摘 要:針對現(xiàn)有感知識別電路在實際運行中存在靈敏度低、功耗大的問題,開展物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識別電路設(shè)計研究。為實現(xiàn)電路的通信傳輸,合理選擇射頻感知識別電路通信協(xié)議。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)感知識別信息采集。采用閾值補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢ξ锫?lián)網(wǎng)射頻電路前端進(jìn)行設(shè)計。利用流水線工藝,實現(xiàn)電路數(shù)字低功耗設(shè)計。通過實例證明,新的電路在實際運行時靈敏度更高,且靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗均能夠控制在理想范圍內(nèi),應(yīng)用效果較好。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);感知識別電路;射頻電路;閾值補(bǔ)償;靜態(tài)功耗;動態(tài)功耗
中圖分類號:TP39;TN4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2024)06-0-03
0 引 言
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,RFID已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。射頻感知識別技術(shù)以其非接觸、快速、高效的特性,在物流管理、身份識別、智能交通等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。因此,對物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識別電路的設(shè)計研究具有十分重要的意義[1]。傳統(tǒng)的射頻感知識別電路通常使用射頻能量的幅度或相位信息進(jìn)行信號識別。近年來,隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,新型射頻傳感器如表面聲波傳感器、共振傳感器等也被引入射頻感知識別電路中,提供了更多的信號特征,但在應(yīng)用過程中其存在靈敏度低、功耗大的問題[2-3]。在該背景下,開展物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識別電路設(shè)計研究。
1 射頻感知識別電路通信協(xié)議選擇
為實現(xiàn)電路的通信傳輸,對射頻感知識別電路通信協(xié)議進(jìn)行選擇。本次選取高頻協(xié)議,其基本參數(shù)信息見表1所列。
讀寫器和標(biāo)簽間的數(shù)據(jù)傳遞采用載波調(diào)制方法。利用不同時間間隔的脈沖產(chǎn)生數(shù)據(jù)編碼,每個脈沖的時間間隔都對應(yīng)特定的數(shù)據(jù)編碼信息。在傳輸數(shù)據(jù)時,脈沖的下降沿(從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換)被標(biāo)簽所檢測[4]。標(biāo)簽通過測量2個脈沖下降沿之間的時間間隔,即所謂的脈沖時間間隔(Tari)來解碼接收的數(shù)據(jù)。
2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知識別信息采集
在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,射頻感知辨識信息獲取方法以感知層為核心,構(gòu)建3層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。在具體設(shè)計過程中,制定了SEN_once_read、SEN_period_read和SEN_period_start共3個命令,分別用于實現(xiàn)感知識別電路中對信息的單次采集、周期性讀取和周期性采集[5]。信息采集命令是核心功能,便于用戶選擇內(nèi)置的溫度傳感器或外接的傳感器[6]。該設(shè)計滿足了不同場景的需求,無論是需要精確測量的場合還是需要大量數(shù)據(jù)的場合。在命令的優(yōu)先級設(shè)置上,綜合考慮各種因素,設(shè)定傳感器信息采集命令為較高優(yōu)先級,僅次于開關(guān)狀態(tài)變化計數(shù)命令。這樣的安排確保了在處理其他協(xié)議規(guī)定和用戶自定義的命令時,傳感器信息采集命令能夠得到及時執(zhí)行。為避免在信息采集過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出問題,對標(biāo)簽芯片上的存儲區(qū)進(jìn)行了精心規(guī)劃。對于單次信息采集任務(wù),預(yù)留48 b存儲區(qū),以容納所需數(shù)據(jù)。而對于需要連續(xù)、周期性采集的情況,分配3 Kb存儲區(qū),以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性[7]。
3 物聯(lián)網(wǎng)射頻電路前端設(shè)計
天線模塊是射頻電路前端的重要組成部分,負(fù)責(zé)傳輸和接收無線信號。需要根據(jù)應(yīng)用需求和射頻頻率來設(shè)計和選擇合適的天線類型和尺寸。在射頻電路中,阻抗匹配至關(guān)重要,其決定了信號的傳輸效率和能量損耗。在電路中,背壓整流電路可以采用N級Dicson電荷泵結(jié)構(gòu),利用二極管作為整流器件,將交流信號轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓。假設(shè)輸入的交流信號幅度為Vin,為進(jìn)一步簡化運算,將輸入信號看作方波信號,其最終的輸出直流電壓可表示為:
(1)
式中:Vout表示輸出直流電壓;N表示整流電路的級數(shù);C表示耦合電容;Cs表示節(jié)點寄生電容;Vth表示二極管閾值電壓;Iload表示整流電路的負(fù)載電流;f表示輸入信號頻率。由式(1)可以明確看出,增加電路的級數(shù)以及降低后級電路的負(fù)載電流,都可以有效增大輸出電壓。然而,二極管的閾值電壓Vth是影響輸出電壓的關(guān)鍵因素。當(dāng)Vin小于或等于Vth時,二極管將無法正常導(dǎo)通,導(dǎo)致輸出電壓接近0。此外,節(jié)點寄生電容Cs也是影響輸出電壓的一個重要因素。盡管它不如閾值電壓Vth對輸出電壓的影響顯著,但仍然會對輸出電壓產(chǎn)生一定的降低效果[8]。
為獲得更高的輸出電壓,需要設(shè)計電路的級數(shù)和后級電路的負(fù)載電流。同時,還需特別關(guān)注二極管的閾值電壓和節(jié)點寄生電容的影響,以確保輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。假設(shè)所有C和Cs開路,2N個二極管相互串聯(lián),則此時二極管直流偏置可表示為:
(2)
式中:VBias_DC表示二極管直流偏置;2N表示二極管串聯(lián)數(shù)量。由于后級電路的最低工作電壓通常為1 V,因此,采用閾值補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ玫阶罱K設(shè)計的兩極倍壓整流電路,其電路如
圖1所示。
圖1中,Vrf表示輸入射頻信號幅度;RL表示電阻;VA表示節(jié)點A電壓;RA表示節(jié)點A電阻。
4 數(shù)字電路低功耗設(shè)計
在射頻感知標(biāo)簽芯片的設(shè)計中,有很多的數(shù)據(jù)需要處理,所以可以采用低能耗的流水線技術(shù)來降低電路的能耗。流水線技術(shù)應(yīng)用后,電路功耗的計算公式為:
(3)
式中:P表示功耗;c表示電路的等效電容;V表示電源電壓;F表示電路的工作頻率。每個流水線級的功耗可以通過上述公式計算,然后將各級功耗相加即可得到流水線的功耗。在數(shù)字電路設(shè)計中,有限狀態(tài)機(jī)(FSM)是一種常用的時序邏輯電路模塊,其能夠進(jìn)行信號序列檢測、輸入命令處理或控制輸出數(shù)據(jù)等任務(wù)。FSM的能耗主要來源于邏輯電路和狀態(tài)寄存器觸發(fā)電路,可通過狀態(tài)壓縮、冗余消除、動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)等方式完成該模塊的低功耗設(shè)計,具體如下:
(1)狀態(tài)壓縮:對于FSM中的狀態(tài),如果多個狀態(tài)在相同轉(zhuǎn)換條件下具有相同后續(xù)狀態(tài),那么可以將這些狀態(tài)合并為一個狀態(tài)。通過壓縮可以減少狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)量,從而降低功耗。
(2)冗余消除:檢查FSM中是否存在冗余的狀態(tài)或轉(zhuǎn)換。如果存在,可以通過消除這些冗余來降低功耗。例如,如果一個狀態(tài)只被訪問一次,那么可以刪除該狀態(tài)。
(3)動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié):根據(jù)FSM的工作負(fù)載和需求,動態(tài)調(diào)節(jié)電壓和頻率可以有效降低功耗。在輕負(fù)載或空閑狀態(tài)下,可以降低電壓或頻率;而在高負(fù)載狀態(tài)下,可以提高電壓或頻率以保證性能。
5 實例應(yīng)用分析
為驗證設(shè)計思路的可行性,對該電路進(jìn)行研制,并結(jié)合電路實際運行效果實現(xiàn)對設(shè)計方案可行性的驗證。在對電路運行效果檢測時,所需用到的測試設(shè)備包括:Inpinj型號讀寫器A;SENSE-S1645型號讀寫器B;ARM9型號開發(fā)板;Agilent DSO90254A型號示波器。檢測該辨識電路的靈敏度:首先,將被測裝置經(jīng)一根同軸電纜與綜測儀RF1接口相連;然后,在菜單中選擇靈敏度檢測接口,設(shè)定信號的頻率、調(diào)制參數(shù)、數(shù)據(jù)源;最后,設(shè)定電源,以保證被測試裝置能夠收到并準(zhǔn)確顯示。在此基礎(chǔ)上,逐級減小功耗,直至被測試裝置無法正常接收數(shù)據(jù)。在這一點上,綜測儀可以讀取結(jié)果。射頻傳感辨識電路并不要求其具有較高的靈敏度,而應(yīng)結(jié)合具體的應(yīng)用要求進(jìn)行平均值求解。在某些應(yīng)用場景下,高靈敏度可以提升電路的識別能力和適應(yīng)性,但在另一些應(yīng)用場景下,過高的靈敏度可能導(dǎo)致誤識別和干擾。根據(jù)此次測試的要求,射頻感知識別電路的靈敏度應(yīng)當(dāng)控制在-5.0~-15.0 dBm范圍內(nèi)。共進(jìn)行10次測試,記錄每一次電路靈敏度結(jié)果,見表2所列。
從表2中我們可以清晰地看到,經(jīng)過10次運行測試,按照文中所闡述的設(shè)計思路研發(fā)的射頻感知識別電路,其靈敏度均穩(wěn)定在-5.0~-15.0 dBm理想范圍內(nèi)。這一結(jié)果表明,該電路在實際應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出相當(dāng)理想的應(yīng)用性能。
為進(jìn)一步驗證這一結(jié)論,作者不僅關(guān)注了電路的靈敏度,還特別關(guān)注了其在運行過程中的功耗。在設(shè)計階段,已經(jīng)充分考慮了低功耗的需求。
在進(jìn)行靈敏度測試的同時,對這10次運行過程中的功耗進(jìn)行了詳細(xì)記錄。這些數(shù)據(jù)被整理并記錄在表3中,以便后續(xù)分析和比較。
該電路在運行過程中,靜態(tài)功耗應(yīng)控制在總功耗的10%~20%,動態(tài)功耗應(yīng)控制在總功耗的20%~30%。從表3中的數(shù)據(jù)中可以看到,該射頻感知識別電路在保證高性能的同時,也展現(xiàn)出了良好的低功耗特性。
綜上所述,基于文中所提出的電路設(shè)計思路,研發(fā)出的射頻感知識別電路不僅在靈敏度方面表現(xiàn)出色,滿足了實際應(yīng)用需求,更在功耗控制方面取得了顯著成果。這為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在實際應(yīng)用中提供了更為可靠、節(jié)能的解決方案,進(jìn)一步推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展[9-10]。
6 結(jié) 語
物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識別技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一,具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究價值。文中對物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識別電路的設(shè)計進(jìn)行了研究,介紹了射頻感知識別技術(shù)的原理和電路設(shè)計的主要內(nèi)容。雖然目前射頻感知識別電路的設(shè)計已經(jīng)取得了一定進(jìn)展,但仍存在一些挑戰(zhàn)和問題需要解決。未來,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,射頻感知識別技術(shù)將有更廣泛的應(yīng)用前景,射頻感知識別電路的設(shè)計研究仍需不斷深入。
參考文獻(xiàn)
[1]黃春雷,禹建麗. ZPW-2000R軌道電路列車運行數(shù)據(jù)特征分析和識別方法[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2021,18(s1):90-94.
[2]高博斌,楊長江,常軍.基于深度學(xué)習(xí)的鋅電積電化學(xué)阻抗譜等效電路的高效識別[J].礦冶,2022,31(3):59-66.
[3]宗銳,何福根,張帆遠(yuǎn).一種具有學(xué)習(xí)功能的電器識別電路設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程,2023,31(19):122-125.
[4]郭志華,薛曉慧,厲娜,等.一種智能電表電路暫態(tài)故障實時識別方法[J]. 微電子學(xué)與計算機(jī),2023,52(6):70-76.
[5]郭喜榮,常國榮,胡溥宇,等.新型便攜式劑量率儀振動識別電路模塊設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2023,43(3):556-561.
[6]杜銳.基于經(jīng)驗小波變換的耦合電路故障識別方法[J].山東工業(yè)技術(shù),2023,42(2):92-96.
[7]王潔,石紅麗,瞿小玲,等.基于射頻識別的無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)計研究[J].電子設(shè)計工程,2011,19(5):174-176.
[8]陳瑤.透明晶體管基射頻識別集成電路研究[D].杭州:浙江大學(xué),2020.
[9]袁方.基于AES的物聯(lián)網(wǎng)感知協(xié)議安全技術(shù)研究[D].長春:長春工業(yè)大學(xué),2015.
[10]梁能.基于新型多進(jìn)制正交幅度調(diào)制通信的可計算射頻識別系統(tǒng)設(shè)計[J].微型電腦應(yīng)用,2023,39(9):171-174.
作者簡介:趙轉(zhuǎn)莉(1976—),女,河南原陽人,本科,講師,研究方向為電路、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式。
楊亞男(1991—),女,河南許昌人,碩士,助教,研究方向為自動化技術(shù)應(yīng)用。