向晓安，彭泽忠
(四川凯路威电子有限公司，四川，绵阳 621000)
摘要：射频识别技术（简称RFID） ,已成为21 世纪全球自动识别技术发展的主要方向。
成本低廉、性能可靠、寿命长久的X-RFID 技术的推出，将会使RFID 在多个领域得以广泛应用。
关键词：射频识别（RFID）；X-RFID；低功耗超级永久存储器（XLPM） X-RFID Technology and Its Application
XIANG Xiao-an，PENG Ze-zhong
(Sichuan Kiloway Electronics Ltd, Mianyang 621000, China)
Abstract: Radio Frequency Identification is becoming to be the most important automatic id
entification technology globally in 21 century. X-RFID has many advantages, e.g. low cost, high stability and long life. The application of X-RFID would make it become more popular in many fields.
Key words: Radio Frequency Identification(RFID);X-RFID; Ultra Low-power Permanent Memory(XLPM)
1. RFID技术简介
RFID是无线射频识别技术（Radio Frequency Identification）的英文缩写，是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
RFID 电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。
RFID 技术可识别高速运动物体并可实现批量读取，能同时对几厘米至数十米范围内的物体进行识别，从而成为了自动识别领域一颗耀眼的新星，是继互联网之后的又一次新的技术革命。
2. X-RFID概念及特点
2.1 常规RFID技术
常规RFID芯片通常由射频前端、逻辑控制、存储器等电路组成。RFID标签在进入读写器的工作区域后，接收射频脉冲，芯片内部的数据解调电路从该信号中解调出命令和数据并送到逻辑控制部分，完成数据存储、发送或其他操作。存储器用来存储RFID芯片的ID号及其它用户数据。
常规RFID芯片的存储器采用EEPROM，EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）是用户可更改的非挥发性存储器，断电以后存在的数据不会丢失，EEPROM可通过高于正常工作电压的方法来擦除和重编程（重写）。
常规RFID标签中采用EEPROM作为存储ID码的器件。EEPROM的制造工艺比CMOS工艺
复杂和昂贵，且不能获得先进的标准CMOS工艺（当前商用为0.18μm和0.13μm）实现的器件密度，这是造成RFID标签价格居高不下的技术根源。专家指出，只有标签的单价下降到10美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品，下降到5美分以下，才有可能应用于单件包装消费品（Package Consumer Goods， PCG）。
EEPROM 是利用电平的高低来存放数据的。受到门氧化层质量影响，EEPOM的数据保存能力一般为10年，EEPROM的数据保存能力也决定了常规 RFID芯片的数据保存能力。所以在要求数据保存能力大于10年的领域，需要慎重选择传统的RFID芯片技术，不然会有非常巨大的数据维护工作量，并给可能造成系统的数据混乱。
2.2 X-RFID的技术特点
X-RFID 是凯路威电子独创的一项新的RFID 芯片技术，不同于常规RFID 芯片，它没有采用传统的EEPROM存储器，而是应用了一种新的存储器技术-----XLPM技术。
XLPM即Ultra Low-power Permanent Memory （低功耗超级永久性存储器），是一种新型不挥发存储器（NVM，Non - Volatile Memory）技术。它采用100 %深亚微米标准CMOS 工艺，与制造逻辑电路（CPU ,DSP 等）相同。
X-RFID则是将XLPM 专利技术应用于RFID 标签中，用XLPM 存储器替代传统的EEPROM 作为ID码存储器件，从而使XLPM存储器的优势得到集中的体现。
X-RFID产品在技术上实现重大突破，具有高可靠性和安全性、低成本、数据保存时间长特点。表1中描述了X-RFID与EEPROM-RFID的差异。
| EEPROM-RFID | X-RFID | X-RFID 的特性 |
价格 | 1 | 0.7～0.3 | 硅圆片加工成本和合格率 |
数据保持时间 | 10 年 | ≥100 年 | 数据存储机理 |
防止数据篡改 | 低 | 高 | 可追加数据的档案式存储 |
防止数据侦破 | 低 | 高 | 防伪标签识别“1”和“0”状态无电位差异和视觉差异 |
嵌入能力 | EEPROM 专用工艺 | 100% 标准CMOS工艺 | X-RFID 易于嵌入 SoC |
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表1 X-RFID与EEPROM-RFID特征比较
（1）X-RFID的高可靠性及安全性
标签数据的可靠性和安全性包括标签不被侦破、篡改和伪造。常规RFID芯片中的EEPROM本身是一种从物理上可以擦除和改写数据的存储器件，EEPROM存储器可以利用控制栅改变浮置栅上的电位，从而达到改写的目的。当上述密钥被侦破，ID和数据极易被篡改和伪造。而XLPM存储器是通过改变栅氧化层的导电状态实现ID码存储，其物理状态不可逆转，故X-RFID标签产品具有极高的抗篡改能力。X-RFID芯片采用XLPM存储器作为RFID芯片中ID码存储器件，替代常规RFID所采用的EEPROM。XLPM存储单元的“0”和“1”两种状态，没有电位差异和视觉差异，该特性使X-RFID标签产品具有极高的抗侦破能力。XLPM存储器的独特优势，成就了X-RFID芯片的卓越安全、可靠特性。
图1 XLPM与EEPROM单元结构
（2）X-RFID的低成本
制作工艺技术的选择，直接影响RFID芯片的成本、性能、可靠性等关键市场能力和市场竞争能力。RFID芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读写速度与可靠性更高，成本不断降低。
采用标准CMOS工艺设计制造芯片而不是专用的EEPROM工艺，掩模版和制造工序可以节省四分之一。
图2 X-RFID与EEPROM-RFID工艺掩膜比较
采用XLPM存储器技术的X-RFID芯片，可采用100%的先进的深亚微米标准CMOS工艺，不需增加浮置栅工艺，在同样的工艺档次上，XLPM存储器比传统的EEPROM或Flash存储器成本大幅度降低。 XLPM存储器与制造CPU，DSP的工艺完全相同，具有优异的片上系统（SOC）嵌入性能，使得最终产品的成本可进一步降低。芯片技术将与应用系统整体解决方案紧密结合。
（3）X-RFID标签数据的保持时间长
标签可靠性的一个重要参数是数据保持能力（Data Retention）。传统的RFID芯片采用EEPROM（包括任何以浮置栅为基本结构的存储器）作为存储器件，数据最多保持10年。而XLPM存储器利用电压及电流对编程区内绝缘介质（栅氧化层）的冲击，从而不可逆地改变介质的导电特性（电阻）。实现数据“0”和“1”的存储。其数据保持能力从原理上远高于EEPROM，并已经得到实际考核的验证。由中电科技集团58所检测中心实施的高温加速寿命试验证实，X-RFID芯片在常温下的数据保持时间大于100年。
3. X-RFID芯片
基于X-RFID技术的芯片，采用了超低功耗XLPM存储器技术和新型X-RFID射频（RF）设计技术，突破常规RFID芯片采用的EEPROM存储器和专用的EEPROM工艺，具有高可靠性和安全性、低成本、保存时间长特点。
X-RFID芯片采用业内先进的标准CMOS工艺制程进行设计开发，可用作IP Core，进一步设计许多新颖的系统级芯片（SOC），例如将X-RFID作为IP Core嵌入手机芯片或其它移动装置的芯片，实现片上系统的整合应用。
XLPM技术在RFID超高频标签芯片的设计中也得到应用。如图3所示。
图3 X-RFID超高频标签芯片结构图
X-RFID芯片由模拟模块、基带处理电路和XLPM存储器组成。
模拟模块包括电压参考电路、匹配电路、复位、整流器、稳压电路、调制及反调制电路。电压参考电路是用于产生稳定的、与温度和电源电压无关的基准电压，并为其他模块提供电压电流偏置。
振荡器模块输出稳定的时钟，与高频（HF）频段的RFID不同，超高频（UHF） RFID标签的时钟信号不能直接从载波信号中通过分频的方式获得，而只能通过本地振荡器来产生。但是，本地振荡器容易受到工艺、温度和电源电压等的影响，其时钟精度一般较差，因此还要利用控制逻辑电路来实现时钟同步，从而达到相关标准所要求的时钟精度。在ISO 18000-6的Type C和EPC C1G2标准标签时钟的容差要求最小是±4%，偏差要求是±2.5%。
匹配网络其功能是实现标签芯片的输入阻抗与天线之间的阻抗匹配，从而满足最大功率传输条件。整流器的作用是将天线接收到的交流信号转换为直流电压，产生标签芯片所需的电源，而稳压器则是为整流器所产生的直流电压提供泄流支路，产生稳定的电源电压，从而对电源电压起到限幅以及保护芯片的作用。
解调（DEMOD）和反向散射电路（MOD）主要是对阅读器接收到的包络信号进行解调，获得所需的数字基带信号，将其提供给控制逻辑电路，并最终将控制逻辑电路返回给阅读器的信号经反向散射，返回给阅读器。
基带处理逻辑电路主要用于处理射频模拟前端电路解调后得到的数字基带信号，控制与XLPM进行通信，同时根据阅读器发送的命令，返回相应的信号。其主要包括了时钟同步模块、解码模块、编码模块、CRC校验模块、功耗管理、控制单元、移位寄存器和存储器等几个主要组成部分。因为采用门控时钟方式，所以能极大地降低功耗。
该芯片在0.13微米CMOS工艺上成功流片，芯片完全支持EPCglobal Class 1 Gen2协议，具备低成本、低功耗读取写入特征，使用适当天线后其读写距离可以达到10米以上。芯片的存储区按分块管理，可以分别锁定并口令保护，芯片在出厂后具有一个64位不可更改的序列号，以保证芯片的唯一性。另外，该芯片还具有优越的抗冲突功能，可以保证多卡准确识别。
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