郝唯文，江世進(jìn)，張 瓊，嚴(yán)靖凱

(1.浙江華云清潔能源有限公司,浙江 杭州 310002；2.國(guó)網(wǎng)金華供電公司,浙江 金華 321000)

0 引言

無(wú)源RFID傳感器已經(jīng)在無(wú)人值守變電站領(lǐng)域中得到關(guān)注。借助能量收集、RFID通信和傳感器功能，無(wú)源RFID傳感器能夠構(gòu)建監(jiān)測(cè)變電站的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。這種系統(tǒng)帶來(lái)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本和高傳感器精度[1-2]。

RFID溫度傳感器通常由獨(dú)立的溫度傳感器、低功率微控制器單元(MCU)和RFID前端電路組成[3-4]。一些研究提出直接在RFID傳感器標(biāo)簽芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的無(wú)MCU設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案一方面可使傳感器與RFID功能緊密結(jié)合，另一方面可降低系統(tǒng)尺寸和復(fù)雜性，以實(shí)現(xiàn)小型化的低成本應(yīng)用[5-6]。

RFID溫度傳感器設(shè)計(jì)方案還面臨其他一些挑戰(zhàn)。其中包括實(shí)現(xiàn)完全被動(dòng)的RFID感應(yīng)、低功耗以及將傳感器輸出數(shù)字化以進(jìn)行RFID數(shù)據(jù)傳輸[7]。除此之外，為了獲得精確的感測(cè)性能，必須在系統(tǒng)級(jí)別對(duì)RFID設(shè)計(jì)和溫度傳感器設(shè)計(jì)進(jìn)行精確協(xié)調(diào)。

到目前為止的研究結(jié)果表明，與獨(dú)立的集成溫度傳感器相比，RFID溫度傳感器提供的精度明顯較低，工作范圍也較小[8-9]。一些研究表明，RFID溫度傳感器在-55 ～125 ℃范圍內(nèi)的最高精度為±0.2 ℃[10]。這是因?yàn)樵跓o(wú)源RFID系統(tǒng)中，電源電壓是由從RF場(chǎng)提取的交流電產(chǎn)生的，電源上的交流噪聲會(huì)顯著影響傳感器的精度，導(dǎo)致無(wú)源RFID傳感器始終會(huì)由于RF通信和能量傳輸而受到干擾，而獨(dú)立的集成溫度傳感器可以使用低噪聲電源運(yùn)行。因此，RFID讀取器和溫度傳感器的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化被認(rèn)為是必須的。

為解決上述問(wèn)題，本文介紹了一種RFID溫度傳感器的片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)方案。該RFID溫度傳感器的工作范圍為0 ～125 ℃，并通過(guò)自定義的溫度數(shù)據(jù)讀出協(xié)議提高傳感器分辨率和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

RFID溫度傳感器主要數(shù)據(jù)接口是內(nèi)部數(shù)字邏輯模塊和前端模擬傳感器之間的接口。一種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方法是將溫度傳感器連接到內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器接口，該接口可以通過(guò)ISO/IEC 14443通信標(biāo)準(zhǔn)定義的TypeB調(diào)制方案進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入[11]。

本文所提出的RFID傳感器SoC由電源管理單元(PMU)、前端RFID、溫度傳感器和數(shù)字邏輯模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。PMU收集RF場(chǎng)能量并將其轉(zhuǎn)換為芯片的穩(wěn)定穩(wěn)壓電源電壓。整流器，帶隙濾波器和低壓差穩(wěn)壓器構(gòu)成主電源路徑。當(dāng)輸入功率過(guò)高時(shí)，功率限制器會(huì)限制電壓。上電復(fù)位電路(POR)在啟動(dòng)期間生成復(fù)位信號(hào)。

圖1 RFID溫度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID前端包括1個(gè)解調(diào)器、1個(gè)調(diào)制器和1個(gè)時(shí)鐘恢復(fù)電路[12-13]。解調(diào)器將調(diào)制后的RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而調(diào)制器將對(duì)載波信號(hào)的響應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。時(shí)鐘恢復(fù)模塊提取RFID載波頻率并將其按比例縮小到較低的頻率，以進(jìn)行系統(tǒng)操作。

數(shù)字邏輯模塊執(zhí)行接收到的RFID命令，并將響應(yīng)調(diào)制回載波。數(shù)字邏輯模塊包括協(xié)議引擎和閃存存儲(chǔ)器。溫度傳感器連接到閃存存儲(chǔ)器，可以使用RFID命令對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 溫度傳感器

低功耗溫度傳感器由1個(gè)延遲相位信號(hào)發(fā)生器和1個(gè)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)組成，如圖2所示。延遲發(fā)生器檢測(cè)芯片溫度并將其轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。TDC測(cè)量PWM信號(hào)的占空比，并在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)輸出相應(yīng)的數(shù)字溫度信號(hào)DOUT。

圖2 無(wú)源HF RFID溫度傳感器

與溫度有關(guān)的延遲發(fā)生器包含3個(gè)分別提供了偏置電流IB的路徑，如圖3所示。最右邊的路徑由C1和S1組成。打開(kāi)或關(guān)閉S1會(huì)使C1分別由IB充電或放電。中間路徑由二極管連接的雙極型晶體管Q1形成，產(chǎn)生電壓VBE1。左邊路徑由C2、S2和Q2組成。S2用于復(fù)位C2。Q2的發(fā)射極面積是Q1的n倍，并產(chǎn)生電壓VBE2。根據(jù)S3的位置，比較器將VC1或VC2與VBE1進(jìn)行比較。

圖3 與溫度有關(guān)的延遲發(fā)生器

通過(guò)同時(shí)復(fù)位C1和C2，然后用IB給C1充電直到VC1=VBE1，最后用IB給C2充電直到VC2=VBE1來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。圖4給出了相應(yīng)的電壓波形和開(kāi)關(guān)時(shí)序S1…3，以及PWM輸出信號(hào)。

圖4 延遲發(fā)生器內(nèi)部的波形和信號(hào)計(jì)時(shí)

t1+t2周期內(nèi)的t2占空比為

(1)

從式(1)得出，D(T)與溫度值成正比。

當(dāng)n=8，TCV,BE1≈-2 m/℃，TCV,BE1-V,BE2≈ln(n)·0.087 mV/℃，可得到m≈11。當(dāng)T∈[0 ℃，125 ℃]，VBG≈1.2 V，D(T)的變化范圍為45.3%至66%。瞬態(tài)信號(hào)s1及其對(duì)應(yīng)的占空比與溫度成比例變化。

基于保持較低功耗的考慮，本研究選擇1.2 V的電源電壓以實(shí)現(xiàn)片上數(shù)字信號(hào)處理。由于開(kāi)關(guān)在此電源電壓下承受了較大的非零導(dǎo)通電阻Ron，因此采用了自舉開(kāi)關(guān)來(lái)克服此問(wèn)題，如圖5a所示。該電路使用2條差分路徑來(lái)生成傳輸門(mén)的2個(gè)門(mén)電位。每個(gè)路徑中都使用1個(gè)電容器來(lái)存儲(chǔ)電荷并提高柵極電壓。每條路徑上的3個(gè)開(kāi)關(guān)使用2個(gè)相位，如圖5b和5c所示。如果輸入信號(hào)VINP為零，則上方路徑中的開(kāi)關(guān)S1和S3導(dǎo)通而S2關(guān)斷。當(dāng)輸出節(jié)點(diǎn)接地時(shí)，NMOS開(kāi)關(guān)的電容器充電至VDD。當(dāng)輸入電壓VINP切換到VDD時(shí)，開(kāi)關(guān)S1和S3關(guān)斷，S2導(dǎo)通。利用電容器中先前存儲(chǔ)的電荷，產(chǎn)生了VOUTP=2VDD的輸出電壓。PMOS開(kāi)關(guān)的下部路徑反之亦然。

圖5 電源單元的簡(jiǎn)化電路

溫度傳感器的仿真結(jié)果如圖6所示。在最初的1 ms內(nèi)，溫度傳感器處于待機(jī)模式。比較器輸入電壓VIN短路接地(如圖3所示)。1 ms后，溫度傳感器進(jìn)入操作模式。模擬電壓VIN和PWM信號(hào)s1的行為符合預(yù)期(如圖4所示)。每個(gè)周期的結(jié)束都用信號(hào)“準(zhǔn)備”指示，因此數(shù)字模塊可以讀出數(shù)字代碼，如圖6所示。傳感器啟動(dòng)后，數(shù)字模塊在時(shí)鐘邊沿讀取電流值，并控制總功耗。數(shù)字電源電流在很大程度上取決于時(shí)鐘頻率、電源電壓和溫度。數(shù)字模塊的平均功耗為2.4 μA，而模擬模塊的平均功耗為525 nA，這相當(dāng)于3.5 μW的功耗。轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.48 ms。

圖6 仿真結(jié)果

2.2 電源管理單元(PMU)

由于溫度傳感器對(duì)任何噪聲都敏感，因此模擬和數(shù)字電路的電源VDDA和VDDD分開(kāi)，如圖7所示。每個(gè)電源路徑均使用單獨(dú)的整流器[14-15]。整流器VDCA和VDCD的輸出電壓由2個(gè)限壓器和2個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)[16]設(shè)置。

圖7 PMU框圖

帶隙基準(zhǔn)電壓源作用于模擬電源路徑，以提供與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。PMU和前端必須在與溫度傳感器相同的溫度范圍內(nèi)工作，它們的功能和功耗必須與溫度無(wú)關(guān)。因此，PMU電路的偏置電流應(yīng)具有零溫度系數(shù)，即零偏置。

零偏置電流源如圖8所示。Q1和R1是生成零偏置電流的主要部分?；鶚O-發(fā)射極電壓(VBE1)具有負(fù)溫度系數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，多晶硅電阻的偏置(也為負(fù))用于補(bǔ)償VBE1的偏置。通過(guò)優(yōu)選二極管的數(shù)量和電阻的尺寸，可以消除VBE1和R1的偏置。晶體管M1至M7形成具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，其使電壓VBE1和VR1保持相同。晶體管M1至M4形成差分電流輸入放大器。VBE1和VR1之間的任何電壓失配都會(huì)在M1和M4之間產(chǎn)生電流失配。電流流經(jīng)M6和M7，產(chǎn)生M5的柵極電壓。然后，M5的電流調(diào)節(jié)VBE1和VR1，直到它們相同為止。該電路的優(yōu)點(diǎn)是流經(jīng)Q1和R1的電流被運(yùn)算放大器完全重用，這導(dǎo)致電流消耗降到最小。圖8左側(cè)為啟動(dòng)電路。在電路啟動(dòng)之前，VR1非常小?？刂齐妷篤ctl跟隨電源電壓VDCA產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，這迫使M5的柵極電壓下降。啟動(dòng)后，Vctl接地，并關(guān)閉M10。啟動(dòng)電壓和電流閾值分別由電阻器R2和R3設(shè)置。

圖8 零偏置電流源

在ISO 14443 B型RFID通信中，使用幅度調(diào)制將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐?biāo)簽，如圖9所示。盡管可以很容易地解調(diào)出不同的幅度，但直流電壓VDCA和VDCD也取決于輸入幅度，因此，LDO是PMU的重要模塊。

圖9 幅度調(diào)制會(huì)導(dǎo)致整流后的電源電壓產(chǎn)生紋波

連接到VDCA的LDO為溫度傳感器生成穩(wěn)定的電源電壓VDDA。由于LDO僅提供芯片內(nèi)部的低功耗模塊，因此LDO也必須是低功耗的。

所設(shè)計(jì)的LDO拓?fù)淙鐖D10所示。該拓?fù)渲械闹鲗?dǎo)點(diǎn)是由運(yùn)算放大器A1和電容器C1產(chǎn)生的，或者由傳輸晶體管M1和負(fù)載決定的。為了確保穩(wěn)定性和低功耗，用A1和C1構(gòu)成主導(dǎo)極。由于A1的輸出電阻與功耗成反比，因此A1的低電流實(shí)現(xiàn)方式自然會(huì)導(dǎo)致主導(dǎo)極的低頻。在此設(shè)計(jì)中，A1的總電流消耗為430 nA，并具有足夠的穩(wěn)定性裕度和C1的最小面積。

圖10 LDO架構(gòu)的簡(jiǎn)化電路

已有研究表明，溫度傳感器的性能會(huì)受到電源噪聲的影響。在RFID應(yīng)用中，電源電壓VDDA受LDO的幅度調(diào)制和受限電源抑制(PSR)的影響而受到通信干擾的影響。因此，有必要分析LDO的PSR，如圖11a所示。從DC到700 Hz，PSR約為-43 dB，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)，由A1和M1組成的負(fù)反饋(如圖10所示)調(diào)節(jié)輸出電壓VDDA。PSR從700 Hz上升到200 kHz，因?yàn)榉答伒拈_(kāi)環(huán)增益在該范圍內(nèi)下降，因此調(diào)節(jié)變得更弱。在200 kHz時(shí)，PSR達(dá)到2.7 dB。在超過(guò)200 kHz的頻率下，M1的寄生電容器CDS成為主要阻抗，PSR在70 MHz時(shí)達(dá)到-45 dB。

常見(jiàn)的RFID信號(hào)帶寬在100 kHz～1 MHz之間。在此頻帶中，LDO會(huì)在溫度傳感器上產(chǎn)生大量的電源噪聲。在圖11所示的瞬態(tài)仿真結(jié)果中，將±100 mV的幅度應(yīng)用于VDCA。在VDDA上產(chǎn)生了預(yù)期的±160 mV的紋波，這證實(shí)了PSR仿真結(jié)果。

圖11 LDO的仿真結(jié)果

2.3 RFID前端電路

RFID前端電路將ASK調(diào)制從載波信號(hào)提取到數(shù)字信號(hào)，然后再次調(diào)制對(duì)載波信號(hào)的響應(yīng)。解調(diào)器利用比較器檢測(cè)高電平或低電平的RF幅度。調(diào)制器基本上是CMOS開(kāi)關(guān)。

2.4 數(shù)字模塊

該無(wú)源HF RFID標(biāo)簽的數(shù)字模塊的簡(jiǎn)化架構(gòu)如圖12所示。該模塊包括一個(gè)協(xié)議引擎，用于解碼接收到的數(shù)據(jù)并編碼所發(fā)送的數(shù)據(jù)；用于不同模塊之間的通信接口；數(shù)據(jù)處理的控制模塊；用于存儲(chǔ)配置位的寄存器陣列；以及時(shí)鐘管理模塊。管理子模塊，用于動(dòng)態(tài)控制數(shù)字模塊的功耗。數(shù)字模塊的主要功能包括從模擬前端接收解調(diào)的信息，并執(zhí)行解碼和命令操作。一旦信息被處理，數(shù)據(jù)就被調(diào)制回RFID讀取器。該數(shù)字通信協(xié)議與ISO/IEC 14443 B型兼容。

圖12 數(shù)字模塊

由于RFID標(biāo)簽為無(wú)源的，因此需要借助時(shí)鐘管理降低數(shù)字模塊的動(dòng)態(tài)功耗。時(shí)鐘模塊可自適應(yīng)且動(dòng)態(tài)地控制內(nèi)部數(shù)字模塊的操作，從而顯著降低數(shù)字模塊的功耗。當(dāng)標(biāo)簽在接收狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，僅解碼器塊被激活，而所有其余模塊均被關(guān)閉。一旦信息已被解碼器成功解碼，則在控制塊中處理接收到的信息。在此期間，解碼器和編碼器模塊不工作。最后，編碼器模塊被激活以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并通過(guò)負(fù)載調(diào)制將其發(fā)送回讀取器。

2.5 串行讀出命令

由于溫度傳感器對(duì)電源干擾的靈敏度非常高，因此開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)級(jí)解決方案，用于啟用單個(gè)命令來(lái)記錄和傳輸一系列測(cè)量值。圖13顯示了標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)和串行讀數(shù)情況下的讀出命令、電源電壓噪聲(VDDA)、傳感器輸出(PWM，數(shù)據(jù)就緒)和RFID傳感器標(biāo)簽的響應(yīng)之間的時(shí)序關(guān)系。發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)命令后，溫度信息將以一種動(dòng)作返回給讀取器。相反，在串行讀出命令之后，將許多組溫度數(shù)據(jù)返回到讀出設(shè)備。在這2種情況下，通過(guò)PWM信號(hào)的活動(dòng)可以看出溫度傳感器都已在讀取命令發(fā)出之前打開(kāi)，每次測(cè)量完成并且有一個(gè)新的測(cè)量值準(zhǔn)備傳輸時(shí)，都會(huì)顯示信號(hào)“Data Ready”。

圖13 讀出命令和標(biāo)簽響應(yīng)的信號(hào)波形

圖13a顯示了并行讀出命令的傳輸如何使接下來(lái)要發(fā)送的測(cè)量值失真。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電源電壓VDDA上產(chǎn)生的噪聲會(huì)導(dǎo)致PWM信號(hào)上升沿出現(xiàn)誤差，從而改變比率。因此在使用并行讀出方法的單次讀取的情況下，來(lái)自RFID的響應(yīng)始終受到干擾的影響。

圖13b顯示了對(duì)串行讀出命令的響應(yīng)，該命令要求將幾組數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送到讀取器。由圖13b可以清楚地看到，第2次響應(yīng)之后到達(dá)的數(shù)據(jù)不受讀取命令引起的電壓干擾的影響，因?yàn)榇藭r(shí)沒(méi)有來(lái)自讀取器的HF通信。由于在響應(yīng)時(shí)標(biāo)簽通信產(chǎn)生的電源噪聲，因此在第2次響應(yīng)之后仍然存在錯(cuò)誤，但是這種噪聲對(duì)測(cè)量的影響要小得多。此外，RFID讀取器能夠?qū)σ幌盗袀鬏數(shù)闹祽?yīng)用平均過(guò)程，從而大大減少了殘留的不精確度，以至于幾乎不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

RFID溫度傳感器SoC已采用具有4個(gè)金屬層的0.35 μm CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖14所示。整個(gè)芯片約占5.06 mm2，包括許多僅用于測(cè)量目的的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)試墊。RFID PMU、前端電路、溫度傳感器和數(shù)字邏輯模塊分別使用大約0.56 mm2、0.23 mm2、0.85 mm2和0.5 mm2的有效區(qū)域。

圖14 測(cè)試芯片

為了高效、精確地測(cè)量RFID溫度傳感器，使用板載芯片(COB)技術(shù)將芯片直接安裝在1.4 mm的鋁芯上，以實(shí)現(xiàn)最小的熱阻，如圖15所示。將最上面的0.2 mm FR4層碾磨開(kāi)，露出鋁芯，通過(guò)導(dǎo)熱粘合劑將管芯粘合到鋁芯上。在芯片附近，預(yù)留位置用于Pt1000參考溫度傳感器。四線制Pt1000電阻器也與鋁芯具有良好的熱接觸，因此Pt1000與芯片共享相同的溫度。最后，芯片用環(huán)氧樹(shù)脂密封。來(lái)自所有引腳的信號(hào)都通過(guò)連接器被測(cè)量。

圖15 板載芯片組件

測(cè)量設(shè)置如圖16所示。連接了外部線圈和調(diào)諧電容進(jìn)行RFID通信，因?yàn)樗鼈兾丛谛酒蠈?shí)現(xiàn)。不需要其他外部組件，這有助于最小化最終組件的尺寸和成本?；赥I TRF7970A的RFID讀取器模塊用于與芯片進(jìn)行通信。閱讀器模塊上的MCU已編程為檢測(cè)溫度傳感器并控制讀取過(guò)程。讀出的數(shù)據(jù)通過(guò)USB端口記錄下來(lái)，進(jìn)行下一步的信號(hào)處理。通過(guò)測(cè)量設(shè)置并行讀取Pt1000參考傳感器，同時(shí)RFID讀取器連續(xù)接收數(shù)據(jù)。

圖16 測(cè)量設(shè)置

通信和電源測(cè)量在室溫下進(jìn)行。為了支持自定義RFID命令，使用了TRF7970A讀取器的直接模式(沒(méi)有ISO/IEC 14443 B中定義的協(xié)議處理的透明通信)。圖17a顯示了用示波器采樣的命令和響應(yīng)位流。首先，讀取器的RF信號(hào)被激活。然后，將以下4個(gè)命令發(fā)送到標(biāo)簽：溫度傳感器輸出設(shè)置、傳感器開(kāi)機(jī)加電、傳感器啟動(dòng)測(cè)量以及傳感器數(shù)據(jù)讀取。由圖17a可以看出，在串行讀取命令之后，標(biāo)簽開(kāi)始傳輸傳感器數(shù)據(jù)，直到RF電源關(guān)閉。圖17b顯示了第1個(gè)命令執(zhí)行的細(xì)節(jié)。

圖17 測(cè)試芯片的通信和電源測(cè)量結(jié)果

在圖18中，顯示了RFID標(biāo)簽側(cè)的片上通信信號(hào)和電源電壓。圖18中的3個(gè)階段分別是空閑階段、命令階段和響應(yīng)階段。在將命令提供給標(biāo)簽之前，標(biāo)簽處于空閑階段。在空閑階段，VDCA和VDDA的電源噪聲最小，其峰值幅度小于25 mV。發(fā)出命令后，VDCA和VDDA分別受到300 mV和540 mV峰幅度的干擾。在響應(yīng)階段，VDCA和VDDA分別受到150 mV和120 mV峰幅度的干擾。由圖18可以看出，該命令產(chǎn)生的干擾幅度比響應(yīng)高得多。

圖18 標(biāo)簽側(cè)的通信和電源管理電壓VDCA和VDDA

并行讀取與串行讀取2種溫度讀數(shù)命令的對(duì)比如圖19所示。圖19a和圖19b均顯示了1 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均在室溫下記錄。并行讀數(shù)的測(cè)量溫度范圍為-3 ～38 ℃。串行讀出的測(cè)量范圍降低到20 ～23 ℃。并行讀數(shù)的響應(yīng)顯示出更具確定性的類(lèi)似周期的行為，而串行讀數(shù)似乎更加隨機(jī)。這表明并行讀數(shù)響應(yīng)受電源干擾的支配，電源干擾與命令同步。另一方面，串行讀數(shù)響應(yīng)可避免數(shù)據(jù)失真并顯示相應(yīng)的傳感器噪聲本身?？偠灾褂貌⑿凶x數(shù)時(shí)，RFID溫度傳感器SoC的未校準(zhǔn)分辨率為9.0 ℃，而串行讀數(shù)的分辨率為0.6 ℃，串行讀數(shù)將分辨率提高了約16倍。

圖19 2種溫度讀數(shù)方式的對(duì)比

SoC精度的測(cè)量是通過(guò)在溫度腔室內(nèi)放置一塊額外的PCB進(jìn)行的，如圖20所示。COB組件安裝在電路板上，該板提供到標(biāo)簽線圈牢固的機(jī)械和電氣連接以及到自定義讀取器線圈穩(wěn)定的RFID無(wú)線連接。使用5 Ω高溫范圍的扁平帶狀電纜，將讀取器線圈連接到溫度腔室內(nèi)的讀取器。腔室內(nèi)溫度配置為在1 h內(nèi)從0 ℃升高到125 ℃的斜坡函數(shù)。來(lái)自RFID溫度傳感器和Pt1000電阻器的數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用的Labview程序同時(shí)記錄。

圖20 SoC精度測(cè)量配置

使用9個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量。校準(zhǔn)前的測(cè)量結(jié)果如圖21a所示。由過(guò)程變化引起的9個(gè)樣本的誤差分布在±8.0 ℃的范圍內(nèi)。由于誤差幾乎與溫度成線性關(guān)系，因此可以通過(guò)在20 ℃和100 ℃下進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償誤差。在圖21b中，誤差間隔減小到±0.2 ℃。計(jì)算得出的3σ誤差在0～125 ℃范圍內(nèi)為±0.4 ℃。

圖21 校準(zhǔn)前后的誤差對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)出一種完全無(wú)源的RFID無(wú)線溫度傳感器SoC設(shè)計(jì)，并以標(biāo)準(zhǔn)的0.35 μm CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試芯片。該傳感器將溫度轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，使用TDC測(cè)量PWM信號(hào)的占空比，并將其轉(zhuǎn)換相應(yīng)的數(shù)字代碼。在上述過(guò)程中，該溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了3.5 μW的低功耗。PMU從磁場(chǎng)中獲取交流電并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源電壓。在標(biāo)簽讀取器與標(biāo)簽進(jìn)行通信的命令階段，由于PMU中產(chǎn)生電源噪聲降低了溫度傳感器的輸出精度，為此通過(guò)基于串行讀取命令的解決方案，降低了電源噪聲對(duì)輸出信號(hào)的干擾。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用串行讀出命令時(shí)，RFID傳感器可實(shí)現(xiàn)0.6 ℃的分辨率。RFID傳感器可在0 ～125 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，并且通過(guò)兩點(diǎn)校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)±0.4 ℃的3σ傳感精度。由此可見(jiàn)，該傳感器具有低功率、高精度和低成本的優(yōu)點(diǎn)，適用于構(gòu)建WSN實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人值守變電站的的環(huán)境溫度和關(guān)鍵電力設(shè)備溫度進(jìn)行低成本和高精度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。