串行接口的FRAM RFID LSI概述

　　FRAM 概述

　　作为行业中最大的铁电随机存储器（Ferroelectric Random Access Memory）供应商，富士通公司早在1998年就将铁电随机存储器结合到微处理器中，并在1999年推出批量产品，均为行业之最。新一代的非易失性铁电随机存储器在性能上超过现有的存储器，比如电可擦除只读存储器（EEPROM）、电池后备供电静态读写存储器（BBSRAM）。铁电随机存储器耗电更少，对于多次读写运算具有更高的耐受性。这一突破性存储介质正在各种应用中使用，包括智能卡、无线射频识别（RFID）和安全应用。

　　铁电随机存储器属于非易失性存储器，但在其它各方面则类似于随机存储器。因此，和其它类型的非易失性存储器相比（如电可擦除只读存储器和闪存），它的特点是写入速度更快，擦写次数更多，同时耗电少。

　　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。

　　富士通开发的 RFID 专用芯片，在原有 13.56MHz 的 HF 频带的基础上，又增 加 了 860 ～ 960MHz 的 UHF 频 带 产品。其最大的特点就是配备了铁电随机存储器FRAM（Ferroelectric RandomAccess Memory），从而灵活运用其高速写入、可多次擦写等特性，作为大容量数据载体型无源 RFID 专用芯片，在国 内外得以广泛应用。

　　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。

　　LSI公司是创新芯片、系统和软件技术的领先供应商，采用LSI技术的产品可以使消费者与信息及数码内容之间无缝的融合。公司在众多领域提供产品和服务，包括定制和标准芯片、适配器、系统和软件。我们的产品已经获得众多世界级知名品牌的信任，为存储和网络市场提供了许多领先的解决方案。

　　为了供应市场上的需求，我们开发出了一种带有串行接口的技术；超高频段RIFD LSI上的串行外围接口（SPI）。此次，富士通从此种市场需求入手，开发出了在 UHF 频带 RFID 专用芯片中配置串行接口SPI的技术。

　　FRAM FRID LSI的附加值

　　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（E2PROM）已经得到广泛应用，但是当数据被写入时，E2PROM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E2PROM的RFID LSI都是小存储容量产品，只适合读，不适合写。

　　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E2PROM 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，就是在防辐射方面明显优于E2PROM。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E2PROM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。

　　RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。基本的RFID系统由标签（Tag）、阅读器（Reader）、天线（Antenna）。RFID技术有着广阔的应用前景，物流仓储、零售、制造业、医疗等领域都是RFID的潜在应用领域，另外，RFID由于其快速读取与难以伪造的特性，一些国家正在开展的电子护照项目都采用了RFID技术。

　　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（以下将“微控制器”简称为“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。

　　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，有些采用了我们的技术后在存储容量、传输速度等方面还没达到要求。

　　但是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。

图1 FRAM RFID 应用实例

　　探讨有关串行接口使用的问题

　　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。这样的话，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。

　　未来发展形式

　　由于RFID代表射频识别（RADIo Frequency IDentification），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上，由于FRAM擦写速度快、耐擦写次数高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，即时标签不在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。

　　后续发展工作

　　所谓 RFID，究其根本，顾名思义，就是可以利用 RF 读取的ID。存储器使用大容量的 FRAM，则 RFID 可作为数据载体频繁进行写入；本篇所介绍的芯片 配置了串行接口，为 RFID 带来了新的 应用。即 RFID 能够通过 MCU 与传感器等进行连接，从而在无读写器的环境下，也能实现数据的管理，并利用 RF 读出其历史记录。虽然这在技术上是可行的，但是在实用性上还存在着很多问题。因此，该芯片可用作评估 RFID 新应用的样片，今后，希望通过客户的使用和我们自己的评估，逐步完善芯片的性能，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，此外，与 RFID 相连的 MCU 也已形成产品线，请在使用过程中一并给以评估。