集成溫度傳感器的無源UHF RFID標簽設計與驗證*

戰金雷，謝 生，管 坤，毛陸虹，張世林

(天津大學電子信息工程學院，天津300072)

近年來，隨著射頻識別(RFID)技術的飛速發展，其應用領域已突破傳統的自動識別與定位。若將RFID與傳感器［1－5］相結合，則可構建用于遠程監測和環境信息采集的無線傳感器網絡(WSN)。因此，集成無線傳感器的RFID標簽成為當前的研究熱點。

集成溫度傳感器的 RFID 標簽芯片［4－6］可有效利用RFID技術的無線、自動識別特性，方便快速地對溫度敏感環境和物品進行信息采集和檢測。在醫療衛生、食品加工與存儲、冷鏈物流、火災監測等領域具有非常廣泛的應用。

目前，國內外已有多家科研機構和公司對基于標準CMOS工藝的溫度傳感器進行了深入研究。如Intel［7］、Analog Device［8］、復旦大學［9］、中國科學院［5，10］等單位利用模數轉換(ADC)技術將溫度相關的電壓信號轉換為包含溫度信息的數字信號來實現溫度測量。盡管這種方法可實現高精度的溫度傳感器，但其功耗一般較大，難以與無源RFID標簽芯片的低功耗相適應。另一種設計結構是采用時域數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］轉化為包含溫度信息的數字信號，通過數字信號處理獲得溫度信息。這種方法所設計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，設計了一款集成溫度傳感器的無源RFID標簽芯片電路。其中包括射頻模擬前端、數字邏輯控制電路、溫度傳感電路和EEPROM存儲器4部分。集成溫度傳感器復用模擬前端穩壓電路產生的電流信號來采集溫度信息，異步計數器利用模擬前端振蕩器產生的時鐘信號對其采樣計數。理論模擬和實驗驗證結果表明，所設計溫度傳感標簽的測試范圍在－20℃ ～80℃，可實現精確的溫度測量。

1 標簽系統架構

本文設計標簽芯片的整體構架如圖1所示。系統分為5部分:天線、射頻模擬前端、數字基帶、溫度傳感電路和EEPROM存儲器。標簽收發信號的通信過程如下:

天線接收閱讀器發送的射頻信號，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，并進行信號放大處理。最后通過解調器解調成命令數據，送入數字基帶。基準提供參考電壓，振蕩器為數字基帶提供1.92 MHz的時鐘信號。數字基帶模塊收到命令后進行相應的處理，并將溫度傳感器產生的溫度信息附在ACK命令內容后發送回模擬前端模塊。經模擬前端正交調制，脈沖整形等處理后，生成射頻信號，由射頻天線發送回閱讀器。

圖1 標簽系統總體結構

2 標簽電路設計

2.1 模擬前端電路

圖2 模擬前端總體構架

模擬前端電路采用實驗室前期流片、驗證的電路結構［13］，其結構框圖如圖 2所示。整流電路(Rectifier)負責將天線接收到的RF信號轉換至DC信號，穩壓電路(Regulator)負責將DC信號穩定在后級電路所需的工作電壓VDD。當閱讀器與標簽間的工作距離大幅變化時，穩壓電路能確保輸出穩定的電壓。解調電路(Demodulator)利用包絡檢波原理對接收的 RF信號(DSB-ASK、PR-ASK或 SSBASK)進行ASK解調。當解調電路得到包絡后，再對其整形以產生數字電路能夠識別的基帶信號。調制電路(Modulator)利用反向散射原理對RF信號調制。由于標簽自身不產生載波，因此，在標簽反射連續載波的同時，調制電路采用T=＞R基帶信號對其幅度進行ASK調制。為使基帶電路正常工作，模擬前端還包括產生時鐘信號和復位信號的振蕩器(OSC)和上電復位電路(POR)。另外，采用PTAT電路為解調電路、振蕩器和復位電路產生偏置。

2.2 溫度傳感電路

為了與無源RFID標簽相匹配，本文采用時域數字量化方法設計了低功耗CMOS溫度傳感器，如圖3所示。

圖3 溫度傳感電路結構框圖

當標簽系統開始工作時，由數字基帶發出復位信號清空計數器，同時輸入到溫度脈沖轉換模塊的En_temp端，使其通過偏置電路產生的電流信號來采集溫度信息。信息采集完成后，溫度脈沖轉換模塊輸出含有溫度信息的脈沖信號至計數器。計數器通過振蕩器產生的時鐘信號對該脈沖采樣計數，得到9 bit溫度信息，并送至數字邏輯單元進行后續處理。

所設計溫度傳感器的最大特點是復用標簽模擬前端電路產生的電流作為溫度轉換模塊的偏置電流。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。由于傳感器復用了模擬前端電路的偏置電流，避免了傳統PTAT和/或CTAT電流引入的額外功耗;采用模擬前端振蕩器產生的信號作為傳感電路計數器的時鐘信號，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系的電流來獲取溫度信息脈沖，可實現測量范圍寬、分辨率高的溫度傳感器。另外，設計中采用異步計數器對寬脈沖信號進行計數，有利于進一步降低功耗。仿真結果表明，在1.5 V工作電壓下，溫度傳感電路的功耗僅為100 nW。

2.3 數字基帶電路

數字基帶［14－15］是RFID傳感芯片的重要組成部分，主要完成數據編解碼、Crc碼校驗與生成、防碰撞算法、指令識別與執行、信息讀寫控制、溫度信息處理及初始化電路等標簽協議處理。本文設計的數字基帶電路結構如圖4所示。其中主要包括數據檢測模塊 Data_detect、解碼模塊 Decoder、校驗模塊Crc、公用寄存器模塊Co_register、編碼模塊Encoder、隨機數生成模塊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 基帶電路結構

當標簽內部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，解碼數據通過公用寄存器Co_register串并轉換后進行Crc校驗。若Crc檢驗正確，控制單元模塊通過命令分析做出響應并執行指令。當多標簽同時進行通信時，由隨機數發生器產生隨機信號，并發送到控制器，采用Slotted Aloha算法實現防碰撞。對溫度傳感電路而言，當數字基帶收到ACK命令并進行處理時，控制單元模塊與傳感器控制模塊進行通信，將溫度傳感器測得的9bit信息發送給控制單元模塊，并將其附在PC、EPC與CRC－16信息間。經編碼后，含溫度信息的返回信號被輸出至模擬前端部分，經調制后發送給閱讀器。

為了降低功耗，數字基帶電路設計采用全局門控和局部門控相結合的方式。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行芯片全局的模塊控制，從而達到系統級的功耗管理。

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

3 電路仿真與FPGA驗證

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)進行數模混合仿真，仿真溫度范圍從－20℃ ～80℃。仿真結果如圖5所示。對ACK命令返回的數據進行分析、提取，即可獲得仿真溫度下傳感標簽所讀出的溫度信息，如表1所示。

圖5 基于Cadence的混合仿真結果

表1 溫度標簽返回信息

根據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的數字輸出。由此可得，在－20℃ ～80℃范圍內，所設計溫度傳感標簽的有效分辨率為0.403℃。

為了驗證RFID傳感芯片所測溫度的準確性，將混合仿真結果與溫度傳感器理論值進行比較，如圖6所示。溫度傳感標簽讀出的溫度信息隨著溫度的增加而持續線性減小，與溫度傳感器理論值具有很好的一致性，說明所設計的溫度傳感標簽可以很好地實現溫度傳感功能。

基于 SMIC 0.18 μm 2P4M CMOS 工藝庫，對數字模塊進行綜合，布局布線和靜態時序分析后，生成版圖文件。通過寄生參數提取，對所設計芯片進行后仿真，后仿結果與混仿結果完全一致。

圖6 傳感芯片仿真結果與傳感器理論值的對比曲線

3.2 FPGA功能驗證

采用仿真軟件Modelsim對所設計芯片進行RTL級功能仿真。仿真結果通過后，搭建如圖7所示的標簽驗證平臺進行驗證。

圖7 標簽的FPGA驗證平臺

鑒于FPGA無法直接構建溫度傳感電路，故采用一個虛擬溫度傳感模塊替代傳感電路，向數字處理模塊發送9 bit數據。將虛擬溫度傳感模塊、數字基帶和EEPROM功能模塊進行綜合、布局布線后，下載到Altera CycloneⅡ EP2C35F484C8N FPGA中，實現RFID傳感標簽功能。采用同系列FPGA實現閱讀器的功能，給傳感標簽電路發送命令信號。使用QuartusⅡ軟件中的Signal TapⅡ對RFID傳感標簽電路的輸入端data_in和輸出端data_out進行波形采樣，結果如圖8所示。圖中波形包括標簽發送的ACK命令，以及ACK命令返回的PC、EPC、溫度信息、CRC－16等數據。采樣信息的分析結果證明，數字標簽芯片能夠實現預期功能。

圖8 數字標簽的驗證結果

4 總結

針對UHF EPC C1 Gen－2協議，采用時域數字量化方法設計出一款超低功耗的溫度傳感電路。在此基礎上，設計了包括射頻模擬前端、數字控制邏輯電路、EEPROM存儲器在內的集成溫度傳感器的無源RFID標簽。仿真結果表明，所設計溫度傳感RFID芯片在－20℃ ～80℃測溫范圍呈現良好的線性度，與傳感器理論值符合地很好。FPGA驗證結果表明，所設計標簽芯片能精確地返回溫度傳感信息，實現了預期功能。

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