超低功耗低频电子标签基带处理器的研究

论文摘要

本论文系统论述了低频电子标签基带处理器的工作原理及实现方法,并就低功耗技术在该处理器上的运用作了详细分析与研究。首先,详细介绍并分析了低功耗设计对RFID系统的重要性及低频电子标签所采用的协议,介绍了一种新型低功耗电路——绝热电路的工作原理,通过理论推导与计算,详细分析了该电路单元结构的能耗,并就现有不同分类,不同种类的绝热电路单元结构的工作原理、性能特点及其能耗方式作详细介绍与比较。其次,采用结构级低功耗设计方法,设计了一款完全兼容协议的低频电子标签基带处理器。设计中提出了一种异步解码方法,解决了100%振幅键控调制模式下时钟中断的问题;提出了一种新颖的利用指令头解析与片选信号相结合的指令解析机制,大大提高了指令解析处理的速度,从而改善了由于低频RFID系统频率较低而导致其数据处理和指令执行速度缓慢的问题;提出了一种适于低频RFID协议的抗干扰方法;采用了流水线结构的工作模式来显著提高标签响应速度。并且在完整实现基带处理器功能的基础上,设计中综合运用能量管理,电路结构优化等多种低功耗设计方法,从而极大地降低了芯片的功耗与面积。该设计通过流片实现(SMIC0.18工艺),并得到完整测试结果。最后,分析了在绝热电路在低频基带处理器低功耗设计中的运用所存在的几个关键性问题:与传统CMOS电路的兼容,如何分配绝热电路的组合逻辑与时序逻辑,如何选择设定绝热电路的扇入数与输入级数等。针对第一点,本文采用一种全新的准静态绝热电路结构单元,并且与现有的绝热电路相比,该单元结构的能耗也有一定的降低。针对第二点和第三点,本文提出一种全新的将传统CMOS电路变换为绝热电路的替换方法,既能使绝热电路的扇入数与级数达到最优值,同时又能合理分配每个寄存器输入信号的组合逻辑与时序逻辑。本设计(绝热低频基带处理器)给出了仿真验证结果,与传统CMOS电路的实现结果进行了比较,并通过流片实现(SMIC0.18工艺)。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 射频识别
• 1.1.2 低功耗设计
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文研究的内容和贡献
• 1.4 论文组织结构
• 第2章 低频电子标签工作原理及协议规范
• 2.1 低频电子标签工作原理
• 2.1.1 低频电子标签的能量供应
• 2.1.2 低频电子标签构成
• 2.2 低频电子标签协议规范
• 2.2.1 RTF（Reader Talk First）模式
• 2.2.2 TTF（Tag Talk First）模式
• 2.2.3 RTF模式与TTF模式的转换
• 第3章 低功耗设计方法与电路能耗分析
• 3.1 传统CMOS电路的能耗分析
• 3.1.1 短路电流功耗
• 3.1.2 漏电流耗
• 3.1.3 动态功耗
• 3.2 低功耗设计的基本方法和途径
• 3.3 绝热电路能耗分析
• 3.4 绝热电路的特点及分类
• 3.4.1 全绝热和部分绝热电路
• 3.4.2 基0和基1电路
• 3.4.3 时钟源的相位
• 3.4.4 绝热电路功能扩充
• 第4章 基带处理器的结构级低功耗设计
• 4.1 基带处理器架构
• 4.2 基带处理器子模块
• 4.2.1 中央处理
• 4.2.2 信号解码
• 4.2.3 指令解析
• 4.2.4 存储器接口
• 4.2.5 数据编码
• 4.2.6 辅助计数
• 4.2.7 时序控制
• 4.2.8 CRC
• 4.3 仿真及测试结果
• 4.3.1 基带处理器的HDL仿真
• 4.3.2 基带处理器的FPGA验证
• 4.3.3 芯片测试
• 第5章 基带处理器的绝热电路实现
• 5.1 功率时钟的生成
• 5.2 兼容传统CMOS电路
• 5.3 二相绝热电路单元结构
• 5.3.1 二相绝热电路研究现状
• 5.3.2 2n-2n2p2d电路
• 5.4 绝热基带处理器的实现
• 5.4.1 单元库替换
• 5.4.2 绝热基带处理器架构
• 5.4.3 仿真验证结果
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢