CN113508398A - Uhf频带中操作的无源无线电识别标签的电路和操作电路的方法 - Google Patents

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CN113508398A CN202080016769.6A CN202080016769A CN113508398A CN 113508398 A CN113508398 A CN 113508398A CN 202080016769 A CN202080016769 A CN 202080016769A CN 113508398 A CN113508398 A CN 113508398A
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Abstract

本发明涉及一种在UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路，该电路被配置为与阅读器无线通信，阅读器发送周期性的读取信号，其中读取信号的一个周期包括能量回收阶段和通信阶段。电路包括：控制装置，被配置为在能量回收阶段期间从无线电波累积能量储备、并在通信阶段期间与阅读器通信；接口，用于连接外部模拟传感器。接口包括：电连接件，被配置为连接外部模拟传感器、并对外部模拟传感器供电、并且采集传感器的模拟测量结果；放大器，被配置为放大传感器的模拟测量结果的信号；和模数转换器(ADC)，被配置为使传感器的被放大的模拟测量结果数字化，其中能量回收阶段包括采集阶段，在该采集阶段期间，接口对外部模拟传感器供电，对传感器的测量结果进行采集、放大和数字化。本发明还涉及一种系统和方法。

Description

UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路和操作电路的 方法
技术领域
本发明涉及非接触式装置，例如RFID类型的非接触式装置，该非接触式装置包括用于在不需要外部电源的情况下长时间记录事件的传感器。本发明尤其涉及一种用于在UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路，该电路被配置为与阅读器进行无线电通信，该阅读器发送周期性的读取信号，其中，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段。
背景技术
如从现有技术中已知的，RFID类型(“射频识别”)的电路可以充当无线电标签(或“RFID标签”)，也被称为标记，并且该电路与待监测的对象相关联。该电路包括传感器、或可选地经由接口连接到传感器，该传感器用于测量与该对象相关的至少一些物理参数，例如环境温度、湿度或甚至加速度。
该电路通常呈粘贴在待监测对象上的自粘标签的形式，或者可能呈集成到待监测对象中的芯片的形式。该待监测对象例如是工业设备、商品、产品或活的有机体，通过至少一个被测量的物理参数对该待监测对象进行监测是必要的。
通常，这样的传感器包括存储器模块、天线和电源，所述存储器模块能够存储由测量模块所采集的测量结果，所述天线能够通过电磁信号将这些测量结果发射到询问器，所述电源用于特别地对测量模块供电。
常规地，这样的系统包括阅读器或RFID询问器和附接到或固定到待监测的对象的电路(或标签)(或多个电路)。RFID阅读器通常向RFID电路发送UHF信号，被称为询问信号。使用UHF信号具有以下优点：通信速度快，可以同时与大量的标签进行通信。
常规地，在这些系统中所使用的RFID标签是无源标签，特别地，该RFID标签不包括电池或电力存储装置。这些标签使用阅读器信号的载波中所包含的能量，来将信号的调制版本从阅读器发送到RFID阅读器。询问信号的能量中的至少一些能量被能量收集装置回收，以便对标签的部件供电。无源标签的优势在于它们轻便且便宜、且具有较长的保质期。
例如在文献FR3015729(A1)或由C.Felini等人的“Fully RF Powered UHF-RFIDSensors Platform”，Procedia Engineering 87(2014)1346–1349中描述了一种无源RFID标签。从US20080136619A1、US20130099897A1、US6720866B1、CN104361388A、US9789738B2或US20100231407A1也已知RFID标签。
然而，UHF询问信号和无源标签的组合使用确实具有读取距离短的缺点(尤其是在电路连接到传感器的情况下是这样)，读取距离例如小于20cm，这是因为由无源标签回收的能量是有限的。在这种情况下，使用通过接口连接到电路的外部传感器会消耗大部分的能量，特别是如果该传感器包括离散的电子器件(或数字部件)，该接口是数字接口(例如SPI或I2C)，和/或用于采集来自外部传感器的信号的通道消耗过多的能量。此外，读取时间可能非常长，例如可以持续超过500ms。此外，如果使用数字接口，则包括通过接口来连接的电路和外部传感器的系统可能是大尺寸的。
发明内容
本发明的目的是消除上述缺点中的所有或部分缺点，尤其是允许长的读取距离，例如长达3米，以及允许包括经由具有减小尺寸的接口连接的电路和外部传感器的系统。然而，本发明的另一目的是遵守EPC UHF Gen 2空中接口协议(EPC UHF Gen 2Air InterfaceProtocol)。
为此目的，本发明提出一种用于在UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路，所述电路被配置为与阅读器进行无线电通信，所述阅读器发送周期性的读取信号，其中，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段。所述电路包括：控制装置，所述控制装置被配置为在所述能量回收阶段期间从无线电波累积能量储备、并且在所述通信阶段期间与所述阅读器进行通信；接口，所述接口用于连接(至少)外部模拟传感器。所述接口包括：电连接件，所述电连接件被配置为连接所述外部模拟传感器、并对所述外部模拟传感器供电、并且采集来自所述传感器的模拟测量结果；放大器，所述放大器被配置为放大来自所述传感器的所述模拟测量结果的信号；和模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置为使来自所述传感器的被放大的模拟测量结果数字化，其中，所述能量回收阶段包括采集阶段，在所述采集阶段期间，所述接口对所述外部模拟传感器供电，对来自所述传感器的所述测量结果进行采集、放大和数字化。
因此，由于这样的接口，模拟传感器可以直接连接到所述电路，这比包括附加电子元件/电路的数字传感器消耗更少的能量。此外，由于可以对在采集阶段(该采集阶段在能量回收阶段期间，并因此在通信阶段之前，且因此在周期性的读取信号的单个周期中)期间来自传感器的测量结果进行采集、放大和数字化，因此该测量结果可以在该通信阶段期间(即，在同一周期期间)直接发送至阅读器。因此，可以减少电路的响应时间。因此可以非常快速地读取(询问)多个外部电路。例如，包括根据本发明的电路的对象可以被一起定位在盒子中，并且可以非常快速地读取每个对象。根据另一示例，可以在车辆移动通过检测器时测量轮胎的压力。
所述控制装置还可以被配置为：在所述采集阶段对所述接口供电，以采集被放大和数字化的测量结果，和在相同周期的所述通信阶段将所述被放大和数字化的测量结果传输到所述阅读器。
所述控制装置可以被配置为：在启动阶段启动，所述启动阶段在所述采集阶段之前并且在同一能量回收阶段期间内。
在所述启动阶段之前，所述能量回收阶段还可以包括初始能量回收阶段，在所述初始能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
因此，可以确保可靠的启动，这是因为被积累的能量的水平足够高。
在所述启动阶段与所述采集阶段之间，所述能量回收阶段还可以包括第一中间能量回收阶段，在所述第一中间能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
因此，可以确保所述测量结果的可靠采集，这是因为被累积的能量的水平足够高。
在所述采集阶段之后并且在所述通信阶段之前，所述能量回收阶段还可以包括第二中间能量回收阶段，在所述第二中间能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
因此，可以确保将所述测量结果可靠地传输到阅读器，这是因为被积累的能量的水平足够高。
所述控制装置可选地被配置为在所述采集阶段期间仅对所述接口供电。
因此，可以通过所述接口来对所述模拟传感器供电。此外，如果在所述采集阶段期间仅仅所述接口被激活，则可以降低能量消耗。
所述控制装置可选地被配置为顺序地对所述接口的元件供电，例如顺序地对用于连接所述传感器的所述电连接件、所述放大器和所述模数转换器(ADC)供电。
因此，因为仅对该接口的该元件供电，该元件在采集测量结果时是必要的，因此可以降低能量消耗。
因此，所述控制装置可以被配置为：首先仅对所述电连接件供电，以便对所述外部模拟传感器供电并采集来自所述传感器的所述模拟测量结果，之后，仅对所述放大器供电，以便放大来自所述传感器的所述模拟测量结果的所述信号，以及之后，仅对所述模数转换器(ADC)供电，以便将来自所述传感器的被放大的模拟测量结果数字化。
在通过所述模数转换器(ADC)将所述测量结果数字化之后、并且在所述采集阶段期间，通过所述控制装置读取并保存被数字化的测量结果。
因此，在通信阶段开始时所述测量结果准备好被传输到阅读器。
所述电路例如与EPC UHF Gen 2空中接口协议兼容(或根据EPC UHF Gen 2空中接口协议进行通信)。
本发明还提出了一种在UHF频带中操作的无源无线电识别系统，该无源无线电识别系统包括：读取器和如上所述的电路，所述读取器被配置为发送周期性的读取信号，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段。
本发明还提出一种用于操作用于在UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路并且用于通过阅读器读取所述电路的方法，所述电路连接到外部模拟传感器，其中，所述阅读器发送周期性的阅读信号，其中，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段，所述电路在所述能量回收阶段期间从无线电波积累能量储备，并且在所述通信阶段与所述阅读器进行通信，其中，在所述能量回收阶段期间通过所述电路对所述外部模拟传感器供电，使得所述电路在同一能量回收阶段期间对来自所述传感器的测量结果进行采集、放大和数字化。
在所述通信阶段期间，所述电路可以将来自所述传感器的被数字化的测量结果传输到所述阅读器，所述通信阶段在所述能量回收阶段之后并且在同一周期内。
本发明的特征和优点将从以下仅作为非限制性示例给出并且参考附图进行的描述中显现。
附图说明
[图1]图1是根据本发明的电路的架构的示意图，
[图2]图2是根据本发明的能量回收阶段的图示的示意图，和
[图3]图3是根据本发明的能量采集阶段的图示的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的电路1的架构的示意图。该电路1是在UHF频带中操作的RFID类型(“射频识别”)，并且可以充当无线电标签(或“RFID标签”)。该电路例如与EPC UHF Gen 2空中接口协议兼容(或根据EPC UHF Gen 2空中接口协议进行通信)。
该电路例如呈粘贴在待监测对象上的自粘标签的形式，或者可能呈集成到待监测对象中的芯片的形式。该待监测对象例如是商品、产品或活的有机体，通过至少一个被测量的物理参数对该待监测对象进行监测是必要的。
该电路1无源地操作，具体地该电路不包括电池或能量存储装置。但是该电路确实使用阅读器的信号载波中所包含的能量，以将阅读器的信号的调制版本发送回到RFID阅读器。询问信号的能量中的至少一些能量被能量收集装置回收，以便对该电路的部件供电。详细地：
该电路1包括模拟模块2，该模拟模块2连接到天线21，以便回收由外部阅读器所发送的无线电波且利用该天线所接收的能量、并且接收和发射通信信号。
为此目的，模拟模块2包括调制单元22(例如，用于发送通信信号)。该模拟模块2还包括解调单元25(例如，以便接收通信信号)。该模拟模块2还包括整流单元23和供电控制单元24，以便在能量回收阶段期间继续和/或累积来自无线电波的能量储备。该整流单元23可以执行将无线电能量转换成连续的能量来对该电路供电。此外，该供电控制单元24可以运行“合适的”(propre)连续电压的产生以对采集链(例如，接口)供电，并且还运行连续电流的产生以对该采集链供电。例如，被累积的能量可以存储在电容器(例如，(车载)容电器)中。
模拟模块2连接到数字模块3(或控制装置3)。该数字模块3包括处理器和/或存储单元31，该处理器和/或存储单元31能够处理数据和/或存储由传感器所采集的测量结果。此外，该数字模块3可选地包括数字接口，例如SPI或I2C。该数字模块3控制所述模拟模块2，例如用于被供应被累积的能量并且通过天线21与阅读器通信。因此，能量的累积、消耗和存储由数字模块3控制(参见下文对图2的说明)。
数字模块3还连接到接口(或接口模块)4。该接口4包括电连接件41，该电连接件41被配置为连接外部模拟传感器、并且为该外部模拟传感器供电、并且采集来自该传感器的模拟测量结果。该接口4还包括放大器42，该放大器42被配置为放大来自传感器的模拟测量结果的信号。该接口4还包括模数转换器(ADC)43，该模数转换器(ADC)43被配置为将来自传感器的被放大的模拟测量结果数字化。离开该转换器43的信号被发送到数字模块3，以便被存储以及发送到阅读器。该转换器可以连接到振荡器28以接收“CLK”信号。
例如，该电路还可以包括内部模拟传感器26和/或内部温度传感器27，该内部模拟传感器26和/或内部温度传感器27例如连接到转换器43。
图2是根据本发明的能量回收阶段的图示的示意图。该图示表示4个活动(或4个子图)，其中的X轴表示时间。
外部阅读器发送周期性读取信号。该读取信号的周期P包括能量回收阶段REC和通信阶段COM。在能量回收阶段REC中，从外部阅读器的无线电波来积累能量储备。能量回收阶段REC包括以下描述的阶段。
如在“RF获取子图”所示的，因此被存储的能量在初始的能量回收阶段上升(例如，在500微秒期间上升到5微瓦)，这是因为电路的元件或单元均没有被激活，并且因此所有的能量都被存储。
之后，换句话说，当存储了足够的能量以便能够可靠的操作时，数字模块3在启动阶段(“启动”)期间启动(例如，在250微秒内消耗6微瓦)。同时，由于数字模块3的该操作，被存储的能量减少。
出于该原因，在启动阶段之后，能量回收阶段包括第一中间能量回收阶段，在该第一中间能量回收阶段中，被存储的能量再次增加(例如，在100微秒期间增加到5微瓦)，这是因为电路的元件或单元均没有被激活，并因此所有的能量都被存储。
之后，换句话说，当存储了足够的能量以便能够可靠的操作时，接口4对外部模拟传感器供电、对在采集阶段(“采集”)期间来自该传感器的测量结果进行采集、放大、数字化(例如，在250微秒期间消耗6微瓦)。同时，由于数字模块3的该操作，被存储的能量减少。
出于该原因，在采集阶段之后，能量回收阶段包括第二中间能量回收阶段，在该第二中间能量回收阶段中，被存储的能量再次上升(例如，在100微秒期间上升到5微瓦)，这是因为电路的元件或单元均没有被激活，并因此所有的能量都被存储。
之后，(或在预定周期之后)可以终止该能量回收阶段，并且可以开始通信阶段COM。在通信阶段期间，换句话说，在相同周期，该测量结果被发射到外部阅读器。
图3是根据本发明的能量采集阶段ACQ的图示的示意图。该图示表示8个活动(或8个子图)，其中X轴表示时间。在能量的采集阶段ACQ期间，接口4的元件被顺序地供电。
如在子图“SENSOR_EN”中所示，在开始时，只有电连接件并因此外部模拟传感器被供应能量(例如，持续1微秒)，并且由传感器产生的信号被读取和采样。之后，仅对放大器42供电，以便放大来自传感器的模拟测量结果的信号(参见子图“AMP_EN”)。结果，仅对模数转换器(ADC)43进行供电，以便将来自传感器的被放大的模拟测量结果数字化(参见子图“ADC_EN”)。在通过模数转换器(ADC)将该测量结果数字化之后，并且更优选地在采集阶段期间，由处理器31读取并保存被数字化的测量结果，并因此将该被数字化的测量结果提供至读取数字模块3(参见子图“DATA_RDY”)。
由于这种顺序操作，用于采集被放大和数字化的测量结果的总消耗可以减少，例如减少到1微瓦。出于该原因，可以在读取器的信号的单个周期期间执行对测量结果的采集和传送。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于在UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路(1)，所述电路被配置为与阅读器进行无线电通信，所述阅读器发送周期性的读取信号，其中，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段，
所述电路包括：
-控制装置(3)，所述控制装置被配置为在所述能量回收阶段期间从无线电波累积能量储备、并且在所述通信阶段期间与所述阅读器进行通信，
-接口(4)，所述接口用于连接外部模拟传感器，所述接口包括：
电连接件(41)，所述电连接件被配置为连接所述外部模拟传感器、并对所述外部模拟传感器供电、并且采集来自所述传感器的模拟测量结果，
放大器(42)，所述放大器被配置为放大来自所述传感器的所述模拟测量结果的信号，和
模数转换器(ADC)(43)，所述模数转换器被配置为使来自所述传感器的被放大的模拟测量结果数字化，其中，所述能量回收阶段包括采集阶段，在所述采集阶段期间，所述接口对所述外部模拟传感器供电，对来自所述传感器的所述测量结果进行采集、放大和数字化。
其特征在于：
所述控制装置还被配置为：
在所述采集阶段对所述接口(4)供电，以采集被放大和数字化的测量结果，和
在相同周期的所述通信阶段将所述被放大和数字化的测量结果传输到所述阅读器。
2.根据权利要求1所述的电路(1)，其中，
所述控制装置被配置为：
在启动阶段启动，所述启动阶段在所述采集阶段之前并且在同一能量回收阶段期间。
3.根据前一权利要求所述的电路(1)，其中，
在所述启动阶段之前，所述能量回收阶段还包括初始能量回收阶段，在所述初始能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
4.根据前述权利要求2或3所述的电路(1)，其中，
在所述启动阶段与所述采集阶段之间，所述能量回收阶段还包括第一中间能量回收阶段，在所述第一中间能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的电路(1)，其中，
在所述采集阶段之后并且在所述通信阶段之前，所述能量回收阶段还包括第二中间能量回收阶段，在所述第二中间能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路(1)，其中，
所述控制装置被配置为在所述采集阶段期间仅对所述接口(4)供电。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路(1)，其中，
所述控制装置(3)被配置为顺序地对所述接口的元件供电，
特别地，顺序地对用于连接所述传感器的所述电连接件(41)、所述放大器和所述模数转换器(ADC)供电。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路(1)，其中，
所述控制装置(3)被配置为：
首先仅对所述电连接件供电，以便对所述外部模拟传感器供电并采集来自所述传感器的所述模拟测量结果，
之后，仅对所述放大器供电，以便放大来自所述传感器的所述模拟测量结果的所述信号，以及
之后，仅对所述模数转换器(ADC)供电，以便将来自所述传感器的所述被放大的模拟测量结果数字化。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电路(1)，其中，
在通过所述模数转换器(ADC)将所述测量结果数字化之后、并且在所述采集阶段期间，通过所述控制装置读取并保存被数字化的测量结果。
10.一种在UHF频带中操作的无源无线电识别系统，包括：
读取器，所述读取器被配置为发送周期性的读取信号，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段，和
根据前述权利要求中任一项所述的电路(1)。
11.一种用于操作用于在UHF频带中操作的无源无线电识别标签(1)的电路并且用于通过阅读器读取所述电路的方法，所述电路连接到外部模拟传感器，其中，
所述阅读器发送周期性的阅读信号，其中，
所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段，
所述电路(1)在所述能量回收阶段期间从无线电波积累能量储备，并且在所述通信阶段与所述阅读器进行通信，其中，
在所述能量回收阶段期间通过所述电路对所述外部模拟传感器供电，使得所述电路在同一能量回收阶段期间对来自所述传感器的测量结果进行采集、放大和数字化；
其特征在于：
在所述通信阶段期间，所述电路(1)将来自所述传感器的被数字化的测量结果传输到所述阅读器，所述通信阶段在所述能量回收阶段之后并且在同一周期内。

Claims (13)

1.一种用于在UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路，所述电路被配置为与阅读器进行无线电通信，所述阅读器发送周期性的读取信号，其中，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段，
所述电路包括：
-控制装置，所述控制装置被配置为在所述能量回收阶段期间从无线电波累积能量储备、并且在所述通信阶段期间与所述阅读器进行通信，
-接口，所述接口用于连接外部模拟传感器，所述接口包括：
电连接件，所述电连接件被配置为连接所述外部模拟传感器、并对所述外部模拟传感器供电、并且采集来自所述传感器的模拟测量结果，
放大器，所述放大器被配置为放大来自所述传感器的所述模拟测量结果的信号，和
模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置为使来自所述传感器的被放大的模拟测量结果数字化，
其中，所述能量回收阶段包括采集阶段，在所述采集阶段期间，所述接口对所述外部模拟传感器供电，对来自所述传感器的所述测量结果进行采集、放大和数字化。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，
所述控制装置还被配置为：
在所述采集阶段对所述接口供电，以采集被放大和数字化的测量结果，和
在同一周期的所述通信阶段将所述被放大和数字化的测量结果传输到所述阅读器。
3.根据权利要求1或2所述的电路，其中，
所述控制装置被配置为：
在启动阶段期间启动，所述启动阶段在所述采集阶段之前并且在同一能量回收阶段期间。
4.根据前一权利要求所述的电路，其中，
在所述启动阶段之前，所述能量回收阶段还包括初始能量回收阶段，在所述初始能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
5.根据前述权利要求3或4所述的电路，其中，
在所述启动阶段与所述采集阶段之间，所述能量回收阶段还包括第一中间能量回收阶段，在所述第一中间能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
6.根据前述权利要求3至5中任一项所述的电路，其中，
在所述采集阶段之后并且在所述通信阶段之前，所述能量回收阶段还包括第二中间能量回收阶段，在所述第二中间能量回收阶段期间，所述电路被关断并且仅从所述无线电波累积能量储备。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，
所述控制装置被配置为在所述采集阶段期间仅对所述接口供电。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，
所述控制装置被配置为顺序地对所述接口的元件供电，
特别地，顺序地对用于连接所述传感器的所述电连接件、所述放大器和所述模数转换器(ADC)供电。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，
所述控制装置被配置为：
首先仅对所述电连接件供电，以便对所述外部模拟传感器供电并采集来自所述传感器的所述模拟测量结果，
之后，仅对所述放大器供电，以便放大来自所述传感器的所述模拟测量结果的所述信号，以及
之后，仅对所述模数转换器(ADC)供电，以便将来自所述传感器的所述被放大的模拟测量结果数字化。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，
在通过所述模数转换器(ADC)将所述测量结果数字化之后、并且在所述采集阶段期间，通过所述控制装置读取并保存被数字化的测量结果。
11.一种在UHF频带中操作的无源无线电识别系统，包括：
读取器，所述读取器被配置为发送周期性的读取信号，所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段，和
根据前述权利要求中任一项所述的电路。
12.一种用于操作用于在UHF频带中操作的无源无线电识别标签的电路并且用于通过阅读器读取所述电路的方法，所述电路连接到外部模拟传感器，其中，
所述阅读器发送周期性的阅读信号，其中，
所述读取信号的周期包括能量回收阶段和通信阶段，
所述电路在所述能量回收阶段期间从无线电波积累能量储备，并且在所述通信阶段与所述阅读器进行通信，其中，
在所述能量回收阶段期间通过所述电路对所述外部模拟传感器供电，使得所述电路在同一能量回收阶段期间对来自所述传感器的测量结果进行采集、放大和数字化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
在所述通信阶段期间，所述电路将来自所述传感器的被数字化的测量结果传输到所述阅读器，所述通信阶段在所述能量回收阶段之后并且在同一周期内。
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