【《UHF-RFID無線無源測溫系統(tǒng)設(shè)計》15000字（論文）】

隨著UHFRFID無線無源技術(shù)和溫度傳感器的不斷發(fā)展，運用UHFRFID無線無源作為通信媒介在電子標(biāo)簽中嵌入溫度傳感器進(jìn)行溫度的測量已經(jīng)成為趨勢。超低的功耗和較遠(yuǎn)的識別距離，以及在各種環(huán)境下優(yōu)良的測溫性能使UHFRFID無線本文對UHFRFID無線無源測溫系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先對UHFRFID無源無線測溫的技術(shù)背景，概括了UHFRFID測溫的意義，對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀做了介紹。在論文的主體部分首先對整個系統(tǒng)工作的原理、能量的傳輸方式、國際的標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了介紹，而后對傳輸數(shù)據(jù)的處理方式，數(shù)據(jù)的校驗方式等進(jìn)行了介紹。本文的重點是對測溫系統(tǒng)的讀寫器、電子標(biāo)簽、溫度傳感器的介紹與描寫，涵括了對其各部從理論到實踐的對UHFRFID無源無線測溫關(guān)鍵詞：UHFRFID;無源無線測溫；電子標(biāo)簽；溫度傳感目錄 1 1 1 2 3 3 32.3反向散射的能量傳輸 4 6 6 7 73.2曼徹斯特編碼 83.3曼徹斯特解碼 93.4調(diào)制和解調(diào) 9 114.1UHFRFID差錯控制的基本方式 1 5.2讀寫器的基本組成 5.3讀寫器的工作方式 6.1電子標(biāo)簽的協(xié)議 6.2電子標(biāo)簽的頻率范圍 6.3電子標(biāo)簽的射頻接□ 6.3.1接收部分 6.3.2發(fā)送部分 6.3.3公共電路部分 6.3.4天線模塊 2 257.1溫度傳感器簡介 7.2測溫的基本原理 7.3帶隙基準(zhǔn) 7.4溫度傳感器的系統(tǒng)框圖 8.1LTU3測溫芯片簡介 8.2實際測溫驗證 9.1結(jié)論 329.2展望 32 341第一章緒論近距離接觸的自動識別技術(shù)1。電磁場理論的深入催生了RFID技術(shù)，射頻技術(shù)的發(fā)展使RFID備受重視。第二次世界大戰(zhàn)期間，RFID技術(shù)開始被環(huán)太平洋東岸某發(fā)達(dá)資本主義國家應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要是對盟軍飛機(jī)進(jìn)行敵我識別，之后UHFRFID技術(shù)逐漸民用化。隨著UHFRFID技術(shù)廣泛應(yīng)用，很多待測溫物體被貼上了標(biāo)簽，人們可以通過閱讀器對貼有標(biāo)簽的物品進(jìn)行溫度的讀取、監(jiān)控和管理。UHF化輕量化多樣化的發(fā)展趨勢使其適應(yīng)多種場合。法直接探測的地方進(jìn)行無障礙穿透識別。最重要的在于UHFRFID標(biāo)簽可以無限的儲存、抹除及加密數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)可以大容區(qū)域空間2。所以在射頻方面對電子標(biāo)簽無線測溫還有很多限制，也是無線發(fā)展繼20世紀(jì)后RFID成為十大重要技術(shù)之一，對UHFRFID測溫技術(shù)的重視日益增長。迄今為止，申請的UHFRFID專利多達(dá)數(shù)萬，其中中美日韓就達(dá)到了UHFRFID無線無源測溫在一些國家已形成標(biāo)一指，與其廣泛運用先進(jìn)的UHF測溫和高效的RFID物流系統(tǒng)密不可分。在21世紀(jì)初期，沃爾瑪有健全的UHF溫度監(jiān)控系統(tǒng)，甚至要求他的供應(yīng)商也要建立完整的監(jiān)測體系。沃爾瑪?shù)纳唐贩N類繁多，溫度檢測的范圍在-12至107℃。在2同樣是世界五百強德國最大的零售超市麥德龍?zhí)崆拔譅柆?年在“未來商店”計劃里就提出RFID測溫技術(shù)。纖都需要傳輸線，而紅外測溫?zé)o法穿過障礙和阻擋，而RFID對這些問題有實際國的RFID技術(shù)已經(jīng)比較成熟。例如在第二代身份證、銀行卡、高速收費等都有比較成熟的應(yīng)用，但集中在高頻(HF)部分，UHF只有15.90%,UHFRFID測1.3論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排論文的主要內(nèi)容是對UHFRFID無線無源測溫系統(tǒng)的介紹，主第一章為緒論，主要介紹了課題研究的技術(shù)與背景及論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排。第二章介紹了RFID系統(tǒng)的工作原理。第三章介紹了RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，涵括了編解碼及調(diào)制與解調(diào)。第四章介紹了UHFRFID的數(shù)據(jù)校驗方式。32.1RFID技術(shù)基礎(chǔ)讀寫器電腦讀寫器能量時序數(shù)據(jù)標(biāo)簽2.2RFID系統(tǒng)的物理學(xué)原理圖2-2電感耦合原理圖4自由散射，自由散射的一小部分P3返回讀到寫器，被讀寫器天線接收，經(jīng)過濾收發(fā)耦合圖2-3反向散射原理圖2.3反向散射的能量傳輸(1)讀寫器到電子標(biāo)簽的能量傳輸其中EIRP為有效全向輻射功率，它的大小GTx與PTx密切相關(guān)5?？梢郧宄目碐Tag增益的電子標(biāo)簽有效面積Ae可以表示為5假設(shè)系統(tǒng)工作在900MHz的條件下，則該波長大約為0.42M,當(dāng)有效全向輻射功率EIRP為5W而電子標(biāo)簽天線增益GTag為OdB時，根據(jù)電子標(biāo)簽計算，當(dāng)標(biāo)簽距離讀寫器10M時接收到的能量為55μW,如果接收到的能量經(jīng)過整流傳輸?shù)葥p耗后最終剩余30%,那么真正提供給電子標(biāo)簽內(nèi)部芯片運用的能量為16.5μW。在電子標(biāo)簽收到功率一定的情況下，增加讀寫器的功率，天線的增益(2)反方向的能量傳輸反向散射與很多因素有關(guān)有關(guān)，影響最大的為散射截面6。而散射截面積不僅取決于表面積，也和其材料的性質(zhì)，幾何形狀等有關(guān)系。假設(shè)散射截面為σ,假設(shè)標(biāo)簽在理想條件下散射入射功率，則散射到讀寫器天線的功率密度SBack即其中Aw為電子標(biāo)簽的有效面積，假設(shè)電子那么反向散射功率可以表示為假設(shè)讀寫器能夠檢測到的反向散射功率為最小時，即PRx=PMin,那么就可以得6存儲器使用EEPROM使其更有特點。其斷電后可保留數(shù)據(jù)，可在編程軟件中簡便的修改內(nèi)部數(shù)據(jù)。同時與傳統(tǒng)的CCD、激光束掃描、機(jī)讀等閱讀方式相比，無線通信方式更方便靈活，讀寫距離更遠(yuǎn)，閱讀速度更快，在人工識讀、保密性和智能化方面也更出色。2.5UHFRFID的國際標(biāo)準(zhǔn)UHFRFID的國際標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了很多國家和地區(qū)的因素。目前運用較為廣泛的協(xié)議是ISO18000-6針對UHF頻段協(xié)議和EPCGlobal針對電子編碼的標(biāo)準(zhǔn)ISO18000-6標(biāo)準(zhǔn)定義了不同工作方式的協(xié)議，讀寫器需要同時滿足，電子標(biāo)簽只需要滿足其中之一。兩種協(xié)議都是讀寫器先展開工作，有效的避免讀寫器和電子標(biāo)簽之間的沖突與混亂。一般讀寫器先工作的情況下，電子標(biāo)簽處于賦閑狀態(tài)或者待機(jī)啟動模式。電子標(biāo)簽接收到能量被激活后，進(jìn)行測溫工作。在此過程中，讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)都是采用ASK調(diào)制方式，TypeA是立足于抽樣、量化和編碼，TypeB采用曼徹斯特編碼實現(xiàn)8。EPC主要立足于產(chǎn)品層次，相當(dāng)于產(chǎn)品的身份證一樣，是對產(chǎn)品的唯一識別。7讀寫器數(shù)字?jǐn)?shù)字調(diào)制信道編碼加密信源編碼輸入信號信信道噪聲數(shù)字?jǐn)?shù)字解調(diào)信道解碼解密輸出信號信源解碼電子標(biāo)簽圖3-1數(shù)字通信系統(tǒng)原理圖8號含有很多的低頻信號，直接傳送不符合實用原則，如果把它搬移到射頻頻譜上，就能適應(yīng)信道的要求，也便于信道的復(fù)用和提高干擾能力。在UHFRFID測溫運用無源技術(shù)，因此測溫工作依賴于讀寫器的能量供應(yīng)，這就要求了編碼時相鄰的碼元應(yīng)該具有跳變，一是為了在出現(xiàn)連續(xù)的低電平時能夠持續(xù)的給標(biāo)簽供能，其次是保證在出現(xiàn)連續(xù)碼元時能對其精準(zhǔn)的定位，提取準(zhǔn)確的時鐘信息。3.2曼徹斯特編碼RFID編碼有很多常見的方法，原理也相對簡單，比如常用的將“1”處理成“10”而將“0”處理成“01”。測溫系統(tǒng)運用曼徹斯特編碼方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理傳輸，如圖3-2所示。因為它具備了一定的糾錯能力，在一個脈沖的相鄰脈沖之間，總有一個狀態(tài)與已知的狀態(tài)相反，如果出現(xiàn)相同，那么此處的信號出現(xiàn)了傳輸錯誤。它也有一定的局限性，當(dāng)選定的碼元與相鄰的碼元都出現(xiàn)錯誤時，就無法檢測出來，但是出錯的概率為單一碼元出錯的的二次方，是一個小概率事件，在我們允許的范圍之內(nèi)。同時，由圖3-3可以看出，高電平可以為單個周期內(nèi)下降沿的跳變，低電平為單個周期上升沿的跳變，跳變發(fā)生在半周期位置。當(dāng)不同的標(biāo)簽在給定的時間發(fā)送不同的數(shù)據(jù)位時，上下邊沿就會進(jìn)行加法處理。這種狀態(tài)在這個位置就會形成一個特殊的信號，通過監(jiān)測就能確定錯誤位置。≠圖3-2編碼模型9基帶信號基帶信號編碼信號圖3-3仿真波形解碼的過程也是同樣的方法，如圖3-4所示?！賵D3-4解碼模型圖3-5解碼波形3.4調(diào)制和解調(diào)的相對帶寬為頻率的10%,也就是帶寬與頻率成正比例，較高的頻率可以獲得較大的帶寬，而當(dāng)帶寬變大時，UHFRFID系統(tǒng)的抗干擾、抗衰落及信道利用率都一般要大于波長的0.25倍，如要發(fā)射3800Hz的信號，則至少需要25Km長的天圖3-5調(diào)制波形圖而解調(diào)對于TYPEA來說，就是從調(diào)制信號中恢復(fù)出曼切制方式為ASK調(diào)制，其產(chǎn)生信號與原本信號有相關(guān)性。但是采用PSK調(diào)制的TYPEB,其包絡(luò)與調(diào)制信號的形狀不同。與非相干解調(diào)相比，想干解調(diào)必須提第四章UHFRFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)校驗UHFRFID測溫系統(tǒng)采用無線的傳輸方式，而系統(tǒng)的固有特性及熱噪聲，以及系統(tǒng)外部的電磁干擾，都會使抽樣判決出現(xiàn)誤差而導(dǎo)致誤碼，如圖4-1所示。圖4-1UHFRFID誤碼示意圖差錯控制的方式不唯一，既有前向糾錯，也有反饋糾錯，而混合糾錯是前兩類的結(jié)合91。前向糾錯是立足于具有自動識別誤碼的編碼方式，不需要反饋通道回到原信號，簡單理解為出現(xiàn)了編碼方式不允許的狀態(tài)，一般能準(zhǔn)確的定位錯誤發(fā)生的位置，但設(shè)備復(fù)雜；而反向糾錯是通過特殊的檢驗位檢測錯誤，一旦發(fā)生錯誤就通過反饋通道給予信號重發(fā)錯誤部分信號，通常只能夠了解到是同時發(fā)送的那一部分，精確的知道是哪個數(shù)據(jù)出錯了則很難實現(xiàn)，但簡單實用；而混合糾錯是立足于少量錯誤自己糾正，數(shù)量過多時反饋重發(fā)，亦或者自己糾正不了也可重發(fā)。UHFRFID測溫系統(tǒng)一般采用第一種或者第二種。差錯的性質(zhì)根據(jù)是否連續(xù)一般分為兩個種類。通常是某一位發(fā)生突變，通常沒有關(guān)聯(lián)性。突發(fā)錯誤前后關(guān)聯(lián)性較強，一位發(fā)生錯誤會引起連鎖錯誤[10]。但不管是哪種差錯的糾正，都立足于獨立且能用線性方程組表示的碼組。不過奇偶性只能發(fā)現(xiàn)一位的錯誤，出現(xiàn)兩個的時候就奇偶性和原數(shù)據(jù)相同。而CRC碼工作時的性能優(yōu)良且硬件結(jié)構(gòu)簡單而在UHFRFID測溫系統(tǒng)中廣泛運用。CRC碼的原理如下圖4-2所示，原始數(shù)據(jù)要先根據(jù)校驗的位數(shù)進(jìn)行添零，也稱為補位，一般和校驗位的位數(shù)相等，比校驗數(shù)據(jù)少一位。補位后的數(shù)據(jù)與校驗數(shù)據(jù)做模二除法(異或邏輯)。運算后的余數(shù)與補位數(shù)據(jù)的組合即為傳輸數(shù)據(jù)。最后的傳輸數(shù)據(jù)一定能被校驗數(shù)據(jù)模二整除，接收數(shù)據(jù)只需要做模二計算就能檢驗數(shù)據(jù)的真實有效性，所以CRC在UHFRFID測溫系統(tǒng)中讀寫器與標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸中運用廣泛。校驗位圖4-2CRC碼示意圖CRC仿真如圖4-2所示，AddbinaryerrorstotheinpErrorprobability:0.05Detector圖4-2CRC碼仿真示意圖第五章UHFRFID讀寫器讀寫器是UHFRFID測溫系統(tǒng)的重要組成部分，讀寫器決定了系統(tǒng)在何種波段下運行，同時也決定了測溫的極限距離，一般的HF只能切近測量而UHF能夠靈活的在近10米的動態(tài)范圍內(nèi)就源于優(yōu)越的讀寫器。讀寫器的基本功能可以近似為一只無形連接電腦和測溫芯片的手，不過這個手是射頻而已。換而言之，讀寫器承擔(dān)了數(shù)據(jù)交互傳輸?shù)淖饔?，這種非接觸式的數(shù)據(jù)通信囊括了建立通信、防止碰撞、安全加密等。一般來說，讀寫器在頻段、耦合、數(shù)據(jù)傳輸方面都有很多差異，這些差異并不影響其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其一般由如圖5-1所示三部分組成。計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)讀寫模塊射頻模塊圖5-1讀寫器的簡單結(jié)構(gòu)圖天線起到了能量的銜接、時鐘和數(shù)據(jù)的相互的功能。現(xiàn)在普遍的UHFRFID測溫系統(tǒng)天線工作在840MHz到960MHz很窄的帶寬里，而且只能在某些國家使用，因此具有寬頻帶、低成本、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點寬帶微帶貼片天線將會廣泛運用射頻模塊涵蓋了對載波進(jìn)行處理，讓更多的能量成為高頻發(fā)射功率，為標(biāo)簽工作提供足夠的能量。也包括調(diào)節(jié)發(fā)送的數(shù)據(jù)并修改接收的數(shù)據(jù)，其中有兩個互不干擾的I/O□,用于射頻模塊和天線兩個方向的數(shù)據(jù)傳輸。讀寫模塊主要處理數(shù)據(jù)處理，包括信息與外部計算機(jī)的交互以及內(nèi)部信息的輸入和輸出。既有數(shù)據(jù)的編解碼，也有對數(shù)據(jù)的校驗等。在UHFRFID測溫系統(tǒng)中，不管是讀寫器還是電子標(biāo)簽以經(jīng)濟(jì)實用的原則，都是只有一個天線的，換言之就是半雙工的通信方式，只能一個發(fā)而另一個接收，如果兩個同時發(fā)送或者接收就會造成混亂，這就是讀寫器的防沖突?；诜罌_突的背景，實現(xiàn)了相異的流程，一種是讀寫器主動的發(fā)散能量去激活電子標(biāo)簽，另一種是標(biāo)簽發(fā)出信號去感應(yīng)讀寫器。不過一般狀態(tài)下，標(biāo)簽在不檢測的情況下進(jìn)行工作會耗費大量的能量，且儲能模塊也需要加大而維持電子標(biāo)簽的正常工作。所以測溫系統(tǒng)多數(shù)立足于讀寫器先發(fā)言，電子標(biāo)簽處于等待或者待啟動轉(zhuǎn)態(tài)。不過有些性能優(yōu)越的讀寫器采用了比較耗能的工作方式，因為其具有更快的反應(yīng)速度，能捕捉迅速的溫度變化，且在干擾環(huán)境下也更加的穩(wěn)健，犧牲更多的能量而換取更高的性能也符合客觀事實5.4讀寫器的工作流程(1)微控制單元與電腦完成信息交互后，發(fā)送復(fù)位信號及啟動信號驅(qū)動程序正常運行啟動。啟動后將一系列的數(shù)據(jù)發(fā)送到編解碼電路，控制編解碼電路工作。(2)編解碼電路根據(jù)微控制單元的控制命令，驅(qū)動編解碼電路對信號進(jìn)行編碼，編碼后形成的數(shù)字基帶信號通過整形電路和限幅電路處理后，形成較為優(yōu)良的信號后直接發(fā)送到上變頻混頻器。(3)上變頻混頻器將處理后的數(shù)字基帶信號與來自微控制單元通過PPL頻率合成器、功分器及放大器一系列處理后的本振信號進(jìn)行混頻。(4)混頻后的的信號濾除不需要的頻率后，將其通過功率放大器放大到足夠滿足傳輸條件后，發(fā)送往天線放大器。(5)天線放大器再次放大功率并將其發(fā)送到環(huán)路，環(huán)路又將信號發(fā)送到天線接收部分的工作流程如下：(1)天線接收信號并將接收到的信號發(fā)送到電路。(2)循環(huán)器將接收到的信號發(fā)送到90°相位開關(guān)功率分配器，相位開關(guān)將接收到的信號分為兩個正交信號。(3)這兩個正交信號分別與本地振蕩信號混合，從而進(jìn)行解調(diào)。由于信號分成了兩部分，這就使得原本的信號變得非常微弱。在處理解調(diào)信號的時候，首先要對其進(jìn)行小倍率的放大，將經(jīng)過微弱放大的信號濾波后，這樣就能盡量的減小誤差。然后是一個較大的放大，信號變得非常清晰和穩(wěn)定。(4)乘法器將放大的信號相乘，使相對于虛擬地將負(fù)脈沖反轉(zhuǎn)為正脈沖。(5)翻轉(zhuǎn)后的信號通過加法器相加合并為一個信號。(6)對此信號放大，讓其達(dá)到與參考電壓相近的等級。經(jīng)過幾次放大后的信號內(nèi)部含有一些不利于進(jìn)行比較的直流分量，只需要讓其經(jīng)過電容耦合，就能去掉這些直流分量，而后送至電壓比較器。(7)經(jīng)過參考電壓比較，就能得到攜帶信息的數(shù)據(jù)。編譯碼電路對電壓比較器發(fā)出的數(shù)字進(jìn)行處理，然后將相關(guān)的信息發(fā)送給后續(xù)電路。第六章電子標(biāo)簽的體系結(jié)構(gòu)電子標(biāo)簽是UHFRFID測溫系統(tǒng)的重要組成部分，溫度的感知就源于此部分，一般采用ISO18000-6標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)下有TYPEA/B兩種類型。這兩個類型據(jù)運行降低了其防沖突的能力。TYPEB則恰恰相反，因為精簡的結(jié)構(gòu)和簡短的定會趨于完善并推動著UHFRFID測溫系統(tǒng)的發(fā)展。讀寫器制PIE編碼電子標(biāo)簽PIE編碼制FMO編碼FMO編碼大大擴(kuò)寬，目前主要的電子標(biāo)簽射頻波段有930MHz(UHF頻段)、2.46GHz、5.9GHz(微波頻段)。但是后面的兩個頻段的電子標(biāo)簽一般都要內(nèi)接電池，才能維持其正常工作，而930MHz(UHF頻段)的電子標(biāo)簽可以無源工作，僅靠天6.3電子標(biāo)簽的射頻接□電子標(biāo)簽的射頻接□主要由如圖6-2所示組成。微處理器微處理器編解碼電路編解碼電路圖6-2電子標(biāo)簽的功能結(jié)構(gòu)圖輸入調(diào)制信號非線性低通濾波器數(shù)字基帶信號電壓比較器包絡(luò)產(chǎn)生電路檢波電路圖6-3接收部分的功能框圖數(shù)字編碼信號數(shù)字編碼信號包絡(luò)產(chǎn)生電路由如圖6-3所示的兩部分組成，主要是提取出包絡(luò)。檢波電路由如圖6-3所示的兩部分組成，一般包絡(luò)輸出的信號雖然濾除了很多高頻的部分，需要對這部分進(jìn)行濾除。經(jīng)過濾波后的信號通常在小范圍內(nèi)的變化相對較小，經(jīng)過電壓比較器進(jìn)行電壓判決時更加精確，通過電壓判決后從而形成數(shù)字基帶信號，也就完成了對輸出包絡(luò)信號的檢波過程。6.3.2發(fā)送部分發(fā)送部分如圖6-4所示，主要是將接收到的信號進(jìn)行負(fù)載調(diào)制，而后對其進(jìn)行一定比例的放大，使其達(dá)到天線傳輸?shù)囊螅儆商炀€進(jìn)行傳輸。負(fù)載調(diào)制負(fù)載調(diào)制功率放大器功率放大器輸出調(diào)制信號輸出調(diào)制信號圖6-4接收部分的功能框圖其中ASK反向調(diào)制部分主要是通過控制Acos(wt+φ)中的A參數(shù)，其原理是基于V=R×1,通過間接的控制R來實現(xiàn)。方法為通過接入一個非線性元件，然后由邏輯控制信號控制接入電路的導(dǎo)通截止從而控制電路是否并聯(lián)而改變電阻，從而改變阻值已達(dá)到要求。更高的轉(zhuǎn)換頻率混頻器將ASK已經(jīng)的頻譜搬到一個高頻段。帶通濾波器過濾除中心頻率外的不需要的頻率，然后由功率放大器放大，向天線發(fā)送信號。6.3.3公共電路部分(1)電源產(chǎn)生電路交變的磁場產(chǎn)生交變的電場。電源進(jìn)行相應(yīng)的處理變?yōu)橹绷鞴╇姡砣鐖D6-5所示。低通濾波器電路使輸出電流平穩(wěn)；穩(wěn)壓電路保證了電壓趨于穩(wěn)定；限限幅電路控制電壓振幅和保護(hù)電路；最后輸出穩(wěn)定直流能源供應(yīng)整個電子標(biāo)簽。圖6-5電源產(chǎn)生電路的功能框圖電源設(shè)置了儲能的裝置，其原理如圖6-6所示。當(dāng)線路處于高壓狀態(tài)時，輸入通過二極管為電路供電的同時為電容充電；當(dāng)線路處于低電平時，儲能電容單獨將能量送入芯片，期間二極管反向切斷，防止電容器對電源消耗能量。圖6-6寄生供電電路原理圖但是由于電子標(biāo)簽自身面積微小的原因，電容的容量也受到了限制。較小的容量要求電源每隔一段時間提供高電平連續(xù)給電容器充電，以維持整個測溫芯片的正常運行，如圖6-7所示。其主要的步驟就是通過天線的無線傳輸獲取能量，通過一系列的處理變換為直流電壓，對內(nèi)部的電容進(jìn)行充電，而后經(jīng)過電路為運行部分提供能量。可以理解為電子標(biāo)簽的工作既不是恒定不變的電壓下，也不是在恒定的電流下。當(dāng)充電電壓達(dá)到芯片的初始工作電壓時，芯片可以正常工作。當(dāng)輸出的電壓開始下降的時候，儲能電容工作維持其電壓。當(dāng)電壓不能滿足芯片的初始工作電壓時，溫度測量芯失去工作能力。這就要求電容電壓要能支持到下一個高電平到來時才能保證芯片的持續(xù)工作，而且芯片在某些狀態(tài)耗能比較嚴(yán)重，一般需要兩個狀態(tài)同時作用，就產(chǎn)生怎樣分配功耗的問題。建立過程供電過程圖6-7電源充放電特性原理圖(2)復(fù)位電路(3)時鐘產(chǎn)生電路ASK圖6-8時鐘恢復(fù)電路的系統(tǒng)框圖十十十圖6-9放大器原理圖根據(jù)圖6-9,整個部分的輸出電壓Vout為Vout=G(jw)Vin+F(jw)G(ja)Vou一個基本的要求。振蕩器不滿足一次函數(shù)的關(guān)系，起振時T(jw)>1,將電路中控制測溫部分主要由原理如圖6-10所示三部分組成。編解碼電路處于兩個的進(jìn)行測溫，也對接收到的溫度信號進(jìn)行加工。EEPROM記錄系統(tǒng)產(chǎn)出的一些控制部分編解碼電路圖6-10控制部分原理框圖典型的代表為RAM存儲器。另一種是失去供能后之后數(shù)據(jù)能夠完整存在的存儲存儲器，UHFRFID測溫系統(tǒng)使用的EEPROM就是屬于后者。EEPROM除了能供應(yīng)不足而發(fā)生掉電的情況，有一款能夠儲存數(shù)據(jù)的存儲器對連續(xù)工作尤為重(2)微處理器成本和穩(wěn)定的性能，微處理器內(nèi)部使用傳統(tǒng)的ROM,也就意味著微處理器的代基本控制、對其核心的識別文件進(jìn)行管理及加密等。其連接一般圖6-11所示，微微處理器數(shù)據(jù)復(fù)位/時鐘溫度傳感器溫度傳感器圖6-11微處理器的連接框圖解調(diào)電路解調(diào)電路數(shù)據(jù)輸入已解碼電壓信號信號信號輸出控制模塊時鐘時鐘產(chǎn)生模塊存儲器訪問交互數(shù)據(jù)儲器數(shù)據(jù)已解碼校驗結(jié)果數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖6-12數(shù)據(jù)處理的原理框圖7.1溫度傳感器簡介7.2測溫的基本原理的結(jié)果同事先已知溫度對應(yīng)的結(jié)果相比較，就能得到測量的溫度。但是實際的COMS溫度傳感器中，工作電壓通過限幅穩(wěn)壓后通常為V級別的，而低功耗要求功耗低于10uW級別，所以間接的控制了電流處于uA級別，uA級別的電流是基于電壓測量，是將測得的電壓信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)化，得到數(shù)字信號，如圖用。電壓測量的量化輸出可以表示為輸出溫度信號。但是這種情況下ADC的功耗相當(dāng)大，能達(dá)到數(shù)十微瓦甚至上百微瓦，這樣的功耗限制了測溫系統(tǒng)的工作距離。為了滿足整個系統(tǒng)低功耗的要求，溫度傳感器普遍使用了基于SARADC的溫度傳感器。圖7-1含有ADC的溫度傳感器框圖另一種為基于頻率，一個頻率隨溫度變化的時鐘被用來采樣一個周期內(nèi)變化的信號。也可以將時鐘設(shè)置為一個頻率，并從另一個頻率隨溫度變化的時鐘中取樣，如圖7-2所示。模擬前端通常使用反向鏈延遲或電容器負(fù)載與溫度成正比的電流來獲得帶有溫度信息的時間脈沖信號15。頻率采樣實現(xiàn)相對簡單，基于低功耗晶振使能量的消耗非常低，但伴隨的是測量精度的降低。電壓測量則不同于頻率采樣，實現(xiàn)了較高的精度，但是功耗也隨著增加。兩者恰好相反，通過不斷的校準(zhǔn)能夠提高頻率測量的精度，但相比于降低電壓測量的功耗還是有一定的劣勢，綜上我們選擇基于電壓的測量方法。圖7-2頻率采樣的溫度傳感器框圖7.3帶隙基準(zhǔn)基于電壓來測量溫度，必須有一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，而在COMS中正溫度系數(shù)電壓的發(fā)現(xiàn)源于1964年，當(dāng)人們注意到兩個雙極晶體管集電極比例關(guān)系[17。如圖7-3所示，假設(shè)Q?和Q?是一個廠家生產(chǎn)的一款設(shè)備，那么它們的飽和電流數(shù)值相等，即Is?=Is?;而對于雙極器件，我們可以得到Ic=◎◎圖7-3正溫度電壓產(chǎn)生電路αTTSUMT圖7-4基準(zhǔn)電壓原理圖溫度傳感器的系統(tǒng)如圖7-5所示，傳感前端是基于襯底PNP管，產(chǎn)生與溫度相關(guān)的VBE和△VBE信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將產(chǎn)生的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，邏輯控制著各個部分的正常工作。偏置電路偏置電路溫度感知單元bs傳感前端時鐘產(chǎn)生器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊抽取濾波器控制邏輯圖7-5溫度傳感器系統(tǒng)圖模擬轉(zhuǎn)換簡稱ADC,是將實際的電壓電流信號處理為一個個單獨的信號，一般要經(jīng)過如下圖7-6所示的幾個步驟。N-bitN圖7-6A/D轉(zhuǎn)換的基本框圖其工作的流程一般如下(1)抗混疊濾波器將輸入的模擬信號Xa(t)進(jìn)行濾波，主要基于低通濾波，消除帶寬Bw以外不需要的諧波，解決了因采樣帶來的混疊[18。(2)所得的帶限信號X(t)在采樣保持器S/H中以fs進(jìn)行處理，變成一個時域離散DT信號Xs(n)=X(nTs),其中Ts=1/fs18。在整個采樣的過程中，為了避免采樣信息的丟失，X(t)的采樣頻率需滿足fs≥2Bw,這個最低的頻率通常稱為奈奎斯特頻率。(3)將得到的離散信號X?(n)進(jìn)行N比特的量化，而后將每個結(jié)果對應(yīng)到2N個量化值之一，從而得到數(shù)字輸出碼Ya(n)。(4)得到的數(shù)字輸出碼Ya(n)在進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字編碼。整個電子標(biāo)簽大部分的功耗歸于ADC,為了盡量的減少功耗，我們采用SARADC逐次逼近型量化器進(jìn)行量化，器原理圖如圖7-7所示。其工作原理為利用邏輯控制電路產(chǎn)生一個0.5VREF的基準(zhǔn)電壓，用產(chǎn)生的信號和模擬輸入Vin相比較，當(dāng)Vin>0.5VREF時第一位數(shù)據(jù)就輸出1,否則輸出0。后面根據(jù)上面的方法類推，只是將每次的基準(zhǔn)電壓在上次的基礎(chǔ)上減半，例如第二次的比較電壓變?yōu)?.25VREF,直至最后一位LSB。十圖7-7SARADC結(jié)構(gòu)框圖第八章實際測溫8.1LTU3測溫芯片簡介UHFRFID測溫系統(tǒng)采用LTU3芯片。LTU3芯片基于超低功耗設(shè)計，正常工能達(dá)到0.01攝氏度，而且能夠循環(huán)寫入100000多次的數(shù)據(jù)。LTU3溫度傳感器的測溫范圍為-40℃~150℃,隨著低功耗電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)據(jù)讀出后與攝氏(華氏)溫度之間的轉(zhuǎn)換。校準(zhǔn)后(出廠后)關(guān)鍵區(qū)段溫度數(shù)據(jù)精度達(dá)到±1℃,全溫度段誤差曲線如下圖所示：天線接□進(jìn)行，如圖8-2所示。RF通信接□支持EPCGlobalC1G2及ISO/IEC18000-6C無線數(shù)據(jù)傳輸，載波頻率為840MHz-960MHz,支持全世界所有的UHFRFID頻段，芯片可在全世界任何地點使用。數(shù)據(jù)傳輸時正向數(shù)據(jù)頻可靠的多標(biāo)簽性能。對于一個處于25.6℃的恒溫箱驗證，其結(jié)果如圖8-3所示，測溫系統(tǒng)在啟動兩秒后即可對溫度進(jìn)行采集?？梢詮膱D中觀察到，在25.6℃時最大誤差不超過0.04℃,符合LTU3測溫的誤差范圍。經(jīng)過不到1分鐘的運行，系統(tǒng)達(dá)到最佳的。時間，得到的結(jié)果如圖8-4所示，只有0.01℃的波動，充分展示了其優(yōu)良的圖8-3LTU3穩(wěn)定時測溫曲線圖第九章總結(jié)本文首先介紹了UHFRFID無源無線測溫的背景與意義做了介紹。在論文的主體部分首先對整個系統(tǒng)工作的原理、能量的傳輸方式、國際的標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了介紹，這里很多涉及到了電磁場的知識，也間接的體會到了物理對現(xiàn)實的生產(chǎn)實踐起到了無可替代的作用，任何產(chǎn)品的研發(fā)都必須與一定的理論作為依據(jù)。而后對傳輸數(shù)據(jù)的處理方式，數(shù)據(jù)的校驗方式等進(jìn)行了介紹。這部分涉及到了很多通信原理的知識，整個測溫系統(tǒng)最大的特點就在于將通信的方式從傳統(tǒng)的依靠實際物體連接的方式轉(zhuǎn)變到了電磁場，實質(zhì)是通信媒介的轉(zhuǎn)變。本文主要介紹和描述溫度測量系統(tǒng)的讀寫器器、電子標(biāo)簽和溫度傳感器，包括部件組成、工作方式、方法和過程的介紹。最后運用芯片對實際的溫度進(jìn)行測量，對測溫結(jié)果進(jìn)行了分析，從理論到實踐的對UHFRFID無源無線測溫系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。9.2展望本文對測溫系統(tǒng)展開了一些闡述，發(fā)現(xiàn)了其超低的功耗、非接觸式測溫的廣闊前景，也感受到其蓬勃發(fā)