CN114777938A - 一种携带rfid标签的温度传感器系统 - Google Patents

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王薇薇
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Abstract

本发明公开了温度检测技术领域的一种携带RFID标签的温度传感器系统，包括模拟前端模块、数字核心模块和传感器模块，模拟前端模块包括电流源部分、时钟480KHz部分、重置部分、ASK解调器部分、倍压器部分、上电复位部分、反散射解调器部分、电压限位器部分和带隙1.22V部分，数字核心模块包括解调器部分、解码器部分、寄存器组部分、控制器部分、存储访问部分和电荷泵部分，传感器模块包括数字控制逻辑部分、振荡器部分和十五位二进制计数器部分；本发明将RFID与温度传感器相结合，采用0.35um CMOS标准工艺设计一种远程超高频(UHF)射频识别(RFID)传感器，该RFID温度传感器可以用作无线人体体温监测系统中的无电池传感器。

Description

一种携带RFID标签的温度传感器系统
技术领域
本发明涉及温度检测技术领域，具体涉及一种携带RFID标签的温度传感器系统。
背景技术
RFID工作在发达国家起步比较早，发展水平也比较高，无论是技术、标准、产业链，还是应用方面都已发展得相对完备，在发达国家RFID技术已经发展成为IC、IT业炙手可热的焦点和热点技术。首先在芯片技术方面，发达国家已经具备了相对完整的产品线，并且在技术和市场不断的发展和完善等力量的推动下，电子标签工艺的提升，技术的进步，使其成本不断降低，应用发展进入了蓬勃发展的阶段。
现有的一般温度测量传感器，通常测量范围-40℃至85℃，分度值为1℃，分别工作在13.56MHz和134.2kHz频段。专用的用以测量生物温度的传感器，测量范围多为从30℃到50℃，分辨率在0.1℃，工作频段在134.2kHz，具有更高的精度。然而，这些传感器的阅读范围很有限，并且价格昂贵，体积较大。最近的一些设计，虽然运行在超高频频段(868MHZ，900MHZ及更高)，相比以前的设计提供了更高的读取距离，但需要特定的通信协议，并且与医疗应用的要求相比，提供的温度传感器性能较差(只能达到土1℃精度)。此外，在保证温度范围和精度的条件下，还具有功耗较大；测量误差较大；封装形式对性能影响较大等缺点。
因此，亟需设计一种携带RFID标签的温度传感器系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种携带RFID标签的温度传感器系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种携带RFID标签的温度传感器系统，包括模拟前端模块、数字核心模块和传感器模块，所述模拟前端模块包括电流源部分、时钟480KHz部分、重置部分、ASK解调器部分、倍压器部分、上电复位部分、反散射解调器部分、电压限位器部分和带隙1.22V部分，所述数字核心模块包括解调器部分、解码器部分、寄存器组部分、控制器部分、存储访问部分和电荷泵部分，所述传感器模块包括数字控制逻辑部分、振荡器部分和十五位二进制计数器部分。
进一步的，上述携带RFID标签的温度传感器系统中，所述倍压器部分利用肖特基二极管构成差分Greinacher拓扑结构。
进一步的，上述携带RFID标签的温度传感器系统中，所述电流源部分可产生两个稳定电压，用于实现供电。
进一步的，上述携带RFID标签的温度传感器系统中，所述电压限位器部分用于避免读取器和标签非常接近时由于电压电涌导致电路的损坏，所述电压限制器部分利用现有的带隙参考，提供了一个2.95V的低变化限制电压。
进一步的，上述携带RFID标签的温度传感器系统中，所述ASK解调器部分用于利用射频入射信号的包络检测及其与参考信号VREF+的比较恢复基带数据。
进一步的，上述携带RFID标签的温度传感器系统中，所述数字核心模块依据电子产品代码(EPC)Gen2通信协议控制读卡器的通信流。
进一步的，上述携带RFID标签的温度传感器系统中，所述解调器部分用于检测和解调从模拟前端接收到的信号，所述解码器部分能够获得该指令的操作代码和指令的参数，所述控制器部分能够使用有限状态机控制系统，通过访问内存和寄存器库来执行必要的操作，所述存储访问部分用于处理对标签存储器(EEPROM)的访问。
进一步的，上述携带RFID标签的温度传感器系统中，所述振荡器部分的输出频率取决于感知到的温度，所述十五位二进制计数器部分用于计算振荡器在固定的时间间隔内发送的脉冲数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将RFID与温度传感器相结合，采用0.35um CMOS标准工艺设计一种远程超高频(UHF)射频识别(RFID)传感器，该温度传感器结构基于环形振荡器，其中由于振荡频率依赖温度的变化，所以可用于感温，允许ID和温度读取范围最大至2米，在35℃到45℃的范围内经过两点校正后，温度传感器在的分辨率为0.035C，误差值小于0.1C，在保持高分辨率和交流的情况下，温度传感器每秒转换10次的平均功耗只110nW，基于以上特性，使得该RFID温度传感器可以用作无线人体体温监测系统中的无电池传感器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统结构示意框图；
图2为本发明电压限制器部分的电路示意图；
图3为本发明ASK解调器部分的电路示意图；
图4为本发明温度传感器模块的系统框图；
图5为本发明输出频率与温度有关的环形振荡器的电路示意图；
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种携带RFID标签的温度传感器系统，包括模拟前端模块、数字核心模块和传感器模块，模拟前端模块包括电流源部分、时钟480KHz部分、重置部分、ASK解调器部分、倍压器部分、上电复位部分、反散射解调器部分、电压限位器部分和带隙1.22V部分，数字核心模块包括解调器部分、解码器部分、寄存器组部分、控制器部分、存储访问部分和电荷泵部分，传感器模块包括数字控制逻辑部分、振荡器部分和十五位二进制计数器部分。
模拟前端模块：倍压器部分利用肖特基二极管构成差分Greinacher拓扑结构，实现了35％的效率提升；该模块对输入信号进行整流，并在电源电容器(1.4nF)中存储工作所需的能量，与传统的Greinacher拓扑结构相比，差分结构在相同的输入电压下提供了更高的直流输出电压。电流源部分可产生两个稳定电压(例如1.4V和2.1V)，用于实现供电，其中一个(1.4V)向数字芯提供稳定电压，另一个(2.1V)向均衡时钟信号发生器(480kHz)、电荷泵、可擦除可编程存储器(EEPROM)和温度传感器提供电，2.1V稳压器的使用，使得时钟信号发电机和温度传感器的电源电压抑制比(PSRR)限制被放宽，更容易满足系统性能要求。
如图2所示，电压限位器部分用于避免读取器和标签非常接近时由于电压电涌导致电路的损坏，电压限制器部分利用现有的带隙参考，提供了一个2.95V的低变化限制电压。如图所示，利用R2和R3将电源电压(VSupply～VPOR)降低至Vx，并且使用差分放大器M1-M4与带隙参考(VBGN)比较，当VX高于VBGN时，晶体管M6打开，然后激活晶体管M8。因为M8携带了大部分的电流，所以防止了电源电压的增加，限制电压(包括电压限制器、2.1V电压调节器和带隙参考块)随过程与温度(35℃至45℃)的变化为±0.05V。
如图3所示，ASK解调器部分用于利用射频入射信号的包络检测及其与参考信号VREF+的比较恢复基带数据，它利用射频入射信号的包络检测及其与参考信号VREF+的比较恢复基带数据，包络探测器(D1-D4和CS-CP)与Greinacher倍压器采用相同结构，不过其级数较小，标签上电时，由于二极管D5正偏，包络信号V1+随着参考信号VREF+的增加而增加，电容器CF充电，上电后，参考信号值为
Figure BDA0003628095770000051
由于V1+>VREF+，ASK解调器的逻辑输出为1，当包络信号V1+开始降低，二极管D5截止，从而防止电容器CF放电和信号VREF+减少，当V1+<V参考+，ASK解调器的逻辑输出变为0，这样，基带数据就被解调了；该解调器可以很好的抵抗包络检测产生的电压纹波和天线捕获的噪声，最后，复位模块通电复位(POR)激活175μs后复位数字核心，通过仿真测量得到，完整模拟前端的工作总电流消耗为7.4μA。
数字核心模块：数字核心模块依据电子产品代码(EPC)Gen2通信协议控制读卡器的通信流。解调器部分用于检测和解调从模拟前端接收到的信号，解码器部分能够获得该指令的操作代码和指令的参数，控制器部分能够使用有限状态机控制系统，由发射器调制结果，通过访问内存和寄存器库来执行必要的操作，存储访问部分用于处理对标签存储器(EEPROM)的访问；在仿真中，数字核心响应一个req rn命令的平均功耗约为1.25μW，此命令代表了使用到所有工作状态的典型操作，因此可以作为数字核心的一般功耗。
传感器模块：振荡器部分的输出频率取决于感知到的温度，十五位二进制计数器部分用于计算振荡器在固定的时间间隔内发送的脉冲数。温度测量过程从来自数字核心的“Start”信号的上升沿开始，然后，CTRL_LOGIC生成三个二进制信号来控制其他块的操作时间，首先，“Osc_EN”信号器将振荡器连接到电源上，在约8.33μs后振荡器频率达到稳定，通过脉冲计数，“Temp_meas”信号决定了166.7μs的固定时间间隔，CTRL_LOGIC使用由时钟发生器模块给出的4位480kHz时钟作为时间参考，最后，“Enable”信号的下降沿表示测量结束，并复位计数器。
本发明为了降低整体功耗，采用多种电源管理方案，如对于每个部分电源状态的单独管理，在运行过程中不需要的模块被停用；传感器结构由环形振荡器构成，它的供电电流随温度的变化而变化，因此,输出频率随温度成比例变化在35℃-45℃范围内，振荡频率将随温度线性变化，其温度依赖性主要由晶体管的电阻和输出电压随温度的变化提供；为纠正测量偏差，RFID传感器EEPROM中存储了T1和T2两种温度下的定标点N1和N2，当测量温度T3需要被读取时，不是发送三个值，即测量的点N3和两个校准点N1和N2，而是发送传感器响应测量值之间的差异在T3和校准值在T1(Y3＝N3-N1)和校准值之间的差异在T2和T1(Y2＝N2-N1)，这样，发送回读取器的比特数和操作所需的功率就降低了，而数字部分的额外成本则降到最低，通过预先知道Y2和传感器校准的温度(T1和T2)，读取器可以获得传感器的特征图(Y＝a·T+b)，最后，通过Y3，读取器可以确定传感器的温度T3；完整的RFID传感器，包括模拟前端，温度传感器，数字核心被一起集成在小尺寸芯片上，工艺上采用了低成本的双多四金属层0.35μmCMOS工艺，被包装在陶瓷LCC 16针封装,并组装到匹配的阻抗偶极子天线。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种携带RFID标签的温度传感器系统，包括模拟前端模块、数字核心模块和传感器模块，其特征在于：所述模拟前端模块包括电流源部分、时钟480KHz部分、重置部分、ASK解调器部分、倍压器部分、上电复位部分、反散射解调器部分、电压限位器部分和带隙1.22V部分，所述数字核心模块包括解调器部分、解码器部分、寄存器组部分、控制器部分、存储访问部分和电荷泵部分，所述传感器模块包括数字控制逻辑部分、振荡器部分和十五位二进制计数器部分。
2.根据权利要求1所述的一种携带RFID标签的温度传感器系统，其特征在于：所述倍压器部分利用肖特基二极管构成差分Greinacher拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的一种携带RFID标签的温度传感器系统，其特征在于：所述电流源部分可产生两个稳定电压，用于实现供电。
4.根据权利要求1所述的一种携带RFID标签的温度传感器系统，其特征在于：所述电压限位器部分用于避免读取器和标签非常接近时由于电压电涌导致电路的损坏，所述电压限制器部分利用现有的带隙参考，提供了一个2.95V的低变化限制电压。
5.根据权利要求1所述的一种携带RFID标签的温度传感器系统，其特征在于：所述ASK解调器部分用于利用射频入射信号的包络检测及其与参考信号VREF+的比较恢复基带数据。
6.根据权利要求1所述的一种携带RFID标签的温度传感器系统，其特征在于：所述数字核心模块依据电子产品代码(EPC)Gen2通信协议控制读卡器的通信流。
7.根据权利要求1所述的一种携带RFID标签的温度传感器系统，其特征在于：所述解调器部分用于检测和解调从模拟前端接收到的信号，所述解码器部分能够获得该指令的操作代码和指令的参数，所述控制器部分能够使用有限状态机控制系统，通过访问内存和寄存器库来执行必要的操作，所述存储访问部分用于处理对标签存储器(EEPROM)的访问。
8.根据权利要求1所述的一种携带RFID标签的温度传感器系统，其特征在于：所述振荡器部分的输出频率取决于感知到的温度，所述十五位二进制计数器部分用于计算振荡器在固定的时间间隔内发送的脉冲数。
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