带有串行接口的铁电随机存储器

富士通半导体（上海）有限公司供稿

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。

陈科生

2019-7-26 15:37:01

概述

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，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）。

刘平

2019-7-26 15:37:12

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。

王桂香

2019-7-26 15:37:19

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。

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，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

刘世晓

2019-7-26 15:37:23

关于串行接口使用的探讨

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。

李彬

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陈科生

刘平

王桂香

刘世晓

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