CN109766980A - 一种改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，特别是一种针对于集成有温度传感器的无源射频识别标签芯片改进能量收集的电路，以及改进能量收集的通讯指令方法。本发明由于将读卡器启动温度传感器的指令分为编码调制的指令部分和未编码调制的延长充电时间的射频场部分，并且添加了开关储能电容在电路系统架构中，由传感器的工作模式来启动逻辑信号控制开关储能电容的接入与否，使得集成了高精度温度传感器的无源被动式射频识别标签可以兼顾普通的下行指令应答模式的时间窗口协议的限制，和高精度传感器操作模式的高能量水平需求，这给无源被动式射频识别标签芯片与传感器芯片的集成开启了一条新的可行实施技术。

Description

一种改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路及 方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，特别是一种针对于集成有温度传感器的无源射频识别标签芯片改进能量收集的电路，以及改进能量收集的通讯指令方法。
背景技术
在当今万物互联的物联网应用领域，无线传感标签将信息感知与测量功能和射频通讯功能结合在一起，以便于实施无线传感网络中的感应节点。比如，在一个仓储厂房或者蔬菜种植大棚的应用场景中，支撑立柱或者建筑钢架结构上装有对环境温度和湿度乃至大气污染程度进行监测的传感器装置，在完成测量与存储的任务之后，以无线局域网(WiFi)的传输或者低功耗广域网(LP-WAN)的通讯方式将数据上传至监控服务器，以获取环境检测数据；再比如，在智能化工业制造领域，成品包装流水线上自动导入的包装成品上附加有含有ID识别号码以及自身重量乃至成品温度的传感器装置，在流水线上通过特定的检测读取设备的时候，会将自身的有关信息通过WiFi、Zigbee或者NB-IoT等通讯手段发送至主机系统设备上，以起到产品计数以及与产品相关匹配信息录入的功能，甚至还起到一定的质量检测与监控的功能；更高级的应用场景出现在移动医疗和远程健康护理的行业中，当被护理的病人将医疗检测传感器从口中摄入或者粘贴在身体上时，病人的血压、脉搏心跳和温度等体征信息被测量并写入传感器中，传感器再以远程GPRS通讯方式或者近距离Zigbee传输等方式将数据上传至诊断或者护理监控中心，以起到对健康状况的实时监控的作用。
毫无疑问地，在上述应用范例中，物联网作为一种革新性的技术突破，使得传感信号以无线传输的方式与监控系统互联，可以极大地降低应用方案的实施成本，比有线连接到传感器上的方式有着更大的应用前景。而作为物联网技术中最基础最底层的射频识别标签(RFID)技术，已广泛应用到社会生活的诸多方面；更进一步的，在13.56MHz这个射频识别频段上衍生出来的近场通讯(NFC)也因为被集成进手机终端而得到更为广泛的推广。在射频识别标签技术中，无源被动式的射频识别标签技术因为可以从周围磁场中感应而转化为电能并供射频识别芯片内部的电路工作，而省去了更换电池的步骤，进一步地降低了应用方案的成本，是广泛实施无线传感网络的首选技术。如果将无源被动式射频识别标签与传感器结合到单芯片中，将会带来诸多方面的技术挑战。
首先是低功耗设计方面的挑战。顾名思义，无源被动式射频识别标签即没有外部电源或者电池供电的标签，其工作时所需的电能均来源于标签线圈与周围磁场感应而得到的交流磁场，并经过标签芯片中的交流到直流的整流与稳压电路，将交流磁场转换成整个标签电路工作所需的直流电源；根据标签电路工作所需的电流大小和需要在周围电磁场完全关断的条件下需要持续工作的时间而定，芯片外部可以外接或者不外接储能电容。当接有外部储能电容时，储能电容在周围磁场被耦合进芯片所接的电感线圈时，进行电荷的存储，即电流充电式地流入电容，而在周围磁场完全关断时，储能电容上所存储的电荷释放到标签电路上，起到电源的作用，即电流放电式地流出电容。即便是采用周围磁场不完全关断的RFID通讯方式，比如低频射频标签技术中的全双工(Full Duplex)通讯方式，因为读卡器设备和标签芯片都采用了幅度调制(Amplitude Modulation)技术，或者更为简单的二进制启闭键控调制(On-Off Shift Keying Modulation)技术的，在发生数据调制传输的时候(比如发送数据“1”)，电感线圈上的电压被下拉到较低的水平，用以区分未发生调制的时候，即电感线圈上的电压未被下拉的情形所传输的数据(比如数据“0”)，此时电感线圈上的电流被泄放掉以完成调制操作，故而此时的电荷储能会比未发生调制的时候较少，如果没有储能电容的话，有可能产生整个芯片的供电不足而停止工作。上述由磁场感应并进而进行整流和稳压的供电模式决定了整个射频识别标签芯片电路在工作时消耗的电能必须达到最低限度，否则无法完成满足一定通讯距离要求的射频识别下行解调和上行应答等操作。在此限制条件下，传感器首先必须要对所需要测量的物理量进行精确测量，再者必须对测量所得的模拟物理量转换成适合数据通讯和传输的数字代码，即A/D的转换，显而易见，这两个过程都必须达到最低的功耗极限。
众所周知，传感器所测量的物理量基本上属于微弱信号，而对微弱信号的处理和放大都需要克服器件噪声、共模信号(比如电源高低以及零电位地线上的噪声等)、以及差模失配偏差的影响，在传统的电路技术中，做到这些必须要用较大的电流和功耗；另一方面，要跟踪传感器信号的变化则需要整个信号处理链路具有比传感器信号频率更高的信号处理带宽，而带宽即意味着大电流和较大的系统功耗。模拟到数字的转换过程也同样涉及到信噪比的考虑、共模抑制比的考虑、电源电压抑制比的考虑和信号带宽的考虑，基于同样的原理和推论，精确的A/D转换也需要耗费较大的电流和系统功耗。这也是业界熟知的低功耗设计所面临的困境。这样的困难使得传感器与无源被动式射频识别标签的集成面临很大的技术挑战，是个业界未能很好解决的问题。
其次是应用模式兼容性的挑战。如前所述，利用外接储能电容的方法，可以在一定程度上缓解低功耗设计所能达到的极限与达到复杂的传感和射频识别通讯功能所需要的能量水平的矛盾。但是在无源被动式射频识别标签芯片的上电过程中，由磁场感应并经过整流和稳压所得到的电能对储能电容形成了一个充电的过程。在充电过程中，随着电容上所存储电荷的数量增多，储能电容上的电压也缓慢上升；储能电容越大，电压上升到一定程度所需要的时间也越长。
然而，无源被动式射频识别标签的通讯协议往往对上电时间的长短有着明确的限制。以国际低频动物识别标准ISO11784/11785为例，动物识别射频标签工作在两个模式下，即下行命令模式和上行应答模式。下行命令模式也叫“读卡器先说”模式，或RTF模式(Reader Talk First)，是指由读卡器端主动发送操作指令而驱动射频识别标签根据指令做出响应的模式，比如读卡器发送读取标签内存地址中某个单元的数据存储内容，射频识别标签在接收到该命令信号后将根据指令而对内存单元寻址并读出该地址单元中的存储内容，并由射频前端通过负载调制而被动发送出反馈信号，即包含数据内容的一串码流；上行应答模式也叫“标签先说”模式，或TTF模式(Tag Talk First)，是指由射频识别标签在未收到任何读卡器指令之后进入自动反复进行负载调制而被动发送某个固定码流的模式，通常该码流包含了标签中的序列号等用户数据信息。在系统一开始通过磁场耦合而得到电能，开始上电过程之后，是否进入上行应答或者下行命令模式，是由ISO11784协议中的空中接口规范所规定的。该规范中规定，射频识别标签在检测到足够的能量水平而发出上电复位信号之后，在一定的时间窗口内，比如4毫秒，射频识别标签芯片等待由读卡器下发命令指令，芯片一旦接收并正确解调到其所支持的指令，则进入下行命令模式，射频识别标签芯片将根据所收到的读卡器命令而做出操作和回应；反之，如果在上电复位之后的一定时间窗口内，射频识别标签芯片没有等到读卡器下发的命令指令，或者因为通讯的原因而没有正确解调到其指令集中所支持的任何一条指令，则射频识别标签芯片进入上行应答模式，在该模式中射频识别标签芯片循环反复地通过被动式负载调制而发送某固定内存地址中的固定代码内容到读卡器上。所以，上述时间窗口是标准的通讯协议为了支持RTF和TTF工作模式而硬性规定的通讯协议中的一个重要参数指标，用增加储能电容来提供集成了传感器的射频识别标签工作所需要的更多的能量，会造成储能电容上电压的上升时间过长，从而自动进入了上行应答模式而无法完成RTF高级指令模式的操作。这种射频识别标签使用上的不兼容性，会造成业界大量的已有读卡器设备因为违反其所遵从的标准通讯协议而无法对射频识别标签使用RTF指令。若是我们简单的将普通RTF模式下的时间窗口拉长到可以满足传感器充电时间的需求，那么在市场上现存的大批量符合现有通讯协议的读卡器将不得不被替换，这会引发巨大的用户成本增加，在经济上是不现实的，在新技术的推广上也是不利的。
综上所述，若将传感器与无源被动式射频识别标签集成于一体而成为单芯片的无源被动式传感器射频识别标签，面临较大的技术挑战。到目前为止，在半导体芯片设计业界尚未能针对物联网行业的发展需求而给出明确的技术解决方案。
以动物识别标准ISO11784/11785所针对的农业物联网领域为例，高端牲畜养殖和家庭宠物饲养都对牲畜或者宠物动物的健康体征有着监控的需求，体温作为一个重要的生命体征是首要被关注的一项指标，而上面所述的技术困难使得带有温度传感器的射频识别标签很难在通讯距离或者应用中满足用户要求。
本发明特别涉及了一种集成温度传感器到无源被动式射频识别标签芯片的技术，但是其直接的应用范围并不限于温度传感器与无源被动式射频识别标签的集成问题，更可以延伸到所有类型的传感器与无源被动式射频识别标签的集成问题，也可以用来解决无源被动式射频识别标签必须兼顾两个能量水平差异很大的应用模式的问题。
本发明界定在集成温度传感器的无源被动式射频识别标签芯片中的温度测量操作，是一个下行命令模式的操作，而上行应答模式的操作仅仅涉及以被动的负载调制方式进行固定码流的上行传输，不涉及诸如温度测量与A/D转换这种高级操作。所以，为了达到精确的温度测量而做的系统架构乃至电路上的改进，其目的是给无源被动式射频识别标签芯片提供更多的电能，本技术与简单地延长读卡器通过延长发射场能量的时间而增大标签芯片储能电容的充电电量的做法不同，因为延长读卡器对标签芯片下行充电时间会占用上电过程中过多的时间窗口，使得该射频识别标签会自动进入上行应答模式而导致RTF下行指令模式的失败。
发明内容
本发明技术解决了无源射频识别传感器标签芯片的设计困境问题，即其必须分别满足在处于高能量水平的精确传感测量和A/D转换模式(即RTF模式)，和处于低能量水平但是受限于有限时间窗口的主动反复应答模式(即TTF模式)的应用需求。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路，包括并联连接的、用于耦合外部磁场的谐振电感和谐振电容，所述谐振电容的正负两端分别连接至时钟恢复模块、整流模块、命令解调模块以及负载调制器的两个输入端，所述整流模块的输出端连接至稳压模块输入端，稳压模块输出端分别连接至带隙基准模块、上电复位模块、射频识别标签其它部分以及第一储能电容，
所述命令解调模块的输出端连接至射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块，所述命令解调模块用于将读卡器所要传输的信息从交流信号中解调出来，从而接收到读卡器的指令，所述指令包括射频识别标签芯片在与温度传感器无关的模式下正常的操作指令，以及读卡器对无源射频识别标签发出的启动温度传感器的指令，所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块用于根据命令解调模块解调出来的读卡器指令对无源射频识别标签进行控制和设定，特别地，当所述指令中含有启动温度传感器的指令时，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块转换为温度传感器模式，输出导通开关晶体管Msensor的电压，将所述开关晶体管Msensor源漏极之间导通；
所述开关晶体管Msensor的栅极连接至所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的输出端，漏极连接至稳压模块的输出端，其源极通过第二储能电容Cs-sensor接地，用于接受所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的控制指令导通其漏极和源极，将第二储能电容Cs-sensor接入，与温度测量和A/D转换模块以及第一储能电容Cs-tag连接成为回路；
所述第二储能电容Cs-sensor的正极端连接至开关晶体管Msensor的源极，其负极端连接至所述第一储能电容Cs-tag并接地，用于在高能耗模式下给温度测量和A/D转换模块供电，维持所述温度测量和A/D转换模块进行温度物理量的精确测量和将所测量的温度值进行高精度A/D转换所需要的电能；
所述温度测量和A/D转换模块，其一端连接至稳压模块输出端与所述开关晶体管Msensor的漏极，通过开关晶体管Msensor连接至第二储能电容Cs-sensor，另一端分别连接至负载调制器的输出和存储器模块，用于在读卡器的指令下对温度物理量进行精确测量，并将所测量的温度值进行A/D转换，形成代表温度量的数字码流。
实现本发明目的的技术方案还进一步的包括，所述读卡器指令包括三部分，第一部分是与温度传感器无关的控制指令，用于控制无源射频识别标签进行除温度测量外的工作，第二部分是命令调制部分，用于激活无源被动式射频识别温度传感器标签芯片中的温度测量和A/D转换模块，其调制方式和编码方式使得无源射频识别标签芯片中的射频接收电路和解调电路得到读卡器发出的开始测量温度的指令信息，从而使该射频识别标签进入温度传感的高精度和高能量水平模式，第三部分为无调制信息的延长时间性射频场部分，该部分最主要的特征是在一段时间内具有平稳的振幅和包络，该部分主要目的是经过无源被动式射频识别温度传感标签芯片中的整流和稳压电路处理后，对芯片内置或芯片外接的储能电容进行充分的充电操作，使得储能电容上的电能储备增大，满足温度传感器的精确温度测量和A/D转换的电能需求。
本发明的另一目的在于提供一种改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的方法，所述方法包括如下步骤:
(1)读卡器向无源射频识别标签下发磁场，无源射频识别标签的感应线圈耦合该磁场产生感应电流，从而启动无源射频识别标签进入工作状态；
(2)读卡器向无源射频识别标签下发读写指令，经无源射频识别标签的命令调制模块解析出该读写指令后，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块控制相应的电路模块启动工作，并将相关数据上行传输至读卡器，其中，当读卡器下发的读写指令中含有启动温度传感器的指令时，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块转换为温度传感器模式，输出导通开关晶体管Msensor的电压，将所述开关晶体管Msensor源漏极之间导通，稳压模块输出的电荷在供给射频识别标签其它部分及温度测量和A/D转换模块的同时，向第一储能电容Cs-tag及第二储能电容Cs-sensor进行充电；
(3)当读卡器停止向无源射频识别标签下发磁场，或读卡器的磁场变弱时，第一储能电容Cs-tag及第二储能电容Cs-sensor对外放电供给射频识别标签其它部分及温度测量和A/D转换模块保持继续工作状态，进行温度测量、A/D转换以及其它工作，保证了标签进行温度测量所需要的电荷强度，从而保证了标签进行温度测量的精度，且保证了标签的读写距离。
本发明由于将读卡器启动温度传感器的指令分为编码调制的指令部分和未编码调制的延长充电时间的射频场部分，并且添加了开关储能电容在电路系统架构中，由传感器的工作模式来启动逻辑信号控制开关储能电容的接入与否，使得集成了高精度温度传感器的无源被动式射频识别标签可以兼顾普通的下行指令应答模式的时间窗口协议的限制，和高精度传感器操作模式的高能量水平需求，这给无源被动式射频识别标签芯片与传感器芯片的集成开启了一条新的可行实施技术。本发明的实施技术，同样的可以推广到其他一般性高能量需求的传感器与无源被动式射频识别标签的集成之中，是具有广泛的适用性的系统技术，在低功耗物联网无线传感网络领域有着十分重要的意义：本发明中的电路技术使得从温度测量到A/D转换的电路模块都会得到更多能量的电源支持，带来明显的性能提升优势。比如，对于前述业界面临的技术挑战和未能很好解决的低功耗设计难题而言，处理微弱信号的放大器可以获得较高的增益、更好的噪声抑制性能、以及更好的电源电压抑制比和更大的信号处理带宽等；A/D转换电路也可以得到更加稳定的参考电压、更高的信噪比、更高的电源电压抑制比以及共模抑制比，从而获得更高的转换精度。
附图说明
图1为本发明集成温度传感器的无源射频识别标签的系统框图；
图2为本发明实施例一的以OOK调制为例的读卡器温度传感指令波形图；
图3为本发明实施例二的以FSK调制为例的读卡器温度传感指令波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为本发明改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路系统框图，该电路系统中包括并联连接的、用于耦合外部磁场的谐振电感和谐振电容，所述谐振电容的正负两端分别连接至时钟恢复模块、整流模块、命令解调模块以及负载调制器的两个输入端，所述整流模块的输出端连接至稳压模块输入端，稳压模块输出端分别连接至带隙基准模块、上电复位模块、射频识别标签其它部分以及第一储能电容Cs-tag，上述各模块的功能分别如下：
谐振电感线圈是外接在芯片外部的部件，其主要功能是与谐振电容一起组成谐振电路，用于耦合读卡器发出的磁场能量到谐振电路中，变成交流电流信号。
谐振电容是芯片内部作为谐振电路的电容部件，其主要功能是与外接的谐振电感线圈一起组成谐振电路，用于耦合读卡器发出的磁场能量到谐振电路中。
时钟恢复模块是从谐振电路中的交流电压提取与读卡器发出的磁场同频率的时钟方波信号的模块，该时钟信号提供给芯片内部数字逻辑控制部分作为同步信号用。
带隙基准模块是芯片内部提供与温度无关的基准参考电压和偏置电流的模块。
上电复位模块是对芯片收集的能量进行监控的模块，在上电过程中一旦芯片收集到足够的能量，即发出复位信号给芯片内部的数字逻辑控制部分。
存储器模块是芯片内部非挥发性的存储器部分，其可以通过特定的读指令、擦除指令和写指令分别做到读取内存数据、擦除内存数据和写入内存数据的操作。
整流模块是利用一组单向导通的阈值器件对接收到的交流电进行从交流到直流的转换的电路模块，其整流结果是输出到后续整个芯片系统的直流电流。
稳压模块是根据某一参考基准电压的高低对整流模块输出的直流电压进行进一步抑制电压纹波波动的模块，相当于芯片其他电路模块的直流电源。
负载调制器是芯片向读卡器传输信息的上行链路中发射控制部分，其根据所要传输的数字信号码流而改变谐振电路的等效阻抗，从而将信息调制到谐振电路，通过磁场间的耦合作用上行传输到读卡器。
射频识别标签其他部分(如状态机逻辑控制，能量检测与限幅控制，模式转换和参考电压与偏置电流的产生等)是提供无源被动式射频识别温度传感标签芯片其他附加功能的模块，比如在TTF和RTF时间进行模式切换的控制、对能量收集前端电路进行限幅调整控制、动态调整稳压电源输出电压水平的控制、对存储器进行擦写和编程操作时所需要的高压产生和限幅控制等，这些模块是现有技术中对射频识别标签性能进行调整和控制的电路，与本申请技术没有直接相关性，故而不做详细描述。
第一储能电容Cs-tag可以是射频识别标签的外接储能电容器件或内置的储能电容器件，根据射频识别标签芯片本身的功耗需求不同，某些设计可以完全不需要Cs-tag在外部作为储能电容，而完全采用芯片内部的储能电容，也有某些设计需要外接储能电容作为辅助能量来源，特别是读卡器断场时间过长的时候，外部储能电容是整个芯片在此期间进行工作的一个能量来源。
所述命令解调模块是芯片接收读卡器信息的下行链路中解析调制命令的部分，其输出端连接至射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块，所述命令解调模块用于将读卡器所要传输的信息从交流信号中解调出来，从而接收到读卡器的指令，所述指令包括射频识别标签芯片在与温度传感器无关的模式下正常的操作指令，以及读卡器对无源射频识别标签发出的启动温度传感器的指令，所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块用于根据命令解调模块解调出来的读卡器指令对无源射频识别标签进行控制和设定，特别地，当所述指令中含有启动温度传感器的指令时，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块转换为温度传感器模式，输出导通开关晶体管Msensor的电压，将所述开关晶体管Msensor源漏极之间导通。
所述开关晶体管Msensor的栅极连接至所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的输出端，漏极连接至稳压模块的输出端，其源极通过第二储能电容Cs-sensor接地，用于接受所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的控制指令导通其漏极和源极，将第二储能电容Cs-sensor接入，与温度测量和A/D转换模块以及第一储能电容Cs-tag连接成为回路。
所述开关晶体管Msensor采用开关器件或复合开关中的一种，所述开关器件或复合开关的输入端连接至稳压模块的输出端，输出端通过第二储能电容(Cs-sensor)接地，控制端连接至所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的输出端。
所述第二储能电容Cs-sensor的正极端连接至开关晶体管Msensor的源极，其负极端连接至所述第一储能电容Cs-tag并接地，用于在高能耗模式下给温度测量和A/D转换模块供电，维持所述温度测量和A/D转换模块进行温度物理量的精确测量和将所测量的温度值进行高精度A/D转换所需要的电能。所述高能耗模式包括但不限于读卡器对射频标签的断场模式、温度测量和A/D转换模式等。
所述温度测量和A/D转换模块，其一端连接至稳压模块输出端与所述开关晶体管Msensor的漏极，通过开关晶体管Msensor连接至第二储能电容Cs-sensor，另一端分别连接至负载调制器的输出和存储器模块，用于在读卡器的指令下对温度物理量进行精确测量，并将所测量的温度值进行A/D转换，形成代表温度量的数字码流，其具体的实现形式可以是业界任一种温度传感器的形式。
本发明由于将读卡器启动温度传感器的指令分为编码调制的指令部分和未编码调制的延长充电时间的射频场部分，并且添加了开关储能电容在电路系统架构中，由传感器的工作模式来启动逻辑信号控制开关储能电容的接入与否，使得集成了高精度温度传感器的无源被动式射频识别标签可以兼顾普通的下行指令应答模式的时间窗口协议的限制，和高精度传感器操作模式的高能量水平需求，这给无源被动式射频识别标签芯片与传感器芯片的集成开启了一条新的可行实施技术。本发明的实施技术，同样的可以推广到其他一般性高能量需求的传感器与无源被动式射频识别标签的集成之中，是具有广泛的适用性的系统技术，在低功耗物联网无线传感网络领域有着十分重要的意义：本发明中的电路技术使得从温度测量到A/D转换的电路模块都会得到更多能量的电源支持，带来明显的性能提升优势。比如，对于前述业界面临的技术挑战和未能很好解决的低功耗设计难题而言，处理微弱信号的放大器可以获得较高的增益、更好的噪声抑制性能、以及更好的电源电压抑制比和更大的信号处理带宽等；A/D转换电路也可以得到更加稳定的参考电压、更高的信噪比、更高的电源电压抑制比以及共模抑制比，从而获得更高的转换精度。
如图1所示，本技术分为读卡器指令序列部分和电路结构部分两部分。其中，指令部分是指与无源被动式射频识别温度传感器标签通讯的读卡器以磁场能量的形式下发到标签的温度测量指令；电路结构部分是指在无源被动式射频识别温度传感器标签芯片中为了解决本申请技术所要解决的问题而进行的新颖性的电路结构和器件安排等设计方法。
所述读卡器指令包括三部分，第一部分是与温度传感器无关的控制指令，用于控制无源射频识别标签进行除温度测量外的工作；
第二部分是命令调制部分，用于激活无源被动式射频识别温度传感器标签芯片中的温度测量和A/D转换模块，其调制方式和编码方式使得无源射频识别标签芯片中的射频接收电路和解调电路得到读卡器发出的开始测量温度的指令信息，从而使该射频识别标签进入温度传感的高精度和高能量水平模式，其调制形式可以是不失一般性的，也不局限于图2所示的开关键控(OOK，On-Off Keying)的调制方式，或者图3所示的频率偏移键控(FSK，Frequency Shift Keying)的方式，而此处对调制方式中具体的编码方式不做明确规定，可以在本申请技术的范畴内采用通讯行业中任何适合的编码方式；
第三部分为无调制信息的延长时间性射频场部分，该部分最主要的特征是在一段时间内具有平稳的振幅和包络，即其磁场保持恒定的振幅，也叫水平包络，该部分主要目的是经过无源被动式射频识别温度传感标签芯片中的整流和稳压电路处理后，对芯片内置或芯片外接的储能电容进行充分的充电操作，使得储能电容上的电能储备增大，满足温度传感器的精确温度测量和A/D转换的电能需求，虽然上述充电操作是延长时间的充电射频场，达到若干毫秒甚至即使毫秒数量级，但是对于人类使用感知的层面来说，该延长的时间仍然是很小，乃至察觉不到的延迟。
为了能够存储足够多的电能，储能电容的容值和储能电容上的电压必须做出适应性调整。
首先，稳压模块中限制所输出电压的幅度的限幅电路部分需要适当放宽其对电压幅度的限制。于是，储能电容上的电压可以加大到满足电能存储的需要；另一方面，稳压模块所驱动的作为其负载的“射频识别标签其他部分”和“温度测量和A/D转换部分”的供电电压是否需要随着抬高，取决于设计的需要。某些设计对于测量精确度和A/D转换性能的考虑，可以适当抬高某些模块的供电电源电压而达到更好的设计效果，也有些设计会从功耗或者晶体管耐压可靠性的角度考虑而不抬高该模式下的模块供电电源电压，此处不做具体的规定。
其次，储能电容电路在温度传感器模块被激活或唤醒之后，开关晶体管Msensor进入导通状态，从而在原有第一储能电容Cs-tag的基础上再并入了第二储能电容Cs-sensor，使得该模式下整个传感器模块的电能由Cs-tag和Cs-sensor一起供给。开关晶体管Msensor在温度传感器工作完毕之后恢复到关断状态，从而从系统中将第二储能电容Cs-sensor隔离出来，使得在普通的射频识别标签下行命令的RTF应用模式不受影响。
本发明的另一目的在于提供一种改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的方法，所述方法包括如下步骤:
(1)读卡器向无源射频识别标签下发磁场，无源射频识别标签的感应线圈耦合该磁场产生感应电流，从而启动无源射频识别标签进入工作状态；
(2)读卡器向无源射频识别标签下发读写指令，经无源射频识别标签的命令调制模块解析出该读写指令后，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块控制相应的电路模块启动工作，并将相关数据上行传输至读卡器，其中，当读卡器下发的读写指令中含有启动温度传感器的指令时，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块转换为温度传感器模式，输出导通开关晶体管Msensor的电压，将所述开关晶体管Msensor源漏极之间导通，稳压模块输出的电荷在供给射频识别标签其它部分及温度测量和A/D转换模块的同时，向第一储能电容Cs-tag及第二储能电容Cs-sensor进行充电；
(3)当读卡器停止向无源射频识别标签下发磁场，或读卡器的磁场变弱时，第一储能电容Cs-tag及第二储能电容Cs-sensor对外放电供给射频识别标签其它部分及温度测量和A/D转换模块保持继续工作状态，进行温度测量、A/D转换以及其它工作，保证了标签进行温度测量所需要的电荷强度，从而保证了标签进行温度测量的精度，且保证了标签的读写距离。
所述读卡器向无源射频识别标签下发的读写指令包括三部分，第一部分是与温度传感器无关的控制指令，用于控制无源射频识别标签进行除温度测量外的工作，第二部分是命令调制部分，用于激活无源被动式射频识别温度传感器标签芯片中的温度测量和A/D转换模块，其调制方式和编码方式使得无源射频识别标签芯片中的射频接收电路和解调电路得到读卡器发出的开始测量温度的指令信息，从而使该射频识别标签进入温度传感的高精度和高能量水平模式，第三部分为无调制信息的延长时间性射频场部分，该部分最主要的特征是在一段时间内具有平稳的振幅和包络，该部分主要目的是经过无源被动式射频识别温度传感标签芯片中的整流和稳压电路处理后，对芯片内置或芯片外接的储能电容进行充分的充电操作，使得储能电容上的电能储备增大，满足温度传感器的精确温度测量和A/D转换的电能需求。
本发明特别涉及了一种针对于集成有温度传感器的无源射频识别标签芯片改进能量收集的电路，以及改进能量收集的通讯指令方法，但是其直接的应用范围并不限于温度传感器与无源被动式射频识别标签的集成问题，更可以延伸到所有类型的传感器与无源被动式射频识别标签的集成问题，也可以用来解决无源被动式射频识别标签必须兼顾两个能量水平差异很大的应用模式的问题。本发明界定在集成温度传感器的无源被动式射频识别标签芯片中的温度测量操作，是一个下行命令模式的操作，而上行应答模式的操作仅仅涉及以被动的负载调制方式进行固定码流的上行传输，不涉及诸如温度测量与A/D转换这种高级操作。所以，为了达到精确的温度测量而做的系统架构乃至电路上的改进，其目的是给无源被动式射频识别标签芯片提供更多的电能。本技术与简单地延长读卡器读写时间，通过延长发射场能量的时间而增大标签芯片储能电容的充电电量的做法不同，因为延长读卡器对标签芯片下行充电时间会占用上电过程中过多的时间窗口，使得该射频识别标签会自动进入上行应答模式而导致RTF下行指令模式的失败。本发明的实施技术，同样的可以推广到其他一般性高能量需求的传感器与无源被动式射频识别标签的集成之中，是具有广泛的适用性的系统技术，在低功耗物联网无线传感网络领域有着十分重要的意义。

Claims (6)

1.一种改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路，包括并联连接的、用于耦合外部磁场的谐振电感和谐振电容，所述谐振电容的正负两端分别连接至时钟恢复模块、整流模块、命令解调模块以及负载调制器的两个输入端，所述整流模块的输出端连接至稳压模块输入端，稳压模块输出端分别连接至带隙基准模块、上电复位模块、射频识别标签其它部分以及第一储能电容(Cs-tag)，其特征在于，
所述命令解调模块的输出端连接至射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块，所述命令解调模块用于将读卡器所要传输的信息从交流信号中解调出来，从而接收到读卡器的指令，所述指令包括射频识别标签芯片在与温度传感器无关的模式下正常的操作指令，以及读卡器对无源射频识别标签发出的启动温度传感器的指令，所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块用于根据命令解调模块解调出来的读卡器指令对无源射频识别标签进行控制和设定，特别地，当所述指令中含有启动温度传感器的指令时，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块转换为温度传感器模式，输出导通开关晶体管(Msensor)的电压，将所述开关晶体管(Msensor)源漏极之间导通；
所述开关晶体管(Msensor)的栅极连接至所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的输出端，漏极连接至稳压模块的输出端，其源极通过第二储能电容(Cs-sensor)接地，用于接受所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的控制指令导通其漏极和源极，将第二储能电容(Cs-sensor)接入，与温度测量和A/D转换模块以及第一储能电容(Cs-tag)连接成为回路；
所述第二储能电容(Cs-sensor)的正极端连接至开关晶体管(Msensor)的源极，其负极端连接至所述第一储能电容(Cs-tag)并接地，用于在高能耗模式下给温度测量和A/D转换模块供电，维持所述温度测量和A/D转换模块进行温度物理量的精确测量和将所测量的温度值进行高精度A/D转换所需要的电能；
所述温度测量和A/D转换模块，其一端连接至稳压模块输出端与所述开关晶体管(Msensor)的漏极，通过开关晶体管(Msensor)连接至第二储能电容(Cs-sensor)，另一端分别连接至负载调制器的输出和存储器模块，用于在读卡器的指令下对温度物理量进行精确测量，并将所测量的温度值进行A/D转换，形成代表温度量的数字码流。
2.根据权利要求1所述的改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路，其特征在于，所述读卡器指令包括三部分，第一部分是与温度传感器无关的控制指令，用于控制无源射频识别标签进行除温度测量外的工作，第二部分是命令调制部分，用于激活无源被动式射频识别温度传感器标签芯片中的温度测量和A/D转换模块，其调制方式和编码方式使得无源射频识别标签芯片中的射频接收电路和解调电路得到读卡器发出的开始测量温度的指令信息，从而使该射频识别标签进入温度传感的高精度和高能量水平模式，第三部分为无调制信息的延长时间性射频场部分，该部分最主要的特征是在一段时间内具有平稳的振幅和包络，该部分主要目的是经过无源被动式射频识别温度传感标签芯片中的整流和稳压电路处理后，对芯片内置或芯片外接的储能电容进行充分的充电操作，使得储能电容上的电能储备增大，满足温度传感器的精确温度测量和A/D转换的电能需求。
3.根据权利要求1所述的改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路，其特征在于，所述开关晶体管(Msensor)采用开关器件或复合开关中的一种，所述开关器件或复合开关的输入端连接至稳压模块的输出端，输出端通过第二储能电容(Cs-sensor)接地，控制端连接至所述射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块的输出端。
4.根据权利要求1所述的改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的电路，其特征在于，所述高能耗模式包括但不限于读卡器对射频标签的断场模式、温度测量和A/D转换模式。
5.一种改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
(1)读卡器向无源射频识别标签下发磁场，无源射频识别标签的感应线圈耦合该磁场产生感应电流，从而启动无源射频识别标签进入工作状态；
(2)读卡器向无源射频识别标签下发读写指令，经无源射频识别标签的命令调制模块解析出该读写指令后，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块控制相应的电路模块启动工作，并将相关数据上行传输至读卡器，其中，当读卡器下发的读写指令中含有启动温度传感器的指令时，射频标签/温度传感器模式转换逻辑控制模块转换为温度传感器模式，输出导通开关晶体管(Msensor)的电压，将所述开关晶体管(Msensor)源漏极之间导通，稳压模块输出的电荷在供给射频识别标签其它部分及温度测量和A/D转换模块的同时，向第一储能电容(Cs-tag)及第二储能电容(Cs-sensor)进行充电；
(3)当读卡器停止向无源射频识别标签下发磁场，或读卡器的磁场变弱时，第一储能电容(Cs-tag)及第二储能电容(Cs-sensor)对外放电供给射频识别标签其它部分及温度测量和A/D转换模块保持继续工作状态，进行温度测量、A/D转换以及其它工作，保证了标签进行温度测量所需要的电荷强度，从而保证了标签进行温度测量的精度，且保证了标签的读写距离。
6.根据权利要求5所述的改进温度传感器无源射频识别标签能量收集的方法，其特征在于，所述读卡器向无源射频识别标签下发的读写指令包括三部分，第一部分是与温度传感器无关的控制指令，用于控制无源射频识别标签进行除温度测量外的工作，第二部分是命令调制部分，用于激活无源被动式射频识别温度传感器标签芯片中的温度测量和A/D转换模块，其调制方式和编码方式使得无源射频识别标签芯片中的射频接收电路和解调电路得到读卡器发出的开始测量温度的指令信息，从而使该射频识别标签进入温度传感的高精度和高能量水平模式，第三部分为无调制信息的延长时间性射频场部分，该部分最主要的特征是在一段时间内具有平稳的振幅和包络，该部分主要目的是经过无源被动式射频识别温度传感标签芯片中的整流和稳压电路处理后，对芯片内置或芯片外接的储能电容进行充分的充电操作，使得储能电容上的电能储备增大，满足温度传感器的精确温度测量和A/D转换的电能需求。
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