集成溫度傳感器的無源UHF RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

戰(zhàn)金雷，謝 生，管 坤，毛陸虹，張世林

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

近年來，隨著射頻識別(RFID)技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已突破傳統(tǒng)的自動識別與定位。若將RFID與傳感器［1－5］相結(jié)合，則可構(gòu)建用于遠(yuǎn)程監(jiān)測和環(huán)境信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。因此，集成無線傳感器的RFID標(biāo)簽成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

集成溫度傳感器的 RFID 標(biāo)簽芯片［4－6］可有效利用RFID技術(shù)的無線、自動識別特性，方便快速地對溫度敏感環(huán)境和物品進(jìn)行信息采集和檢測。在醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工與存儲、冷鏈物流、火災(zāi)監(jiān)測等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外已有多家科研機(jī)構(gòu)和公司對基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的溫度傳感器進(jìn)行了深入研究。如Intel［7］、Analog Device［8］、復(fù)旦大學(xué)［9］、中國科學(xué)院［5，10］等單位利用模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)技術(shù)將溫度相關(guān)的電壓信號轉(zhuǎn)換為包含溫度信息的數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)溫度測量。盡管這種方法可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度傳感器，但其功耗一般較大，難以與無源RFID標(biāo)簽芯片的低功耗相適應(yīng)。另一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是采用時域數(shù)字量化方法將周期隨溫度變化的時鐘信號［11］或脈沖寬度隨溫度變化的脈沖信號［12］轉(zhuǎn)化為包含溫度信息的數(shù)字信號，通過數(shù)字信號處理獲得溫度信息。這種方法所設(shè)計(jì)傳感器的溫度精度稍差，但功耗極低。

本文基于SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS 工藝，設(shè)計(jì)了一款集成溫度傳感器的無源RFID標(biāo)簽芯片電路。其中包括射頻模擬前端、數(shù)字邏輯控制電路、溫度傳感電路和EEPROM存儲器4部分。集成溫度傳感器復(fù)用模擬前端穩(wěn)壓電路產(chǎn)生的電流信號來采集溫度信息，異步計(jì)數(shù)器利用模擬前端振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號對其采樣計(jì)數(shù)。理論模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)溫度傳感標(biāo)簽的測試范圍在－20℃ ～80℃，可實(shí)現(xiàn)精確的溫度測量。

1 標(biāo)簽系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)標(biāo)簽芯片的整體構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)分為5部分:天線、射頻模擬前端、數(shù)字基帶、溫度傳感電路和EEPROM存儲器。標(biāo)簽收發(fā)信號的通信過程如下:

天線接收閱讀器發(fā)送的射頻信號，并將其傳送至模擬前端模塊。模擬前端將射頻信號混頻成固定的中頻，并進(jìn)行信號放大處理。最后通過解調(diào)器解調(diào)成命令數(shù)據(jù)，送入數(shù)字基帶?；鶞?zhǔn)提供參考電壓，振蕩器為數(shù)字基帶提供1.92 MHz的時鐘信號。數(shù)字基帶模塊收到命令后進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信息附在ACK命令內(nèi)容后發(fā)送回模擬前端模塊。經(jīng)模擬前端正交調(diào)制，脈沖整形等處理后，生成射頻信號，由射頻天線發(fā)送回閱讀器。

圖1 標(biāo)簽系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 標(biāo)簽電路設(shè)計(jì)

2.1 模擬前端電路

圖2 模擬前端總體構(gòu)架

模擬前端電路采用實(shí)驗(yàn)室前期流片、驗(yàn)證的電路結(jié)構(gòu)［13］，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。整流電路(Rectifier)負(fù)責(zé)將天線接收到的RF信號轉(zhuǎn)換至DC信號，穩(wěn)壓電路(Regulator)負(fù)責(zé)將DC信號穩(wěn)定在后級電路所需的工作電壓VDD。當(dāng)閱讀器與標(biāo)簽間的工作距離大幅變化時，穩(wěn)壓電路能確保輸出穩(wěn)定的電壓。解調(diào)電路(Demodulator)利用包絡(luò)檢波原理對接收的 RF信號(DSB-ASK、PR-ASK或 SSBASK)進(jìn)行ASK解調(diào)。當(dāng)解調(diào)電路得到包絡(luò)后，再對其整形以產(chǎn)生數(shù)字電路能夠識別的基帶信號。調(diào)制電路(Modulator)利用反向散射原理對RF信號調(diào)制。由于標(biāo)簽自身不產(chǎn)生載波，因此，在標(biāo)簽反射連續(xù)載波的同時，調(diào)制電路采用T=＞R基帶信號對其幅度進(jìn)行ASK調(diào)制。為使基帶電路正常工作，模擬前端還包括產(chǎn)生時鐘信號和復(fù)位信號的振蕩器(OSC)和上電復(fù)位電路(POR)。另外，采用PTAT電路為解調(diào)電路、振蕩器和復(fù)位電路產(chǎn)生偏置。

2.2 溫度傳感電路

為了與無源RFID標(biāo)簽相匹配，本文采用時域數(shù)字量化方法設(shè)計(jì)了低功耗CMOS溫度傳感器，如圖3所示。

圖3 溫度傳感電路結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)標(biāo)簽系統(tǒng)開始工作時，由數(shù)字基帶發(fā)出復(fù)位信號清空計(jì)數(shù)器，同時輸入到溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊的En_temp端，使其通過偏置電路產(chǎn)生的電流信號來采集溫度信息。信息采集完成后，溫度脈沖轉(zhuǎn)換模塊輸出含有溫度信息的脈沖信號至計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器通過振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號對該脈沖采樣計(jì)數(shù)，得到9 bit溫度信息，并送至數(shù)字邏輯單元進(jìn)行后續(xù)處理。

所設(shè)計(jì)溫度傳感器的最大特點(diǎn)是復(fù)用標(biāo)簽?zāi)M前端電路產(chǎn)生的電流作為溫度轉(zhuǎn)換模塊的偏置電流。由于該電流與溫度平方成比例，將其作用于溫度轉(zhuǎn)換模塊即可獲取寬度隨溫度上升而線性減小的脈沖信號。由于傳感器復(fù)用了模擬前端電路的偏置電流，避免了傳統(tǒng)PTAT和/或CTAT電流引入的額外功耗;采用模擬前端振蕩器產(chǎn)生的信號作為傳感電路計(jì)數(shù)器的時鐘信號，也有效降低了芯片面積和功耗。由于僅采用與溫度成平方關(guān)系的電流來獲取溫度信息脈沖，可實(shí)現(xiàn)測量范圍寬、分辨率高的溫度傳感器。另外，設(shè)計(jì)中采用異步計(jì)數(shù)器對寬脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，有利于進(jìn)一步降低功耗。仿真結(jié)果表明，在1.5 V工作電壓下，溫度傳感電路的功耗僅為100 nW。

2.3 數(shù)字基帶電路

數(shù)字基帶［14－15］是RFID傳感芯片的重要組成部分，主要完成數(shù)據(jù)編解碼、Crc碼校驗(yàn)與生成、防碰撞算法、指令識別與執(zhí)行、信息讀寫控制、溫度信息處理及初始化電路等標(biāo)簽協(xié)議處理。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字基帶電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中主要包括數(shù)據(jù)檢測模塊 Data_detect、解碼模塊 Decoder、校驗(yàn)?zāi)KCrc、公用寄存器模塊Co_register、編碼模塊Encoder、隨機(jī)數(shù)生成模塊Trng、命令解析模塊Cmd_parse、時鐘分頻模塊Divider、控制模塊SCU、功耗管理模塊PMU、溫度信息讀取控制模塊 sensor_control、EEPROM讀寫模塊Read_control/White_control等。

圖4 基帶電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)標(biāo)簽內(nèi)部Data_detect模塊成功檢測到指令的前同步頭或幀同步頭后，啟動解碼電路Decode，進(jìn)行PIE解碼。然后，通過命令解析模塊 Cmd_parse解析所接收命令，解碼數(shù)據(jù)通過公用寄存器Co_register串并轉(zhuǎn)換后進(jìn)行Crc校驗(yàn)。若Crc檢驗(yàn)正確，控制單元模塊通過命令分析做出響應(yīng)并執(zhí)行指令。當(dāng)多標(biāo)簽同時進(jìn)行通信時，由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號，并發(fā)送到控制器，采用Slotted Aloha算法實(shí)現(xiàn)防碰撞。對溫度傳感電路而言，當(dāng)數(shù)字基帶收到ACK命令并進(jìn)行處理時，控制單元模塊與傳感器控制模塊進(jìn)行通信，將溫度傳感器測得的9bit信息發(fā)送給控制單元模塊，并將其附在PC、EPC與CRC－16信息間。經(jīng)編碼后，含溫度信息的返回信號被輸出至模擬前端部分，經(jīng)調(diào)制后發(fā)送給閱讀器。

為了降低功耗，數(shù)字基帶電路設(shè)計(jì)采用全局門控和局部門控相結(jié)合的方式。在全局門控方面，采用功耗控制模塊(PMU)與各功能模塊間的握手通信進(jìn)行芯片全局的模塊控制，從而達(dá)到系統(tǒng)級的功耗管理。

在局部門控方面，借助綜合工具自動插入集成的門控時鐘，實(shí)時關(guān)斷不需要工作模塊的時鐘信號，最大限度地減少時鐘翻轉(zhuǎn)次數(shù)，從而有效降低動態(tài)功耗。

3 電路仿真與FPGA驗(yàn)證

3.1 混合仿真與后仿真

基于 SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS 工藝庫文件，采用Cadence Spectre_Verilog仿真工具對數(shù)字基帶、溫度傳感電路及EEPROM功能模塊(即與EEPROM的操作時序和功能相同的模塊)進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，仿真溫度范圍從－20℃ ～80℃。仿真結(jié)果如圖5所示。對ACK命令返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、提取，即可獲得仿真溫度下傳感標(biāo)簽所讀出的溫度信息，如表1所示。

圖5 基于Cadence的混合仿真結(jié)果

表1 溫度標(biāo)簽返回信息

根據(jù)溫度傳感器有效分辨率的定義［16］

其中，Tmax和Tmin分別表示最高和最低測試溫度，Nmax和Nmin表示與最高和最低溫度相對應(yīng)的數(shù)字輸出。由此可得，在－20℃ ～80℃范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)溫度傳感標(biāo)簽的有效分辨率為0.403℃。

為了驗(yàn)證RFID傳感芯片所測溫度的準(zhǔn)確性，將混合仿真結(jié)果與溫度傳感器理論值進(jìn)行比較，如圖6所示。溫度傳感標(biāo)簽讀出的溫度信息隨著溫度的增加而持續(xù)線性減小，與溫度傳感器理論值具有很好的一致性，說明所設(shè)計(jì)的溫度傳感標(biāo)簽可以很好地實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。

基于 SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS 工藝庫，對數(shù)字模塊進(jìn)行綜合，布局布線和靜態(tài)時序分析后，生成版圖文件。通過寄生參數(shù)提取，對所設(shè)計(jì)芯片進(jìn)行后仿真，后仿結(jié)果與混仿結(jié)果完全一致。

圖6 傳感芯片仿真結(jié)果與傳感器理論值的對比曲線

3.2 FPGA功能驗(yàn)證

采用仿真軟件Modelsim對所設(shè)計(jì)芯片進(jìn)行RTL級功能仿真。仿真結(jié)果通過后，搭建如圖7所示的標(biāo)簽驗(yàn)證平臺進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 標(biāo)簽的FPGA驗(yàn)證平臺

鑒于FPGA無法直接構(gòu)建溫度傳感電路，故采用一個虛擬溫度傳感模塊替代傳感電路，向數(shù)字處理模塊發(fā)送9 bit數(shù)據(jù)。將虛擬溫度傳感模塊、數(shù)字基帶和EEPROM功能模塊進(jìn)行綜合、布局布線后，下載到Altera CycloneⅡ EP2C35F484C8N FPGA中，實(shí)現(xiàn)RFID傳感標(biāo)簽功能。采用同系列FPGA實(shí)現(xiàn)閱讀器的功能，給傳感標(biāo)簽電路發(fā)送命令信號。使用QuartusⅡ軟件中的Signal TapⅡ?qū)FID傳感標(biāo)簽電路的輸入端data_in和輸出端data_out進(jìn)行波形采樣，結(jié)果如圖8所示。圖中波形包括標(biāo)簽發(fā)送的ACK命令，以及ACK命令返回的PC、EPC、溫度信息、CRC－16等數(shù)據(jù)。采樣信息的分析結(jié)果證明，數(shù)字標(biāo)簽芯片能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。

圖8 數(shù)字標(biāo)簽的驗(yàn)證結(jié)果

4 總結(jié)

針對UHF EPC C1 Gen－2協(xié)議，采用時域數(shù)字量化方法設(shè)計(jì)出一款超低功耗的溫度傳感電路。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了包括射頻模擬前端、數(shù)字控制邏輯電路、EEPROM存儲器在內(nèi)的集成溫度傳感器的無源RFID標(biāo)簽。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)溫度傳感RFID芯片在－20℃ ～80℃測溫范圍呈現(xiàn)良好的線性度，與傳感器理論值符合地很好。FPGA驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)標(biāo)簽芯片能精確地返回溫度傳感信息，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

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