CN117330110A - 一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置 - Google Patents

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CN117330110A CN202311264063.3A CN202311264063A CN117330110A CN 117330110 A CN117330110 A CN 117330110A CN 202311264063 A CN202311264063 A CN 202311264063A CN 117330110 A CN117330110 A CN 117330110A
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tube
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何小可
李翔翔
陈建明
王成凤
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Zhengzhou Xias College
North China University of Water Resources and Electric Power
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Zhengzhou Xias College
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Abstract

本发明公开一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，涉及传感器技术领域，包括：柔性基板以及设置在柔性基板上的天线、射频与逻辑芯片和检测芯片；射频与逻辑芯片包括：阻抗匹配网络、射频前端、逻辑控制电路、存储器和检测驱动电路；在检测芯片上设置有传感器接口；外部传感器通过插接件与传感器接口连接；检测驱动电路，与检测芯片连接，用于根据指令信号和能量信号控制检测芯片的供电，并提供射频与逻辑芯片读取检测芯片的信息通道；检测芯片，用于获取外部传感器采集的传感信息，并将传感信息转化为逻辑控制电路和射频前端所需的周期脉冲信号。通过利用该接口装置，使得普通的阻容传感器在无线供电的条件下实现无线通信的功能。

Description

一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置。
背景技术
普通的阻容传感器一般分为电阻敏感型传感器、电容敏感型传感器、以及电阻和电容敏感型传感器，无论是哪一种传感器，在使用过程中均需要外部电源的供应才能正常工作。同时，现有的传感器在信号采集的过程中，一般需要通过外部导线将传感器与测量电路或监控终端进行连接，而传感器实时采集的数据信息也是通过有线的方式传输至控制端，传感器本身是无法实现数据的接收和发送功能的。即现有的电阻敏感型传感器和电容敏感型传感器均不具有射频通信功能，在无外界电源供应的条件下也是无法正常工作的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，通过利用该接口装置，使得普通的阻容传感器在无线供电的条件下实现无线通信的功能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，包括：柔性基板以及设置在所述柔性基板上的天线、射频与逻辑芯片和检测芯片；所述射频与逻辑芯片包括：阻抗匹配网络、射频前端、逻辑控制电路、存储器和检测驱动电路；
在所述检测芯片上设置有传感器接口；外部传感器通过插接件与所述传感器接口连接；
所述阻抗匹配网络，分别与所述天线和所述射频前端连接，用于完成所述天线和所述射频前端之间的阻抗匹配，以实现所述天线的导行电磁波信号与所述射频前端的高频信号间的相互转换；
所述射频前端，分别与所述逻辑控制电路、所述存储器和所述检测驱动电路连接，用于对所述高频信号进行整流和滤波获取能量信号，对所述高频信号进行解调获取指令信号，对基带信号进行调制便于发送传感信息；所述能量信号用于为所述逻辑控制电路、所述存储器和所述检测驱动电路提供电源；
所述逻辑控制电路，分别与所述存储器和所述检测驱动电路连接，用于根据所述指令信号完成射频控制、存储控制和检测驱动控制；
所述检测驱动电路，与所述检测芯片连接，用于根据所述指令信号和所述能量信号控制所述检测芯片的供电，并提供所述射频与逻辑芯片读取所述检测芯片的信息通道；
所述检测芯片，用于获取外部传感器采集的传感信息，并将所述传感信息转化为所述逻辑控制电路和所述射频前端所需的周期脉冲信号。
可选地，所述检测驱动电路包括：第一开关、第二开关、第一检测驱动端口和第二检测驱动端口；
所述第一开关的一端分别与所述射频前端和所述逻辑控制电路连接；所述第一开关的另一端与所述第一检测驱动端口连接；所述第二开关的一端分别与所述射频前端和所述逻辑控制电路连接；所述第二开关的另一端与所述第二检测驱动端口连接；
所述逻辑控制电路用于根据所述指令信号输出选通控制信号；所述选通控制信号用于控制所述第一开关和所述第二开关的闭合；第一通道用于为所述检测芯片提供电源；所述第一通道为所述第一开关和所述第一检测驱动端口组成的通道；第二通道用于提供所述射频与逻辑芯片读取所述检测芯片的信息通道；所述第二通道为所述第二开关和所述第二检测驱动端口组成的通道。
可选地，所述检测芯片，具体包括：频率转换电路、源极跟踪器、迟滞比较器和放大器；
所述频率转换电路，与外部传感器连接，用于将所述外部传感器采集的传感信息转换成对应频率的正弦信号；
所述源极跟踪器，与所述频率转换电路连接，用于对所述正弦信号进行阻抗变化和电压跟随，生成跟随信号；
所述迟滞比较器，与所述源极跟踪器连接，用于对所述跟随信号进行条理和整形，形成周期脉冲信号；
所述放大器，分别与所述迟滞比较器和所述检测驱动电路连接，用于对所述周期脉冲信号进行放大，并通过所述检测驱动电路将放大后的所述周期脉冲信号分别发送至所述逻辑控制电路和所述射频前端。
可选地，所述频率转换电路，具体包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一NMOS管和第二NMOS管；
所述第一NMOS管的栅极分别与所述第一电容的一端、所述第二电阻的一端、所述第三电阻的一端连接；所述第一NMOS管的漏极分别与所述第四电阻的一端和所述第二电容的一端连接；所述第一NMOS管的源极分别与所述第一电阻的一端和所述第五电阻的一端连接；所述第二NMOS管的栅极分别与所述第二电容的另一端、所述第六电阻的一端和所述第七电阻的一端连接；所述第二NMOS管的漏极分别与所述第三电容的一端和所述第八电阻的一端连接；所述第二NMOS管的源极分别与所述第九电阻的一端和所述第四电容的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述第三电容的另一端连接；所述第二电阻的另一端分别与所述第四电阻的另一端、所述第六电阻的另一端和所述第八电阻的另一端连接；所述第三电阻的另一端、所述第五电阻的另一端、所述第七电阻的另一端、所述第九电阻的另一端和所述第四电容的另一端接地。
可选地，所述源极跟随器，具体包括：第三NMOS管、第五电容、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻；
所述第三NMOS管的栅极分别与所述第三电容的另一端、所述第十电阻的一端和所述第十一电阻的一端连接；所述第三NMOS管的漏极与所述第十电阻的另一端连接；所述第三NMOS管的源极分别与所述第五电容的一端和所述第十二电阻的一端连接；所述第十电阻的另一端与所述第八电阻的另一端连接；所述第十一电阻的另一端和所述第十二电阻的另一端接地。
可选地，所述迟滞比较器包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管和第九NMOS管；
所述第一PMOS管的栅极与所述第五电容的另一端连接；所述第一PMOS管的源极分别与所述第七NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极连接；所述第一PMOS管的漏极与所述第三PMOS管的源极连接；所述第二PMOS管的源极分别与所述第四NMOS管的源极和所述第二PMOS管的栅极连接；所述第二PMOS管的栅极与所述第三PMOS管的栅极连接；所述第二PMOS管的漏极接地；所述第三PMOS管的源极与所述第四PMOS管的漏极连接；所述第三PMOS管的栅极与所述第五PMOS管的栅极连接；所述第三PMOS管的漏极接地；所述第四PMOS管的源极分别与所述第六NMOS管的源极和所述第八NMOS管的源极连接；所述第四PMOS管的栅极接地；所述第五PMOS管的源极与所述第九NMOS管源极连接；所述第五PMOS管的漏极接地；
所述第四NMOS管的漏极分别与所述第三NMOS管的漏极和所述第五NMOS管的漏极连接；所述第四PMOS管的栅极与所述第五NMOS管的源极连接；所述第五NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的漏极连接；所述第五NMOS管的源极与所述第五NMOS管的栅极连接；所述第五NMOS管的栅极与所述第六NMOS管的栅极连接；所述第六NMOS管的漏极与所述第七NMOS管的漏极连接；所述第七NMOS管的漏极与所述第八NMOS管的漏极连接；所述第七NMOS管的栅极与所述第八NMOS管的栅极连接；所述第八NMOS管的漏极与所述第九NMOS管的漏极连接；所述第八NMOS管的源极与所述第八NMOS管的栅极连接；所述第九NMOS管的栅极与所述第八NMOS管的源极连接。
可选地，所述放大器包括：第十NMOS管、第六电容、第七电容、第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻；
所述第十NMOS管的栅极分别与所述第九NMOS管的源极、所述第五PMOS管的源极和所述第十三电阻的一端连接；所述第十NMOS管的漏极分别与所述第十五电阻的一端和所述第六电容的一端连接；所述第十NMOS管的源极分别与所述第十四电阻的一端和所述第七电容的一端连接；所述第十三电阻的另一端、所述第十四电阻的另一端和所述第七电容的另一端接地。
可选地，所述第一检测驱动端口与所述第十五电阻的另一端连接；所述第二检测驱动端口与所述第六电容的另一端连接。
可选地，所述外部传感器包括：第八电容、第九电容、第十六电阻和第十七电阻；
所述第十六电阻的一端与所述第八电容的一端连接；所述第八电容的另一端与所述第十七电阻和所述第九电容的第一公共端连接；所述第十七电阻和所述第九电容的第二公共端接地；
所述第十六电阻的另一端为第一接线端口；所述第十七电阻和第九电容的第一公共端为第二接线端口；所述第十七电阻和第九电容的第二公共端为第三接线端口；所述传感器接口分别与所述第一接线端口、所述第二接线端口和所述第三接线端口连接。
可选地，所述外部传感器包括：电阻敏感型传感器、电容敏感型传感器、以及电阻和电容敏感型传感器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，该装置在检测芯片上设置了传感器接口，外部传感器通过插接件与传感器接口连接，阻抗匹配网络分别与天线和射频前端连接，射频前端分别与逻辑控制电路、存储器和检测驱动电路连接，逻辑控制电路分别与存储器和检测驱动电路连接，检测驱动电路与检测芯片连接。天线和射频前端通过阻抗匹配网络进行阻抗匹配并生成高频信号，射频前端对高频信号进行整流和滤波获取能量信号，对高频信号进行解调获取指令信号，其中，能量信号为逻辑控制电路、存储器和检测驱动电路提供电源，检测驱动电路根据指令信号和能量信号控制检测芯片的供电，并提供射频与逻辑芯片读取检测芯片的信息通道，检测芯片将外部传感器采集的传感信息转化为逻辑控制电路和射频前端所需的周期脉冲信号，最后通过天线将传感信息发送至外部控制端，使得普通的传感器也能在无线供电的条件下实现无线通信的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种天线的结构造型图；
图3为本发明实施例提供的射频与逻辑芯片的模块结构示意图；
图4为本发明实施例提供的不同匹配网络与反射系数的关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的第一阻抗匹配网络电路图；
图6为本发明实施例提供的第二阻抗匹配网络电路图；
图7为本发明实施例提供的第三阻抗匹配网络电路图；
图8为本发明实施例提供的检测驱动电路和联动开关的连接关系图；
图9为本发明实施例提供的检测芯片的电路图；
图10为本发明实施例提供的检测芯片接口连接件的示意图；
图11为本发明实施例提供的电阻敏感型传感器的电路连接关系图；
图12为本发明实施例提供的电容敏感型传感器的电路连接关系图；
图13为本发明实施例提供的具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置的副载波调制原理图；
图14为本发明实施例提供的具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置的副载波负载调制过程图；
图15为本发明实施例提供的具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置的应用场景示意图。
符号说明：
柔性基板-1，天线-2，射频与逻辑芯片-3，阻抗匹配网络-31，射频前端-32，逻辑控制电路-33，存储器-34，检测驱动电路-35，第一开关-351，第二开关-352，检测芯片-4，频率转换电路-41，源极跟踪器-42，迟滞比较器-43，放大器-44，第一混频器-5。
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做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。
本发明的目的是提供一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，通过利用该接口装置，使得普通的传感器在无线供电的条件下实现无线通信的功能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1示出了上述具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置的一种示例性结构，下面对该传感器接口装置进行详细介绍。
具体地，该传感器接口装置包括：柔性基板1以及设置在柔性基板1上的天线2、射频与逻辑芯片3和检测芯片4。其中，在检测芯片4上设置有传感器接口，外部传感器通过插接件与传感器接口连接。
作为一种优选地实施方式，图2示出了天线2的一种结构造型，其中，天线2的尺寸与形状由传感器接口装置的工作频率和通信距离决定，天线2主要依据传感器接口装置的工作频段，利用Ansoft HFSS仿真软件工具，设计成折叠偶极子天线。
如图3所示，射频与逻辑芯片3包括：阻抗匹配网络31、射频前端32、逻辑控制电路33、存储器34和检测驱动电路35。具体地，阻抗匹配网络31，分别与天线2和射频前端32连接，用于完成天线2和射频前端32之间的阻抗匹配，以实现天线2端的导行电磁波信号与射频前端32的高频信号间的高效相互转换。射频前端32，分别与逻辑控制电路33、存储器34和检测驱动电路35连接，用于对高频信号进行整流和滤波获取能量信号，对高频信号进行解调获取指令信号，对基带信号进行调制便于发送传感信息，其中，能量信号用于为逻辑控制电路33、存储器34和检测驱动电路35提供电源。逻辑控制电路33，分别与存储器34和检测驱动电路35连接，用于根据指令信号完成射频控制、存储控制和检测驱动控制。检测驱动电路35，与检测芯片4连接，用于根据指令信号和能量信号控制检测芯片4的供电，并提供射频与逻辑芯片3读取检测芯片4的信息通道。检测芯片4，用于获取外部传感器采集的传感信息，并将传感信息转化为逻辑控制电路33和射频前端32所需的周期脉冲信号。
作为一种优选地实施方式，逻辑控制电路33通过指令解析，依据指令信号完成不同操作控制。其中，一种指令信号是普通读写指令(普通指令)，另一种指令信号是设定检测指令(设定指令)，逻辑控制电路33能够区别射频前端32发送的是普通读写指令还是设定检测指令。如果是普通读写指令，逻辑控制电路33则按照普通读写操作进行操作控制；如果是设定检测指令，逻辑控制电路33则根据设定检测指令控制检测芯片4启动，采集传感信息并将传感信息保存至存储器34的特定单元，同时将获取的传感信息经射频前端32、阻抗匹配网络31和天线2回传至射频控制器。
对于普通读写指令(即传感器接口装置的读写操作控制)，逻辑控制电路33读取存储器34特定单元的信息，并通过射频前端32、阻抗匹配网络31和天线2，将信息回传至射频控制器，或将指令信号所携带的信息写入存储器34的特定单元。
对于设定检测指令(即信息采集、上传操作控制)，逻辑控制电路33控制检测驱动电路35为检测芯片4供电，启动检测芯片4的工作。同时，逻辑控制电路33控制检测驱动电路35在检测芯片4与逻辑控制电路33之间建立数据通道，用于采集检测芯片4通过外部传感器获取的传感信息，将传感信息写入存储器34的特定单元，并通过射频前端32、阻抗匹配网络31和天线2，将传感信息回传至射频控制器。
进一步地，射频与逻辑芯片3利用状态机替代传统的嵌入式CPU，大大降低了系统的功耗和成本。同时，射频与逻辑芯片3还能够对射频控制器发出的指令信号进行处理，对存储器34进行读写控制，对各模块进行协调控制。
作为另一种优选地实施方式，图4示出了一种阻抗匹配网络阶数与理想工作频宽的关系图像。阻抗匹配网络31用于天线2与负载(即射频前端32)的阻抗匹配，并以最大效率的收发射频信号。阻抗匹配网络31可以采用图5、图6或图7中的任意一种电路结构。
根据射频电路能量传输的理论，当天线2与负载完全匹配时，天线2最大能将自身接收到的能量传递一半给后级负载，即损失近一半的射频信号能量，所以设置阻抗匹配网络31来提高天线2接收射频信号能量的能力(即降低反射系数。根据互宜定理，发射过程要求相同。)。结合Bode-Fano准则可知，在匹配网络中，一阶匹配是一种典型的谐振滤波，谐振点反射系数很低，天线2能够尽可能多的接收射频信号能量为电路提供较强的供电支持，但是频带较窄；多阶匹配能够增大工作频带宽度，但反射系数变大，天线接收射频信号能量下降。本实施例的阻抗匹配网络31选用图5所示的LC一阶网络，设置天线2的阻抗Rs＝50Ω，射频前端32的输入阻抗Rp＝600Ω，工作频率f0为915MHZ，则品质因素Q为：
根据计算得到的品质因素Q、公式(3)和(4)确定LC电路的电容参数：
其中，C为LC电路的电容参数。根据计算得到的品质因素Q、公式(5)和(6)确定LC电路的电感参数：
如图8所示，检测驱动电路35包括：第一开关351、第二开关352、第一检测驱动端口VCC和第二检测驱动端口VOUT。第一开关351的一端分别与射频前端32和逻辑控制电路33连接；第一开关351的另一端与第一检测驱动端口VCC连接；第二开关352的一端分别与射频前端32和逻辑控制电路33连接；第二开关352的另一端与第二检测驱动端口VOUT连接。
其中，逻辑控制电路33用于根据指令信号输出选通控制信号，该选通控制信号用于控制第一开关351和第二开关352的闭合。第一通道用于为检测芯片4提供电源，该第一通道为第一开关351和第一检测驱动端口VCC组成的通道。第二通道用于提供射频与逻辑芯片3读取检测芯片4的信息通道，该第二通道为第二开关352和第二检测驱动端口VOUT组成的通道。
作为一个优选地实施方式，检测驱动电路35和联动开关K受逻辑控制电路33的同一信号控制，该联动开关K用于切换不同的副载波。检测驱动电路35为检测芯片4的启动和工作提供电源，同时也提供了检测芯片4与逻辑控制电路33之间的传感信息的上传通道。
图9示出了上述检测芯片4的电路连接关系图，下面对检测芯片4的各电路连接关系进行详细介绍。
具体地，检测芯片4包括：频率转换电路41、源极跟踪器42、迟滞比较器43和放大器44。其中，频率转换电路41，与外部传感器连接，用于将外部传感器采集的传感信息转换成对应频率的正弦信号。源极跟踪器42，与频率转换电路41连接，用于对正弦信号进行阻抗变化和电压跟随，生成跟随信号。迟滞比较器43，与源极跟踪器42连接，用于对跟随信号进行条理和整形，形成周期脉冲信号。放大器44，分别与迟滞比较器43和检测驱动电路35连接，用于对周期脉冲信号进行放大，并通过检测驱动电路35将放大后的周期脉冲信号分别发送至逻辑控制电路33和射频前端32。
进一步地，频率转换电路41包括：第一电容CG1、第二电容CG2、第三电容CG3、第四电容CS2、第一电阻RL、第二电阻RG1、第三电阻RG2、第四电阻RD1、第五电阻RS1、第六电阻RG3、第七电阻RG4、第八电阻RD2、第九电阻RS2、第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2。
其中，NM1的栅极分别与CG1的一端、RG1的一端、RG2的一端连接；NM1的漏极分别与RD1的一端和CG2的一端连接；NM1的源极分别与RL的一端和RS1的一端连接；NM2的栅极分别与CG2的另一端、RG3的一端和RG4的一端连接；NM2的漏极分别与CG3的一端和RD2的一端连接；NM2的源极分别与RS2的一端和CS2的一端连接；RL的另一端与CG3的另一端连接；RG1的另一端分别与RD1的另一端、RG3的另一端和RD2的另一端连接；RG2的另一端、RS1的另一端、RG4的另一端、RS2的另一端和CS2的另一端接地。
源极跟随器42包括：第三NMOS管NM3、第五电容CS3、第十电阻RG5、第十一电阻RG6、第十二电阻RS3。其中，NM3的栅极分别与CG3的另一端、RG5的一端和RG6的一端连接；NM3的漏极与RG5的另一端连接；NM3的源极分别与CS3的一端和RS3的一端连接；RG5的另一端与RD2的另一端连接；RG6的另一端和RS3的另一端接地。
迟滞比较器43包括：第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第九NMOS管NM9。
其中，PM1的栅极与CS3的另一端连接；PM1的源极分别与NM7的源极和NM5的源极连接；PM1的漏极与PM3的源极连接；PM2的源极分别与NM4的源极和PM2的栅极连接；PM2的栅极与PM3的栅极连接；PM2的漏极接地；PM3的源极与PM4的漏极连接；PM3的栅极与PM5的栅极连接；PM3的漏极接地；PM4的源极分别与NM6的源极和NM8的源极连接；PM4的栅极接地；PM5的源极与NM9的源极连接；PM5的漏极接地。
NM4的漏极分别与NM3的漏极和NM5的漏极连接；NM4的栅极与NM5的源极连接；NM5的漏极与NM6的漏极连接；NM5的源极与NM5的栅极连接；NM5的栅极与NM6的栅极连接；NM6的漏极与NM7的漏极连接；NM7的漏极与NM8的漏极连接；NM7的栅极与NM8的栅极连接；NM8的漏极与NM9的漏极连接；NM8的源极与NM8的栅极连接；NM9的栅极与NM8的源极连接。
放大器44包括：第十NMOS管NM10、第六电容CG4、第七电容CS4、第十三电阻RG7、第十四电阻RS4和第十五电阻RD4。其中，NM10的栅极分别与NM9的源极、PM5的源极和RG7的一端连接；NM10的漏极分别与RD4的一端和CG4的一端连接；NM10的源极分别与RS4的一端和CS4的一端连接；RG7的另一端、RS4的另一端和CS4的另一端接地。第一检测驱动端口VCC与RD4的另一端连接；第二检测驱动端口VOUT与CG4的另一端连接。
作为一种优选地实施方式，如图10所示，检测芯片4与外部传感电路(传感器)采用接插件连接，检测芯片4的SN1、SN2、GND(管脚1、2、3)与插座管脚1、2、3分别电连接，插座用于连接外部传感电路(传感器)，图10中XS表示“座”，XP表示“头”。检测芯片4采用标准CMOS工艺制造，以降低功耗和封装尺寸，提升传感器接口装置的有效工作距离。
作为另一种优选地实施方式，检测芯片4采用六管脚封装，管脚功能如表1所示：
表1检测芯片管脚功能明细
在实际应用过程中，外部传感器包括：第八电容C1、第九电容C2、第十六电阻R1和第十七电阻R2。其中，R1的一端与C1的一端连接；C1的另一端与R2和C2的第一公共端连接；R2和C2的第二公共端接地；R1的另一端为第一接线端口；R2和C2的第一公共端为第二接线端口；R2和C2的第二公共端为第三接线端口；传感器接口分别与第一接线端口、第二接线端口和第三接线端口连接。
进一步地，R1C1和R2C2组成的外部传感电路就是阻容桥式振荡器的选频电路，该选频电路对特定频率信号无移相作用，而对非特定频率信号均有移相作用，该特定频率信号经过两级放大，从NM2输出端返回的反馈电压和从NM1输入电压同相(相位差360°)，起正反馈作用，所以只有某特定频率信号才能使该振荡器起振并工作。实际上为了提高振荡器的工作质量，电路中还加有由RL和RS1组成的串联电压负反馈电路，其中RL是一个有负温度系数的热敏电阻，它对电路能起到稳定振荡幅度和减小非线性失真的作用。当代表传感器的R1和R2有△R变化或C1和C2有△C变化时，阻容桥式振荡器的输出正弦信号的幅值不变，但频率随之由f0变化为f0+△f，实现被检测量与输出信号频率的对应变化。
此外，外部传感器可以是如图11所示的电阻敏感型传感器，也可以是如图12所示的电容敏感型传感器，亦或是既包含电阻敏感型传感器又包含电容敏感型传感器的复合体。
如图11所示，当外接电阻敏感型传感器时，R1和R2可以组成电阻敏感型差动传感器(也可以是非差动方式)，C1和C2为测量匹配电容，R1与C1、R2与C2、RL和RS1分别是阻容桥式振荡电路的四个臂，NM1的输入和输出分别接在电桥的两个对角线上。
以电阻敏感型非差动传感器为例：
设传感器的初始值为R1＝R2＝R0，测量匹配电容为C1＝C2＝C，则振荡器的振荡频率为f0＝1/2πR0C。由此可知，振荡器的初始频率f0由电阻敏感型传感器的初值R0与测量匹配电容C决定。当由于被测量变化引起传感器产生相应的增量△R时，振荡器的振荡频率也发生变化，即：
f0+△f＝1/2π(R0+△R)C (7)。
则有△f＝1/2π△RC，由此可知，测得振荡器的振荡频率变化量△f，便可得到△R相对应的传感信息，即△f反映了被测物理量或被测物理量的变化量。阻容桥式振荡电路输出信号频率的高低反映了传感器所采集被测物理量的大小或变化量。
如图12所示，当外接电容敏感型传感器时，C1和C2可以组成电容敏感型差动传感器(也可以是非差动方式)，R1和R2为测量匹配电阻，R1与C1、R2与C2、RL和RS1分别是桥式阻容振荡电路的四个臂，NM1的输入和输出分别接在电桥的两个对角线上，其工作原理与外接电阻敏感型传感器类似。
实施例1
本实施例提供了一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置的信息回传采用副载波负载调制方式，如图13所示，调制方式具体包括：
对于普通读写指令，副载波采用基准电压(可取值为1V)，基准电压是直流，第一混频器5相当于放大倍数为基准电压值的放大器。
对于设定检测指令，与检测驱动同步的开关K接通右侧，副载波频率采用的是阻容桥式振荡电路输出信号的频率，也是检测芯片4输出信号的频率，其中包含被测物理量的信息(如温度，即频率大小代表温度的高低)，射频控制器接收并解调传感器接口装置回传信息时，所得到的副载波频率即包含了被测物理量的信息，预置信息的获取与普通读指令过程相同。
在执行设定检测指令时，在获得传感信息的同时也可以获得存储器34中的预置信息(如ID号、地址以及配置信息等)。而在执行普通读写指令时，副载波是直流电压(如1V)，二重调制实际只是一重调制(第一混频器5无调制作用)，或者说射频控制器接收并解调传感器接口装置回传信息时副载波信号频率是零，不包含传感信息。
副载波调制中，首先用基带编码的数据信号调制较低频率的副载波(如159KHZ)，已调制的副载波信号用于控制切换负载电阻或负载电容以实现负载调制(此时的载波频率是915MHZ，这里的负载电阻或负载电容是调制电路中的元件，而非前述的电阻敏感型传感器或电容敏感型传感器)，二重调制可以采用振幅键控、频移键控或相移键控的调制方法分别进行1次调制和2次调制，采用振幅键控调制过程如图14所示，其中，纵坐标表示幅值，横坐标表示时间。
实施例2
本实施例提供了一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置的实际应用场景，如图15所示，具体为：
在实际应用时，位于现场附近的且通过物联网与远程监控中心相连接的射频控制器发出控制指令。当射频前端32接收到射频控制器的射频信号被激活后，对载波信号进行整流、滤波、储能，为射频与逻辑芯片3提供电源供应，同时对载波信号携带的信息进行解调获取指令信息。
逻辑控制电路33通过指令解析，依据指令不同完成不同操作控制，指令一种是普通读写指令，另一种是设定检测指令，逻辑控制电路33能够区别射频控制器发送的普通读写指令和设定检测指令。如果是普通读写指令，逻辑控制电路33对存储器34进行读写操作(写：将指令携带的信息写入存储器34的指定单元，对如温度补偿值进行改写；读：读取存储器34指定单元的信息并返回给射频控制器，如获取传感器类型等参数)；如果是设定检测指令，逻辑控制电路33则根据设定检测指令控制检测芯片4启动、采集传感信息(如环境温度、磁场强度、环境照度等)且存储传感信息到存储器34的特定单元，并能够将获取的传感信息经射频前端32、阻抗匹配网络31和天线2回传给射频控制器。
综上所述，本发明提供的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，采用双芯片加折叠天线2设置于柔性基板1上的结构，外形成薄片状，可外接各种电阻敏感型传感器或电容敏感型传感器，可与传感器连接作为无线、无源传感器使用，用以解决了现有技术中普通的电阻敏感型和电容敏感型传感器不具有无线通讯功能，射频识别技术通常不具有传感功能，也不能够连接传感器来感知所处场景的物理信息的技术缺陷。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，包括：柔性基板以及设置在所述柔性基板上的天线、射频与逻辑芯片和检测芯片；所述射频与逻辑芯片包括：阻抗匹配网络、射频前端、逻辑控制电路、存储器和检测驱动电路；
在所述检测芯片上设置有传感器接口；外部传感器通过插接件与所述传感器接口连接；
所述阻抗匹配网络，分别与所述天线和所述射频前端连接，用于完成所述天线和所述射频前端之间的阻抗匹配，以实现所述天线的导行电磁波信号与所述射频前端的高频信号间的相互转换；
所述射频前端，分别与所述逻辑控制电路、所述存储器和所述检测驱动电路连接，用于对所述高频信号进行整流和滤波获取能量信号，对所述高频信号进行解调获取指令信号，对基带信号进行调制便于发送传感信息；所述能量信号用于为所述逻辑控制电路、所述存储器和所述检测驱动电路提供电源；
所述逻辑控制电路，分别与所述存储器和所述检测驱动电路连接，用于根据所述指令信号完成射频控制、存储控制和检测驱动控制；
所述检测驱动电路，与所述检测芯片连接，用于根据所述指令信号和所述能量信号控制所述检测芯片的供电，并提供所述射频与逻辑芯片读取所述检测芯片的信息通道；
所述检测芯片，用于获取外部传感器采集的传感信息，并将所述传感信息转化为所述逻辑控制电路和所述射频前端所需的周期脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述检测驱动电路包括：第一开关、第二开关、第一检测驱动端口和第二检测驱动端口；
所述第一开关的一端分别与所述射频前端和所述逻辑控制电路连接；所述第一开关的另一端与所述第一检测驱动端口连接；所述第二开关的一端分别与所述射频前端和所述逻辑控制电路连接；所述第二开关的另一端与所述第二检测驱动端口连接；
所述逻辑控制电路用于根据所述指令信号输出选通控制信号；所述选通控制信号用于控制所述第一开关和所述第二开关的闭合；第一通道用于为所述检测芯片提供电源；所述第一通道为所述第一开关和所述第一检测驱动端口组成的通道；第二通道用于提供所述射频与逻辑芯片读取所述检测芯片的信息通道；所述第二通道为所述第二开关和所述第二检测驱动端口组成的通道。
3.根据权利要求1所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述检测芯片，具体包括：频率转换电路、源极跟踪器、迟滞比较器和放大器；
所述频率转换电路，与外部传感器连接，用于将所述外部传感器采集的传感信息转换成对应频率的正弦信号；
所述源极跟踪器，与所述频率转换电路连接，用于对所述正弦信号进行阻抗变化和电压跟随，生成跟随信号；
所述迟滞比较器，与所述源极跟踪器连接，用于对所述跟随信号进行条理和整形，形成周期脉冲信号；
所述放大器，分别与所述迟滞比较器和所述检测驱动电路连接，用于对所述周期脉冲信号进行放大，并通过所述检测驱动电路将放大后的所述周期脉冲信号分别发送至所述逻辑控制电路和所述射频前端。
4.根据权利要求3所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述频率转换电路，具体包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一NMOS管和第二NMOS管；
所述第一NMOS管的栅极分别与所述第一电容的一端、所述第二电阻的一端、所述第三电阻的一端连接；所述第一NMOS管的漏极分别与所述第四电阻的一端和所述第二电容的一端连接；所述第一NMOS管的源极分别与所述第一电阻的一端和所述第五电阻的一端连接；所述第二NMOS管的栅极分别与所述第二电容的另一端、所述第六电阻的一端和所述第七电阻的一端连接；所述第二NMOS管的漏极分别与所述第三电容的一端和所述第八电阻的一端连接；所述第二NMOS管的源极分别与所述第九电阻的一端和所述第四电容的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述第三电容的另一端连接；所述第二电阻的另一端分别与所述第四电阻的另一端、所述第六电阻的另一端和所述第八电阻的另一端连接；所述第三电阻的另一端、所述第五电阻的另一端、所述第七电阻的另一端、所述第九电阻的另一端和所述第四电容的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述源极跟随器，具体包括：第三NMOS管、第五电容、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻；
所述第三NMOS管的栅极分别与所述第三电容的另一端、所述第十电阻的一端和所述第十一电阻的一端连接；所述第三NMOS管的漏极与所述第十电阻的另一端连接；所述第三NMOS管的源极分别与所述第五电容的一端和所述第十二电阻的一端连接；所述第十电阻的另一端与所述第八电阻的另一端连接；所述第十一电阻的另一端和所述第十二电阻的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述迟滞比较器包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管和第九NMOS管；
所述第一PMOS管的栅极与所述第五电容的另一端连接；所述第一PMOS管的源极分别与所述第七NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极连接；所述第一PMOS管的漏极与所述第三PMOS管的源极连接；所述第二PMOS管的源极分别与所述第四NMOS管的源极和所述第二PMOS管的栅极连接；所述第二PMOS管的栅极与所述第三PMOS管的栅极连接；所述第二PMOS管的漏极接地；所述第三PMOS管的源极与所述第四PMOS管的漏极连接；所述第三PMOS管的栅极与所述第五PMOS管的栅极连接；所述第三PMOS管的漏极接地；所述第四PMOS管的源极分别与所述第六NMOS管的源极和所述第八NMOS管的源极连接；所述第四PMOS管的栅极接地；所述第五PMOS管的源极与所述第九NMOS管源极连接；所述第五PMOS管的漏极接地；
所述第四NMOS管的漏极分别与所述第三NMOS管的漏极和所述第五NMOS管的漏极连接；所述第四PMOS管的栅极与所述第五NMOS管的源极连接；所述第五NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的漏极连接；所述第五NMOS管的源极与所述第五NMOS管的栅极连接；所述第五NMOS管的栅极与所述第六NMOS管的栅极连接；所述第六NMOS管的漏极与所述第七NMOS管的漏极连接；所述第七NMOS管的漏极与所述第八NMOS管的漏极连接；所述第七NMOS管的栅极与所述第八NMOS管的栅极连接；所述第八NMOS管的漏极与所述第九NMOS管的漏极连接；所述第八NMOS管的源极与所述第八NMOS管的栅极连接；所述第九NMOS管的栅极与所述第八NMOS管的源极连接。
7.根据权利要求6所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述放大器包括：第十NMOS管、第六电容、第七电容、第十三电阻、第十四电阻和第十五电阻；
所述第十NMOS管的栅极分别与所述第九NMOS管的源极、所述第五PMOS管的源极和所述第十三电阻的一端连接；所述第十NMOS管的漏极分别与所述第十五电阻的一端和所述第六电容的一端连接；所述第十NMOS管的源极分别与所述第十四电阻的一端和所述第七电容的一端连接；所述第十三电阻的另一端、所述第十四电阻的另一端和所述第七电容的另一端接地。
8.根据权利要求2或7所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述第一检测驱动端口与所述第十五电阻的另一端连接；所述第二检测驱动端口与所述第六电容的另一端连接。
9.根据权利要求1所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述外部传感器包括：第八电容、第九电容、第十六电阻和第十七电阻；
所述第十六电阻的一端与所述第八电容的一端连接；所述第八电容的另一端与所述第十七电阻和所述第九电容的第一公共端连接；所述第十七电阻和所述第九电容的第二公共端接地；
所述第十六电阻的另一端为第一接线端口；所述第十七电阻和第九电容的第一公共端为第二接线端口；所述第十七电阻和第九电容的第二公共端为第三接线端口；所述传感器接口分别与所述第一接线端口、所述第二接线端口和所述第三接线端口连接。
10.根据权利要求1所述的一种具有无线供电与射频通信功能的传感器接口装置，其特征在于，所述外部传感器包括：电阻敏感型传感器、电容敏感型传感器、以及电阻和电容敏感型传感器。
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