探讨的过程中,我们将改进LSI的规格的问题。此外,我们有许多MCU产品可以与RFID连接,客户也可以考虑采用这些产品。

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