FAST-RFID - Effiziente
Entwicklung massgeschneiderter RFID-Chips

FAST-RFID - Effiziente Entwicklung massgeschneiderter RFID-Chips
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Beispiel eines RFID Moduls mit Chip und Spule
26.09.2012 | Eine umfassende, validierte Plattform und eingespielte Entwicklungsprozesse führen zu Lieferzeiten von 6 Monaten für kundenspezifische RFID-Chips. DELTA Microelectronics bietet in der Schweiz in Zusammenarbeit mit Parametric Engineering GmbH solche Lösungen an. Beispiele zeigen die Leistungsfähigkeit dieses umfassenden Plattformkonzepts.

Das Produkt “FAST-RFID” basiert auf einer Reihe von vorentwickelten und verifizierten Analog-Front End IP-Komponenten für RFID-Anwendungen. Dies führt zu kurzen Entwicklungszeiten und einem klar definierten und geradlinigen Entwicklungsablauf. Eine gute Vorbereitung und Risikominimierung ist unbedingt nötig, damit die in diesem Bereich entwickelten ICs ohne Redesign eingesetzt werden können („First Time Right“) – Auch wenn sie komplexere Subsysteme enthalten, wie etwa CPUs, Sensor-Auswertungsschaltungen oder Speicherblöcke. Diese zusätzlichen Funktionen machen unter anderem Anwendungen in den Bereichen überwachung, Schutz und Logistik möglich.

 

Damit Standard-RFID Lesegeräte vom Markt benutzt werden können, müssen sich die RFID-Chips in Ihrer Funktionalität an die ISO 14443 or ISO 15693 and ISO 18000-6C Standards halten. Dies ist bei einer umfassenden Plattform auch gegeben.

RFID für Sensorik, Logistik und Überwachung

RFID für Sensorik, Logistik und Überwachung
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ISO Standards für RFID

Die RFID-Technologie wurde bislang primär für Identifikationszwecke benutzt und diente daher gewissermassen als elektronischer Barcode. Die technologische Basis kann aber auch für intelligente aktive oder passive Sensorsysteme benutzt werden, sofern auf einfache Art und Weise weitere passende und den Anforderungen entsprechende Funktionsblöcke zum System hinzugefügt werden können.

 

Durch die im Betrieb vom Reader zum RFID Modul übertragene Energie kann ein passives Modul gespeist oder die Funktionsdauer eines aktiven Moduls entscheidend verlängert werden. Es ist hier möglich, prinzipiell beliebige Funktionsblöcke zum System hinzuzufügen, vorausgesetzt, sie entsprechen den Anforderungen bezüglich Leistungsaufnahme und Schnittstellen. Durch die verschiedenen Formfaktoren (Labels, Plastikkarten o.A.)  können zum Beispiel Module zur überwachung von Gütertransporten oder für Sensorsysteme benutzt werden.


 

Welcher Frequenzbereich sollte benutzt werden?

 

Vor dem Start der Entwicklung müssen diesbezüglich also einige Punkte geklärt werden. RFID-Systeme sind durch Ihre Betriebsfrequenzen in drei Gruppen unterteilt:

  • LF (30-300 kHz)
  • HF (3-30 MHz)
  • UHF (300 MHz – 3 GHz)

Die Auswahl des Frequenzbereiches alleine genügt aber nicht.  Die Art der Kopplung (wie die Energie und die Daten übertragen werden) und die erreichbare Reichweite sind von den Frequenzen abhängig. Manchmal ist eine grosse erreichbare Betriebsdistanz zwischen Reader und RFID-Modul ein Vorteil (zum Beispiel wenn Daten an einer zentralen Stelle in einem Sensornetzwerk gespeichert werden sollen), in anderen Fällen soll die Distanz aus Sicherheitsgründen sehr kurz sein (elektronischer Zahlungsverkehr).

 

Ein dritter wichtiger Parameter ist die Menge der zu übertragenden Informationen und das übertragungsintervall (Bandbreite). Im Zusammenhang mit Sensornetzwerken genügt die Betrachtung eines einzelnen Moduls nicht; sobald viele Einheiten gleichzeitig ausgelesen werden sollen, können unter Umständen Schwierigkeiten entstehen. Eine leistungsfähige Entwicklungsplattform für RFID-Systeme bedingt nebst den Hardware-und Software-Funktionsblöcken auch grosse Erfahrung in dem Bereich, die dem Kunden in der Planungs- und Entwicklungsphase zur Verfügung gestellt werden kann.

 

FAST-RFID Chips von DELTA entsprechen den Standards ISO 14443, ISO 15693 und ISO 18000-6C. Front-End IP für alle Standards wurden von DELTA Microelectronics entwickelt und sind verfügbar.


 

Enge Zusammenarbeit für optimale Lösungen

 

Der Kunden soll als integrierter Teil des Entwicklungsprozesses eingebunden werden, um eine optimale Abdeckung aller (auch den versteckten) Anforderungen zu erreichen. Typischerweise startet der Prozess mit einem Kick-Off Meeting, in dem zusammen mit dem Kunden ein überblick über die Anforderungen, technische Lösungsvorschläge sowie die Partitionierung des Systems in Hardware und Software erarbeitet werden.

 

DELTA Microelectronics kann ganze Entwicklungsvorhaben für Kunden mit weniger technischen In-House Ressourcen durchführen. Der Fokus liegt aber klar bei der Durchführung der Projekte zusammen mit dem Kunden und dem Aufbau von technischem Know-How, so dass Folgeprojekte noch schneller, günstiger und mit grösserer Planungssicherheit durchgeführt werden können.

 

Ein integrierter Teil der Entwicklungsplattform sind voll funktionelle Leiterplatten mit integrierten Spulen, einem Analog-Frontend und einem FPGA. Diese Referenzdesigns entsprechen Standard-Anforderungen und die Koppelspulen können entsprechend der Kundenapplikation optimiert werden.

 

Das Analog-Frontend stellt sicher, dass Standard-Reader mit dem Modul kommunizieren und es speisen können. Die Entwickler von DELTA Microelectronics haben für alle Standards Analog-Frontends entwickelt. Diese IP wurde in Kundenprojekten für verschiedene Anwendungen und mit verschiedenen Foundries benutzt und ist daher sehr ausgereift.

 

Die FPGA-basierten Referenzsysteme können vom Kunden für die Entwicklung und Verifikation seiner an die RFID-Hardware angeschlossenen Logik benutzt werden. Eine Anzahl verifizierter Standard-IP Cores von DELTA (wie etwa Mikroprozessoren, Verschlüsselung oder serielle Schnittstellen) kann hierbei für die Entwicklung benutzt werden. Für eine eventuelle analoge/gemischte Signalverarbeitung existiert auch IP (Verstärker, Filter, Konverter).

 

Das integrierte Plattformkonzept mit Fast Prototyping-Möglichkeit erlaubt dem Kunden, sein System auf allen Ebenen zu verifizieren und zu optimieren, noch ohne signifikante interne und externe Investitionen.


 

Realisierung von Kundenspezifischen RFID-ASICs

 

Sobald die Entwicklung auf Kundenseite abgeschlossen ist, wird der VHDL Code für den ASIC an DELTA Microelectronics für die Implementation übergeben. ASIC Ingenieure kombinieren dann das Analog-Frontend und die VHDL-Implementation der digitalen Logik im Teil des Kunden. Für die Generierung von RTL Code und das Back-End (z.Bsp. Place-and-Route, Simulation, Stromverbrauchsoptimierung) werden Cadence Tools benutzt. Die GDS-II Daten werden zur Maskenproduktion gesandt und Prototypenwafers werden in der gewählten Foundry produziert.

 

Nach Eintreffen der Prototypen werden die Wafers bei DELTA geschnitten und eine Anzahl von Bauteilen zur Verifikation wird innerhalb einiger Tage in ein Gehäuse verpackt. Das Verpacken in ein QFN-Gehäuse wird bei DELTA intern normalerweise innert 24 Stunden erledigt. Die Prototypen können also innert kürzester Zeit getestet werden.


 

Einfach, sicher und schnell zu Prototypen mit FAST-RFID

 

Der gesamte Prozess von der übergabe des VHDL-Codes durch den Kunden bis zur Verfügbarkeit der Prototypen dauert in der Regel 6 Monate. Sobald die Prototypen verifiziert sind und alles nach Plan funktioniert, beginnt die Schlussphase der Entwicklung. Die Massenproduktion und Lieferung von grösseren Stückzahlen kann innert 9-12 Monaten nach dem Projektstart erfolgen.

 

Zusätzlich zu der kundenspezifischen Funktionalität erreichen wir mit einem auf eine Anwendung hin optimierten Chip die kleinstmögliche Systemgrösse. Einige RFID-Chips haben eine Fläche von nur 0.25 Quadratmillimeter. Solche Chips werden typischerweise für nicht-intelligente Barcodes benutzt. Sobald mehr Funktionalität in den Chip integriert werden soll, wie etwa Verschlüsselung oder ein Datenspeicher, werden die Chips grösser. Der Trend bei Kundenprojekten über die Jahre hat gezeigt, dass eine Tendenz zu grösseren Chips besteht, da diese immer mehr Intelligenz enthalten.

Fallstudie: RFID mit Temperatursensor

Fallstudie: RFID mit Temperatursensor
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Ein typisches Blockdiagramm eines passiven RFID-Systems mit Analog-Frontend, digitalem SERDES Core und kundenspezifischen Funktionen

Eine auf RFID basierte Lösung zur überwachung medizinischer Güter wurde von DELTA Microelectronics entwickelt. Die Lösung enthält ein aktives 900 MHz RFID-Tag mit integriertem Temperatursensor. Der Chip misst die Umgebungstemperatur. Wenn Blutkonserven über eine längere Strecke transportiert werden müssen, ist eine Temperaturkontrolle für den darauf angewiesenen Patienten überlebenswichtig.

 

Das System in diesem Beispiel enthält eine integrierte Batterie, die eine Temperaturmessung in gewissen Intervallen während des Transports ermöglicht (z.Bsp. jede Minute). Falls die Batterie beschädigt oder leer ist, werden keine weiteren Temperaturpunkte mehr aufgenommen, die schon gemessenen können aber immer über die RFID-Schnittstelle  ausgelesen werden.

 

Wenn Behälter mit Blutkonserven einen „Checkpoint“ passieren, können Daten wie etwa die Blutgruppen oder die Anzahl Behälter ausgelesen werden, dies bedeutet eine erhebliche Erhöhung der Qualitätssicherheit im Transportablauf. Dazu werden die Temperaturmessungen mit Zeitstempeln abgespeichert, die Möglichkeit der genauen Abklärung und Behebung von potentiellen Problemen erlaubt eine weitere Verbesserung der Prozess-Qualität.

 

Die Tags können mit einem Ausleseschutz versehen werden. Es ist auch möglich, die übertragenen Daten (zum Beispiel persönliche Daten des Blutspenders) zu verschlüsseln, um eine erhöhte Datensicherheit zu erreichen.

 

DELTA Microelectronics, beheimatet in Dänemark, bietet eine komplette Palette von ASIC Dienstleistungen an, von Design über Produktion und Test bis zu Logistik. über 100 ASICs und über 500 Projekte im Bereich ASIC Test bezeugen die grosse Erfahrung dieser im Jahre 1974 gegründeten Firma.

 

Parametric Engineering GmbH ist als Schweizer Partner von DELTA Microelectronics  Anlaufstelle für Fragen im Zusammenhang mit kundenspezifischen Chips.

 

Informationen:
Parametric Engineering GmbH
Längmättli 2
3662 Seftigen
info@parametric.ch
www.parametric.ch


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