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RFID干货专栏|28 无源传感标签技术

来源: 发布时间:2022-04-08 2554 次浏览


4.6.1 无源传感标签的发展和特点

在一个超高频RFID系统中,标签在大多数情况下处于被动状态,只有阅读器对标签进行盘点才能获得标签的数据。而传统的无源RFID标签功能非常简单,只能提供简单的ID号码。然而RFID无源传感系统很多时候需要通过RFID管理和控制一些传感器设备,从传统的RFID标签到具有管理控制能力的无源传感标签之间有一定的距离。经过十几年的努力,这条路终于走通了,它的发展有如下几个方向:传统无源超高频RFID标签、带有简单接口功能的标签、内置温度传感器的标签、内置处理器及数字接口的标签、内置ADC及处理器的标签。

1.带有简单接口功能的标签

带有简单接口功能的标签在2010~2012年量产问世,如NXP的G2iL+和Impinj的Monza-X系列。其特点是具有简单接口,但是无法获取传感数据,且如果开启IIC等数字通信接口需要外接电源,无法实现无源无线传感。这些标签带有数字通信的接口一般只能作为从机使用,需要外置MCU控制,无法实现无源无线管理。

从芯片设计的角度分析,带有简单接口功能的标签只是在传统的超高频RFID标签芯片设计上做了一些小的改动。

(1)IO接口

新增芯片内部的输入输出端口(IO接口),连接到新的管脚。原有的超高频RFID标签芯片只有两个有效管脚RF+和RF-,新增IO接口后管脚至少扩展到4个,如新增Pout和Pin。

其中Pout的作用是输出一个高或低的电平,触发或启动外部设备,可以通过无线通信的方式控制Pout的0/1数值;Pin的作用是接收外部设备的电平,判断是高或低,再通过无线的方式传输出去。

4.3.5节中介绍的铅封功能,就是在芯片的Pout口输出高电平1,然后判断Pin接口的高低电平。如果Pout和Pin是电气连接的,那么Pin口的电平为高,同理如果两个接口之间的连接断开则Pin口接收到的电平为低,系统可以通过Pin口的电平判断铅封的状态。

在连接外部设备的时候,可以采集1比特的外部设备状态以及提供1比特的外部控制。如Pin口连接一个外部设备,阅读器不断与该标签通信并不断获取外部设备连接的Pin口参数,当外部设备启动或完成工作对Pin口输出高电平时,阅读器可以快速获得。同理,阅读器可以通过无线Pout口可以触发一个外部设备工作或停止。

(2)电源管理

改变原有的电源管理模块,普通标签芯片的电源管理模块只为芯片内部的各个部分提供能量,无法为外部设备供电,也无法使用外部电池供电。新的电源管理模块在支持原有普通标签芯片的功能外,新增了外部电源辅助功能和输出电源功能。

其中电池辅助功能可以为芯片提供能量,当外接辅助电池且启动该功能时,芯片的射频电路、存储电路、数字逻辑电路等部分的供电均来自外部电池,可以大幅提高芯片的灵敏度,灵敏度的极限由原来的功率受限(正向受限)变为阅读器灵敏度受限(反向受限)。此时芯片的读和写灵敏度是相同的,由标签芯片的解调灵敏度决定;而普通标签读和写灵敏度有一定的差别,是由于写操作时存储器的功耗远大于读时的功耗。

具有外部电池辅助功能后,芯片可以提供更大的驱动能力,从而可以支持IIC等功耗较大的数字电路,同时可以输出带有一定驱动能力的稳压电源,给其他外部设备供电。新的芯片在没有外部电池供电时,也可以提供一个能量较小的输出驱动电压源,其负载能力较弱,可以在较近距离点亮一个LED灯,该应用也已经有不错的扩展,如在一批标签中指定一个或多个具有特性的标签点亮LED,方便人工寻找。

(3)数字接口

新增数字接口,普通的标签芯片只具备无线通信的数据交互能力,当芯片配合外部设备工作时,仅仅通过1比特的通信是不够的,最简单的方式是增加数字接口。

此类芯片常用的数字接口为IIC;IIC(Inter-IntegratedCircuit)其实是IIC Bus简称,所以中文应该叫集成电路总线,它是一种串行通信总线,使用多主从架构。IIC串行总线一般有两根信号线,一根是双向的数据线SDA,另一根是时钟线SCL。所有接到IIC总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上,各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。

带有数字接口的芯片可以实现双通道通信,无线通道与阅读器通信,数字有线通道与外接设备通信。由于标签芯片为了省电一般只支持数字接口的从机,整个系统的通信过程有些复杂。具体操作为,外部设备可以通过数字接口对芯片内部的存储区进行读写操作,同样阅读器可以通过无线通道对芯片内部的同样存储区进行操作。当外部设备完成某项工作时或有其它主动要求时,将数据卸载到存储区的指定位置,阅读器周期性的读取标签,并获取该区域的数据,从而获得外部设备的状态或命令;同时当应用层需要外部设备执行某项命令时,可以通过阅读器在标签的存储区的指定位置写入特定数据;外部设备周期性的通过数字接口识别芯片的存储区域,获得应用的需求从而执行。如此的双向通信方式,标签芯片作为一个接口转换器,将原有只具备有线通信的设备改造为无线通信控制的设备。

当然采用其它的无线技术也可以实现有线到无线的通信改造,这里要注意的是只有小型化、超低功耗、低成本且大量的物联网设备需要改造时采用该方案才具有优势。

总的来说,带有简单功能接口的标签芯片开发较为简单,且都使用传统技术,只是原有标签芯片的简单升级。从应用的角度看,可以实现一些如铅封和点灯等简单创新应用,对于传感器的集成和应用的便利性只是一个中间状态的产品。

2.内置温度传感器的标签

内置温度传感器的超高频RFID标签芯片这个概念在2005年就已经提出,笔者就读的香港科技大学模拟芯片实验室就是在2005年开始承接当地政府的物流测温超高频RFID芯片项目的,然而其大规模量产要等到10年后的2015年。内置温度传感器的标签一直是RFID与传感器结合的热门话题,最初的目标市场是冷链应用。不过至今冷链市场中RFID的用量都不大,更别提带有温度传感器的RFID标签了。所以内置温度传感器的标签市场重心转为工业领域,尤其是超高温等无法使用电池供电的无线测温场景,如电力温度监控等,取得了一定的成功。

测温是超高频RFID标签最容易实现的芯片集成功能;压力相关的传感器一般需要机械结构的支持(如采用MEMS技术),湿度相关的传感器同样需要结构电容的参与,一般采用栅状结构实现,不过在超高频RFID标签中可以合理利用天线设计实现,其他类型的传感器则需要更多芯片和结构的支持,很难集成到一颗标签芯片内部。同时温度传感器也作为其它传感器校准使用的基础参数,许多传感器的精度都需要通过温度进行计算和校准,如湿度、压强等传感器都需要先采集到温度数据,再进行运算才可以得到的数值。

内置温度传感器的标签芯片与普通的标签芯片在外观上完全相同,同样只是两个有效管脚RF+和RF-,在封装工艺上也是相同的,同时支持wafer级的倒封装和SOT/QFN的回流焊封装以及特种标签的SIP封装。不同点在于内置温度传感器的标签由于应用场景不同,使用的工艺不同。如需要使用在电力等高温环境中,则不能使用传统的倒封装工艺以及PET基材,需要使用陶瓷基材的银浆标签配合SIP封装或回流焊工艺。此外,倒封装工艺热压时,会改变芯片的一些物理特性,对温度的精度有所影响,但对于冷链等精度要求并不高的应用勉强可以接受,但对于精度要求较高的人体、动物测温等,不建议采用倒封装技术。

从芯片设计的角度分析,内置温度传感器的标签芯片主要做了两点创新,分别是电源管理部分和低功耗的温度传感器。

(1)电源管理部分

一般情况下,内置温度传感器的标签芯片面积比传统的标签芯片面积要大很多,这部分增加的面积并不是因为新增温度传感器而,而主要是由电源管理模块增加的。普通标签芯片的电源管理部分为了节约面积(面积决定成本),其结构非常简单。而带有温度传感器的标签芯片需要稳定工作在高低温场景中,尤其是在高达150℃的高温环境中时,芯片内部器件的特性都会发生很大的变化。普通的标签芯片由于系统漏电等原因,在超过85℃时其性能急剧下降,还没有到达100℃就无法工作了。与此同时,内置的温度传感器需要一个非常准确的基准电压,这个电压要求大范围温度段内要有较好的一致性。在工业场景中,系统对于稳定性的要求非常高,需要芯片具有很强的鲁棒性。

基于上述原因,整个芯片的电源管理部分需要完全重新设计,并在高温和常温的特性上寻找一个相对平衡的灵敏度曲线,在稳定性,在成本和性能上取折衷点。

(2)内置温度传感器

温度传感器是最常见的传感器,用芯片实现温度传感器也是通用技术,不过采用超高频RFID技术的内置温度传感需要实现低功耗和小尺寸的特点。

最简单实现方式是通过两个不同特性的震荡时钟计数转换为对应的温度。由于半导体工艺中的器件具有随温度变化,根据相应的变化曲线,可以构造一个环形振荡器A,其振荡频率随温度变化,再构造一个不随温度变化的标准振荡器B(振荡器B的频率远高于振荡器A),用标准振荡器B采集振荡器A,可以得到一个A的周期内存在多少个B的周期,从而通过公式可以计算出对应的当前温度。

由于半导体在生产过程中存在工艺偏差,需要在芯片测试的时候进行校准,达到预期的温度精度。不同应用的标签芯片需要校准的温度范围和校准方法略有不同,一般情况下精度要求越高或测温范围越大,其校准难度越大、校准时间越长、成本也越高。普通的温度计和体温计都是需要经过校准的,相比而言,内置温度传感器的标签在批量校准时具有优势。

内置温度传感器的精度还跟接收到的阅读器功率以及自身封装有关。当阅读器输出功率变化或到标签的距离变化时,标签收到的功率发生变化,从而影响振荡器的频率。如国外某品牌的温度传感标签在不同输入功率下温度相差7度之多,他们只能通过阅读器变化输出功率,多次采集数据后算法优化的方式获得改进温度数据,即使有所改善,误差仍然很大。的电源管理模块和消除压力影响的振荡器设计会有很大改善,但依然会产生0.1-0.2度的误差。

标签的封装与实际的测温有很大的相关性,这里需要考虑的三个参数是自发热、热源传导特性和散热性。

  • 自发热顾名思义是芯片在工作的时候接收到阅读器的电磁波转化为电能支持系统工作,与此同时,多余的能量会导致内部损耗引起自发热。系统所需要的能量是固定的,标签芯片收到的能量越大,多余的能量就越大,自发热就越明显。当阅读器持续不断的发射较大的电磁波给标签供电时,芯片的自发热就会比较明显,从而导致测试温度高于实际环境温度。解决该问题的手段有减小盘点次数、控制标签输入功率、标签封装采用较好的散热或采用内置ADC配合外置温度传感器的方案。

  • 热源传导特性是指需要测温的热源需要将热量传递到标签芯片中,这个热传递过程的效率非常关键。如果热源传递到测温标签芯片时的温度与热源不相同,或传递时间过长(跟温性差)都会影响系统测温结果。采用良好的导热材料和封装技术是解决该问题的关键点。

  • 散热性也是测温标签需要重点关注的,在许多应用中,热源的温度与环境的温差很大,标签芯片获得的热源传导能量很容易受到环境温度的影响。

在实际应用中应该综合考虑实际应用环境,在自发热、热源传导特性和散热性几个方面折衷的设计方案,有的时候还需要通过一些公式进行优化。通过数据处理,可以实现更多功能,如在电力应用中当前的温度度数可能是几分钟前的实际温度,异常的温度变化趋势有时表现为设备的异常预警。

市场中一些特种标签,并不需要测温,但要求在高温工作时依然有一定的性能保证,传统的标签芯片在高温时完全无法工作,也可以采用这种耐高温高的内置温度传感器的标签。内置温度传感器的标签应用也越来越多,如人体测温、动物测温等新的应用层出不穷,后续的发展趋势围绕封装工艺和标签温度校准的开发和创新。

3.内置处理器及数字接口的标签

由于带有简单接口功能的标签只能作为从机使用,无法主动地管理外部多种复杂的传感器。尤其是一些需要本地运算的传感器,如果把原始数据都存储在标签芯片的存储区,再由阅读器读取后传递给应用层运算,其芯片的存储空间需要几百KB,且传输的过程也需要很多时间,因此迫切的需要一种带有运算功能的标签芯片。传统的有源无线传感产品,都是通过微控制单元(Micro-Controller Unit,MCU)控制传感器,并通过有源无线技术传输出去。一些企业就将这套传统方案移植到了超高频RFID标签芯片系统中,将MCU中嵌入标签系统中。

市场上的传感器集成度越来越高,多数采用SPI数字接口与MCU通信。SPI,是英语SerialPeripheral interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便。正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。因此内置处理器及数字接口的标签芯片采用了SPI接口。由于系统中有时候需要MCU控制传感器,有时候需要被控制,该芯片的SPI接口可以作为主机也可以作为从机。由于一些传感器的功耗比较大,只是依靠标签的供电是不够的,需要外部的供电,因此该芯片具有外接电源的能力,且需要具备超低功耗电池接口的管理能力。

内置处理器及数字接口的标签的雏形已经出来近十年时间,但市场的拓展并不顺利,主要原因是由于其灵敏度较差,无法在较远的范围内工作。由于芯片内部具有数字接口,其功耗较高,再加上需要给外部传感器供电(外部传感器功耗更大的部分也是数字通信接口),最终导致标签接收到的能量不够,只能通过调整阅读器与标签之间的距离增加能量强度从而提供更大的电流。当使用外部电池供电时,对比传统的无线传感方案没有优势,传统的无线方案可以将信号传播到几百米外的接收机,而本方案的标签在电池辅助的情况下,工作距离也不超过20米。

即使工作距离很近,对于一些只能使用无源传感的应用,最终不得不选择内置处理器及数字接口的标签技术,尤其是项目中指定为某种SPI接口的传感器。

4.内置ADC及处理器的标签

基于内置处理器及数字接口标签芯片存在功耗大、距离近的问题,国内的一家无源无线传感公司开发了内置ADC及处理器的标签芯片。

在分析内置处理器及数字接口的标签芯片时发现影响系统功耗更大的部分是芯片内部的SPI数字接口和传感器内部的数字接口。一个带有数字接口的传感器内部有以下几个部分:模拟传感器件部分、信号放大器部分、模数转换器ADC部分、数字处理部分。一次传感器的数据采集过程为,阅读器通过无线命令告知标签芯片启动传感器采集;标签芯片给传感器供电并通过SPI接口启动传感器芯片;模拟传感器件部分输出电压或电流参数;信号放大器部分将模拟传感器输出的信号放大;模数转换器ADC部分将模拟信号转换为数字信号;数字处理部分将数据处理并通过SPI接口传给标签芯片。从上述的传感器数据传输过程中可以发现系统中两次用到SPI接口,而真正的有效数据与SPI接口无关,但系统需要给标签芯片和传感芯片的两个SPI数字部分供电(低功耗模式下SPI的功耗为几个uA)。如果将两颗芯片的SPI数字接口去除,则系统仍然是完整的,只是无法将数据传输到标签芯片中。如图4-85所示,如果将上述信号放大器部分、模数转换器ADC部分、数字处理部分都放在标签芯片内,则既可以实现数据的传输,又可以实现低功耗,只是从原来的SPI数字接口改为现在的模拟接口。

图4-85内置处理器及数字接口标签与内置ADC及处理器标签架构对比

具有内置ADC及处理器的标签芯片是2018年左右才出现的全新无源无线产品,具有低功耗、传感器适配性强等优点。在一些数字传感器芯片中已经集成了温度传感器,是为了精度校准,而采用模拟传感器件后就需要额外的温度传感器进行校准,因此标签芯片集成了温度传感,当然也可以通过模拟接口连接外接的温度传感器实现温度校准的功能。其可以连接的传感器种类也非常多,包括温度传感器、气压传感器、应力/压力传感器、亮度传感器、湿度传感器等。

具有内置ADC及处理器的标签芯片是行业的创新,主要应用于复杂的工业控制采集环境中,如重型机械轴承管理、超高温(300℃)环境测测温、建筑应力管理等。

4.6.2 无源传感芯片详解

为了方便读者深入了解无源传感标签的技术特点,本节将对四款芯片进行剖析,深入探究每种技术的优缺点及技术实现方式。

1.简单接口功能的标签Monza X-2K

Monza X-2K是一款支持Gen2协议的超高频RFID标签芯片,其内部集成2176比特的非易失性存储单元(NonVolatile Memory,NVM)和IIC数字通信接口,是一款无线加有线的双通道大容量的超高频RFID芯片。

芯片特性:

如图4-86所示,为MonzaX-2K芯片的应用示意图,该芯片具有如下特点:

  • 支持标准的EPCglobal和ISO18000-63协议,完全支持Gen2V2标准。

  • 具有2176比特的NVM用户区。

  • 支持QT加密功能。

  • 支持通过IIC的从机接口读写NVM数据。

  • 支持IIC控制的射频通路。

  • 支持通过写命令唤醒芯片。

  • 支持单端或者双端天线工作,单端灵敏度为-17dBm,双端灵敏度为-19.5dBm。

  • 支持辅助电源供电功能。

图4-86Monza X-2K芯片的应用示意图

从上述特性中可以看出,其芯片结构与Monza 4芯片非常相似,如QT功能和3D天线功能,可以认为MonzaX-2K是在Monza 4的芯片基础上开发的,其无源灵敏度略差于Monza 4芯片是因为其芯片的存储空间变大了,存储空间越大,系统的漏电流越大。Monza X-2K与Monza4芯片的不同点是增加了IIC接口和电源输入。Monza X-2K只能作为IIC的从机,MCU可以通过操作MonzaX-2K芯片的存储区实现与读写器的通信。不过在使用IIC通信时需要提供外部供电。当没有外部供电时,整个芯片可以独立实现超高频RFID的所有标准功能。

在没有电池辅助的无源状态下,芯片的读灵敏度为-17dBm,写灵敏度为-12dBm,这与普通RFID芯片的读写灵敏度差值相符。当增加电池辅助功能后,Monza X-2K芯片的读写灵敏度(0℃到85℃)都变为-24dBm,这说明系统的灵敏度由接收电路的解调极限决定。当温度降到0℃之下时,灵敏度降到-20dBm,这是由芯片工艺和设计决定的。该差异说明该芯片没有做低温补偿的电路设计。

Monza X-2K系统需要提供1.6V到3.6V的直流输入才能驱动IIC接口的工作。在外部电池供电时,系统的写操作时电流为100uA左右,而系统读操作时的电流为15uA左右,系统空闲时的电流也是15uA左右。

芯片空闲时的漏电流非常大,如果电池一直供电,则系统的耗电问题会很严重。这也是早期的简单接口功能标签芯片的通病,由于内部不具备低功耗管理机制,只能使用这种简单的方式实现。因此在实际应用中很受限,需要外接的MCU控制给MonzaX-2K供电。

2.内置温度传感器的标签:浙江悦和科技的LTU32芯片

LTU32是一款符合EPCTMGlobal Class1 Gen2通信协议的无源无线温度传感芯片。芯片利用先进的超高频无线电波能量收集(Energy Harvesting)技术,通过840MHz-960MHz的RF电磁波获得能量。芯片内置512比特可擦写非易失性数据储存单元(NVM),供存储用户信息等数据。射频芯片通信接口支持EPC Global C1G2 v1.2通信接口,可搭配各型超高频RFID读写设备搭建无源无线传感系统。

(1)芯片介绍

如图4-87所示,为LTU32芯片的模块框图,其内部结构与普通标签芯片相似,只是增加了温度传感器模块,由数字控制模块管理。

图4-87LTU32芯片模块框图

LTU32芯片的技术特点为:

  • 芯片读取灵敏度为-16dBm,温度传感时的灵敏度为-15.5dBm。

  • EPC段存储空间为96 bits;TID段存储空间为128 bits,其中80 bits为芯片序列号。

  • 使用全球领先的存储器IP,25℃环境中重复擦写次数高达100,000次,数据保存年限达100年。

  • 支持SELSENSE功能,支持批量传感操作,节省大量时间。

  • 温度传感范围为-40℃到150℃。

  • 温度传感精度约为1℃,温度传感分辨率为0.01℃。

(2)内置传感器特性

随着低功耗电路设计技术的发展以及更多应用场景的出现,集成在RFID标签上的温度传感器不仅需要低功耗,传感精度和分辨率等指标也需要与分立式传感器相当。本传感器温度信号采用了非线性读取,后端数字可根据预设参数实现快速的线性化,方便原始温度数据读出后与摄氏(华氏)温度之间的转换。

校准后(出厂后)关键区段温度数据精度达到±1oC,全温度段误差曲线如图4-88所示。具体芯片的温度误差曲线与实际校准相关,如只需要体温段的精度,可以调整校准策略,实现体温段0.1的精度。在-40℃到150℃的宽范围内很难实现各个区域都具有较高的温度精度,如果希望全温度范围具有更好的温度参数,需要在校准测试上花费更多成本。



图4-88全温度段误差曲线
(3)极限参数特性

如表3-9所示为LTU32系列芯片的极限参数特性表,其中需要注意的是,标签存储器的寿命与温度相关,且温度越高芯片寿命指数级下降。应尽量避免标签长时间处于超高温的环境中,如果实在无法避免高温存储环境,则可以定期的对存储区的数据进行写操作,加强存储电荷的稳定性,减小长时间高温漏电导致的“0”“1”电平判别错位的问题。

表3-9LTU32系列芯片的极限参数特性表



另外需要注意的是标签芯片在不同温度时的灵敏度也会发生变化。普通的标签芯片一般灵敏度在25℃的环境中更佳,超过25℃后灵敏度会下降,当超过85℃时灵敏度下降非常厉害甚至无法工作。而LTU32芯片专门针对该问题做了芯片设计优化,可以实现极限温度时稳定工作,只是此时的灵敏度较25℃有所下降。标签的工作距离与温度的关系,如图4-89所示,在135℃的环境中,标签依然可以达到最远工作距离的40%。

图4-89归一化标签读取与温度图
(4)SELSENSE功能

为了方便LTU32系列芯片的推广,其所有传感指令都支持Gen2协议,只需要对普通的Gen2阅读器进行简单命令改造即可实现所有的测温命令。如图4-90所示,为对一个LTU32标签的测温过程,其中将测温命令Sense融合在写命令Write中。

图4-90单标签测温命令过程

此测温命令将传感命令融合入Write命令中是因为Gen2协议中,写命令后的数据返回间隔最长支持20ms,在这个时间内系统将启动温度传感器模块测温,最终将测温结果通过读命令返回至阅读器。

当环境中标签数量很大时,如果采用这种对单个标签操作的方式效率很低,悦和创造性的发明了SELSENSE命令,实现大批量的快速温度采集。如图4-91所示为SELSENSE命令,其中SELSENSE命令与SELSENSE命令之间的时间间隔应不小于15ms。SELSENSE命令格式与普通Select命令一致。

图4-91多标签测温命令过程(SELSENSE命令)

当使用SELSENSE命令后,场内的所有标签全部启动传感器,所有标签StortedPC的MSB5-bit自动变成00110(StortedPC为0x3000或0x3400)。如未使用SELSENSE命令启动传感器,此时StortedPC值与存储器中储存的一致。当使用SELSENSE命令启动传感器后,传感数据通过ACK命令返回,ACK返回的EPCLSB 32-bit为传感数据。

SELSENSE同时具有Parallelencoding命令和Fast-ID命令的特点,可以说SELSENSE是一种充分利用Gen2协议特点改造出来的命令,具有非常高的效率。

在大批量的温度采集环境中,使用SELSENSE命令后,采集所有标签温度参数所需的时间长度与盘点所有标签所需的时间长度是相当的。

3.内置处理器及数字接口的标签:FarsensROCKY100

为了解决无源外接传感器和空闲状态电池漏电问题(简单接口标签芯片的痛点),Farsens公司开发的ROCKY100标签芯片,其目标是实现在无源状态给外接传感器供电并实现SPI通信,当有电池辅助时保证电池的长效寿命。

(1)芯片特性

ROCKY100具有许多创新特性,其主要特性如下:

  • 支持EPCGen2和ISO18000-6C的协议标准。

  • 在没有外接传感器的情况下,芯片读取灵敏度为-14Bm。

  • 具有参数可设置的PSK调制加深功能。

  • 支持1.2V到3.0V的稳压电源输出。

  • 具有输出电压VDD监控功能。

  • 支持电池开关管理,漏电流500nA。

  • 具有5个可配置的GPIO口。

  • 具有主机的SPI接口,可以控制外围设备。

  • 外围设备可以通过控制SPI从机模块从而对芯片的存储区进行操作。

  • 芯片的工作温度为-40℃到85℃。

从ROCKY100的特性看,该芯片新增了无源电压输出功能、电池低功耗管理功能、SPI主从模式功能。对于普通的标签芯片有了很大的改变,甚至可以认为是一个低功耗传感器管理芯片增加了超高频RFID的通信功能和无源取电功能。ROCKY100的设计理念更多的是为传感器连接而产生,如稳压电源输出是为外围的传感器供电;电池低功耗管理功能是为需要电池辅助的设备提供更久的寿命,Monza X-2K的漏电流为15uA而ROCKY100仅为0.5uA,电池生命增加30倍;具有SPI主从功能,可以更好的管理外接传感器。

(2)       框图说明

如图4-92所示为ROCKY100芯片框图,对比普通超高频RFID标签芯片,其新增了省电模式核(PSM core)、省电负载输出(PSM LOAD)、主/从SPI等模块。其中VDD、VBAT、VSS、VREGL、GLOAD为电源接口:

  • VDD为系统的正电源电压,可以为芯片内部器件及外部网络供电,这个电能是通过接收机收到的射频信号转化而成,因此其负载能力与接收到的信号强度有关。

  • VSS为系统的负电源电压,为整个系统内部器件及外部网络供电。

  • VBAT为电池输入口,可以通过电池为系统供电。当有电池连接,可以通过芯片内部设置将VBAT接口连接到VDD上,内部系统和外部网络都可以使用电池供电,增加负载能力和系统性能。

  • VREGL为可配置的线性稳压源输出接口,直接连接外接负载(传感器芯片),这部分能量来自VDD。没有直接使用VDD的原因是VDD的电压稳定度不够,且输出电压值不可控。

  • GLOAD为外接负载的地,不过并没有直接连接到VSS,在两个接口之间有一个开关,这个开关的功能是在不启动外接设备时,断开开关减小漏电。

图4-92ROCKY100芯片框图

从框图的分析中可以看出,ROCKY100芯片针对电源管理下足了功夫,尤其是低功耗管理和负载管理部分。无论采用无源模式还是电池辅助模式都更大限度的提高了系统的驱动能力、灵敏度和寿命。

(3)电气特性

ROCKY100芯片的读灵敏度为-14dBm,当有1.8V5uA负载时,其灵敏度降为-10dBm,当有电池辅助时灵敏度可以达到-24dBm,在采用增强电池辅助时,灵敏度可以达到-35dBm。在使用增强型电池辅助时,必须启动反向调制加深工能,否则即使标签芯片可以工作,阅读器也无法接收到标签返回的数据。

具有负载时,芯片需要提供更多的能量给负载供电,因此其灵敏度会下降。这里可以做一个简单的计算,当没有负载时,芯片接收机收到的信号强度为40μW(-14dBm),当连接负载后芯片接收机需要接收到100μW(-10dBm)的能量。一般情况下超高频RFID系统的射频能量转换直流能量的转换效率约为25%,输出的电压VDD约为3.2V,因此可以提供的额外电流为(100μW-40μW)×25%=15 μW。由于VREGL的LDO需要消耗额外的0.5uA电流,VDD电压监控需要消耗1uA的电流,需要消耗1.5uA×3.2V=4.8μW,1.8V5uA负载需要的能量为9μW。15μW-4.8μW=10.2μW>9μW,足够支持负载工作。

芯片的阻抗参数在读取、带有负载和电池辅助的情况下会发生变化。在相同频率下,一般芯片的虚部变化不大,实部与芯片的无源负载电流大小相关,无源负载电流越小,其实部越小。当电池辅助时,无源负载最小,其实部参数也最小,当无源带有外部负载时,系统的无源负载更大,其实部参数也更大。

标签芯片的供电参数中最关键的是IBAT,电池辅助时的漏电是保证芯片寿命的关键参数。VREGL作为负载输出电压端口,其输出电压为1.2V到3.0V之间,输出的电压解析度为3mV,误差为5%,支持的负载更大电流为5mA(需要电池辅助)。负载电流大小与系统的灵敏度相关,负载电流越大其灵敏度会越差,当芯片接收机接收到的能量不足以支撑负载时,就会拉低系统端口电压VDD。如图4-93所示为输入信号强度与不同负载的曲线图。



图4-93输入信号强度与不同负载的曲线图

一般情况下低功耗SPI接口的传感器的供电需要保证10uA的电流,对应的负载为100kΩ,如该传感器需要3V的供电,则系统的灵敏度只有-4dBm。若系统需要0.1mA的电流3V的电压,则灵敏度只有9dBm,工作距离只有30cm左右。因此在使用VDD给负载供电时一定要充分考虑负载的电流,尽量采用小电流的传感器和负载电路,或采用电池辅助。一般情况下,对于负载电流大于100uA的传感器都建议采用电池辅助功能。

(4)电池辅助模型

如图4-94所示,为ROCKY100标签系统的应用示意图,芯片连接一个微处理器,并具有电池辅助供电。电子标签绝大多数时间都是处于休眠状态,只有少数时间处于工作状态。ROCKY100芯片的电池辅助更大的优点是省电,在一般状态下都处于休眠状态,电池的漏电流小于1uA,当有电磁波激活标签时,再启动电池辅助功能,这样既能完成传感功能又可以增加电池的寿命。



图4-94ROCKY100标签系统的应用示意图

4.内置ADC及处理器的标签:浙江悦和科技LAU2

鉴于SPI数字接口给系统带来的功耗损失,为了提高灵敏度,悦和科技开发了内置ADC及仪表放大器的无源无线传感芯片LAU2。其中ADC的精度达到14bit,仪表放大器的增益可达160倍。ADC的作用是将模拟信号转化为数字信号,仪表放大器的作用是将传感器微弱的模拟信号放大到合适的幅度适合ADC采样。

(1)关键参数

如表3-10所示,为LAU2芯片的关键参数,该芯片不仅内置ADC还内置了40℃-150℃宽范围的温度传感器。该芯片支持多种物理量的测量方式,包括支持0-1V的电压测量,10pF到500nF的电容测量以及200kΩ到500MΩ的电阻测量。在无负载启动ADC和测温时,其芯片灵敏度为-15dBm。

表3-10LAU2芯片的关键参数

(2)模块框图

如图4-95所示为LAU2芯片的模块框图,图中有多个传感器输入端口,其目的为适应不同类型的传感器,相比SPI的标准接口不同,模拟接口种类较多且连接方式多样。传感器的数据经过仪表放大器(InstrumentationAmplifiers,IA)放大到合适的电压后,模拟数字转换器(Analog-to-digitalconverter,ADC)将量化后的传感数据传到数字基带,此时通过阅读器的特殊指令可以将此传感数据读出,并经过数据处理后得到外接传感器的真实数据。整个LAU2芯片无需电池辅助,VC2端口可以为外接模拟传感器网路供电。其中温度传感器的实现方式也发生了变化,不再是LTU32中的通过振荡器脉宽计算温度,而变为一个模拟温度传感器加上ADC的方式,其精度和稳定度也大幅提升。



图4-95LAU2芯片的模块框图

LAU2支持接入多种不同的模拟传感器类型,包括二/四线电阻型传感器(无内部放大)、电桥型传感器、电容型传感器、电流型传感器、单端电压型传感器和高压电压型传感器。

(3)电气特性

如表3-11所示,为LAU2芯片的电气特性,芯片可以在全温度段(–40°C to 150°C)提供稳定的钳位电压VC2,可以为系统的外围网络供电。同时针对外围传感器可以提供1.5V或1.8V的高精度电源,在全温度段电压精度为2%,更大输出供电电流为1mA。一些传感器需要高精度基准电压源,因此LAU2芯片提供了1.257V的精度为0.5%的高精度基准参考电压。针对一些超高压的应用,LAU2提供了20V的高压监测功能。

表3-11LAU2芯片的电气特性



(4)模拟接口传感器对灵敏度的影响

LAU2芯片内部功耗约为5.4μW,远低于ROCKY100的功耗。LAU2芯片的整流器效率约为25%。如表3-12所示,为不同功耗外接传感器时对芯片灵敏度的影响。

表3-12LAU2外接传感器时的灵敏度



一种传感器使用模拟接口的功耗要远小于采用数字接口,再加上LAU2内部没有SPI控制等单元,其负载能力更强,整个系统的工作距离会明显优于ROCKY100。不过LAU2的缺点也非常明显,模拟接口的传感器集成度很差,开发难度也大很多,且芯片的接口种类也不统一,尤其一些带有内部运算的传感器无法采用模拟接口实现,如震动频率采集、瞬时加速度采集等。不过这是采用无源无线传感实现远距离更优的手段,相信随着应用的普遍化和技术的普及,越来越多的应用会采用内置ADC的标签。

无源无线传感的需求一直在那里,现在能够实现的解决方案只有采用超高频RFID无源技术,过去市场不成熟,直到近几年无源传感的产品和方案才出现,市场的推广和发展需要时间。无源无线传感的技术在不断的发展过程中,现在只是刚刚开始,相信随着越来越多的工业应用需求的出现无源无线传感器的市场会迎来飞跃的发展。