4.6.1 無源傳感標簽的發(fā)展和特點

在一個超高頻RFID系統(tǒng)中，標簽在大多數(shù)情況下處于被動狀態(tài)，只有閱讀器對標簽進行盤點才能獲得標簽的數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的無源RFID標簽功能非常簡單，只能提供簡單的ID號碼。然而RFID無源傳感系統(tǒng)很多時候需要通過RFID管理和控制一些傳感器設備，從傳統(tǒng)的RFID標簽到具有管理控制能力的無源傳感標簽之間有一定的距離。經(jīng)過十幾年的努力，這條路終于走通了，它的發(fā)展有如下幾個方向：傳統(tǒng)無源超高頻RFID標簽、帶有簡單接口功能的標簽、內(nèi)置溫度傳感器的標簽、內(nèi)置處理器及數(shù)字接口的標簽、內(nèi)置ADC及處理器的標簽。

1.帶有簡單接口功能的標簽

帶有簡單接口功能的標簽在2010~2012年量產(chǎn)問世，如NXP的G2iL+和Impinj的Monza-X系列。其特點是具有簡單接口，但是無法獲取傳感數(shù)據(jù)，且如果開啟IIC等數(shù)字通信接口需要外接電源，無法實現(xiàn)無源無線傳感。這些標簽帶有數(shù)字通信的接口一般只能作為從機使用，需要外置MCU控制，無法實現(xiàn)無源無線管理。

從芯片設計的角度分析，帶有簡單接口功能的標簽只是在傳統(tǒng)的超高頻RFID標簽芯片設計上做了一些小的改動。

（1）IO接口

新增芯片內(nèi)部的輸入輸出端口（IO接口），連接到新的管腳。原有的超高頻RFID標簽芯片只有兩個有效管腳RF+和RF-，新增IO接口后管腳至少擴展到4個，如新增Pout和Pin。

其中Pout的作用是輸出一個高或低的電平，觸發(fā)或啟動外部設備，可以通過無線通信的方式控制Pout的0/1數(shù)值；Pin的作用是接收外部設備的電平，判斷是高或低，再通過無線的方式傳輸出去。

4.3.5節(jié)中介紹的鉛封功能，就是在芯片的Pout口輸出高電平1，然后判斷Pin接口的高低電平。如果Pout和Pin是電氣連接的，那么Pin口的電平為高，同理如果兩個接口之間的連接斷開則Pin口接收到的電平為低，系統(tǒng)可以通過Pin口的電平判斷鉛封的狀態(tài)。

在連接外部設備的時候，可以采集1比特的外部設備狀態(tài)以及提供1比特的外部控制。如Pin口連接一個外部設備，閱讀器不斷與該標簽通信并不斷獲取外部設備連接的Pin口參數(shù)，當外部設備啟動或完成工作對Pin口輸出高電平時，閱讀器可以快速獲得。同理，閱讀器可以通過無線Pout口可以觸發(fā)一個外部設備工作或停止。

（2）電源管理

改變原有的電源管理模塊，普通標簽芯片的電源管理模塊只為芯片內(nèi)部的各個部分提供能量，無法為外部設備供電，也無法使用外部電池供電。新的電源管理模塊在支持原有普通標簽芯片的功能外，新增了外部電源輔助功能和輸出電源功能。

其中電池輔助功能可以為芯片提供能量，當外接輔助電池且啟動該功能時，芯片的射頻電路、存儲電路、數(shù)字邏輯電路等部分的供電均來自外部電池，可以大幅提高芯片的靈敏度，靈敏度的極限由原來的功率受限（正向受限）變?yōu)殚喿x器靈敏度受限（反向受限）。此時芯片的讀和寫靈敏度是相同的，由標簽芯片的解調(diào)靈敏度決定；而普通標簽讀和寫靈敏度有一定的差別，是由于寫操作時存儲器的功耗遠大于讀時的功耗。

具有外部電池輔助功能后，芯片可以提供更大的驅(qū)動能力，從而可以支持IIC等功耗較大的數(shù)字電路，同時可以輸出帶有一定驅(qū)動能力的穩(wěn)壓電源，給其他外部設備供電。新的芯片在沒有外部電池供電時，也可以提供一個能量較小的輸出驅(qū)動電壓源，其負載能力較弱，可以在較近距離點亮一個LED燈，該應用也已經(jīng)有不錯的擴展，如在一批標簽中指定一個或多個具有特性的標簽點亮LED，方便人工尋找。

（3）數(shù)字接口

新增數(shù)字接口，普通的標簽芯片只具備無線通信的數(shù)據(jù)交互能力，當芯片配合外部設備工作時，僅僅通過1比特的通信是不夠的，最簡單的方式是增加數(shù)字接口。

此類芯片常用的數(shù)字接口為IIC；IIC（Inter-IntegratedCircuit）其實是IIC Bus簡稱，所以中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構。IIC串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有接到IIC總線設備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。

帶有數(shù)字接口的芯片可以實現(xiàn)雙通道通信，無線通道與閱讀器通信，數(shù)字有線通道與外接設備通信。由于標簽芯片為了省電一般只支持數(shù)字接口的從機，整個系統(tǒng)的通信過程有些復雜。具體操作為，外部設備可以通過數(shù)字接口對芯片內(nèi)部的存儲區(qū)進行讀寫操作，同樣閱讀器可以通過無線通道對芯片內(nèi)部的同樣存儲區(qū)進行操作。當外部設備完成某項工作時或有其它主動要求時，將數(shù)據(jù)卸載到存儲區(qū)的指定位置，閱讀器周期性的讀取標簽，并獲取該區(qū)域的數(shù)據(jù)，從而獲得外部設備的狀態(tài)或命令；同時當應用層需要外部設備執(zhí)行某項命令時，可以通過閱讀器在標簽的存儲區(qū)的指定位置寫入特定數(shù)據(jù)；外部設備周期性的通過數(shù)字接口識別芯片的存儲區(qū)域，獲得應用的需求從而執(zhí)行。如此的雙向通信方式，標簽芯片作為一個接口轉(zhuǎn)換器，將原有只具備有線通信的設備改造為無線通信控制的設備。

當然采用其它的無線技術也可以實現(xiàn)有線到無線的通信改造，這里要注意的是只有小型化、超低功耗、低成本且大量的物聯(lián)網(wǎng)設備需要改造時采用該方案才具有優(yōu)勢。

總的來說，帶有簡單功能接口的標簽芯片開發(fā)較為簡單，且都使用傳統(tǒng)技術，只是原有標簽芯片的簡單升級。從應用的角度看，可以實現(xiàn)一些如鉛封和點燈等簡單創(chuàng)新應用，對于傳感器的集成和應用的便利性只是一個中間狀態(tài)的產(chǎn)品。

2.內(nèi)置溫度傳感器的標簽

內(nèi)置溫度傳感器的超高頻RFID標簽芯片這個概念在2005年就已經(jīng)提出，筆者就讀的香港科技大學模擬芯片實驗室就是在2005年開始承接當?shù)卣奈锪鳒y溫超高頻RFID芯片項目的，然而其大規(guī)模量產(chǎn)要等到10年后的2015年。內(nèi)置溫度傳感器的標簽一直是RFID與傳感器結合的熱門話題，最初的目標市場是冷鏈應用。不過至今冷鏈市場中RFID的用量都不大，更別提帶有溫度傳感器的RFID標簽了。所以內(nèi)置溫度傳感器的標簽市場重心轉(zhuǎn)為工業(yè)領域，尤其是超高溫等無法使用電池供電的無線測溫場景，如電力溫度監(jiān)控等，取得了一定的成功。

測溫是超高頻RFID標簽最容易實現(xiàn)的芯片集成功能；壓力相關的傳感器一般需要機械結構的支持（如采用MEMS技術），濕度相關的傳感器同樣需要結構電容的參與，一般采用柵狀結構實現(xiàn)，不過在超高頻RFID標簽中可以合理利用天線設計實現(xiàn)，其他類型的傳感器則需要更多芯片和結構的支持，很難集成到一顆標簽芯片內(nèi)部。同時溫度傳感器也作為其它傳感器校準使用的基礎參數(shù)，許多傳感器的精度都需要通過溫度進行計算和校準，如濕度、壓強等傳感器都需要先采集到溫度數(shù)據(jù)，再進行運算才可以得到精確的數(shù)值。

內(nèi)置溫度傳感器的標簽芯片與普通的標簽芯片在外觀上完全相同，同樣只是兩個有效管腳RF+和RF-，在封裝工藝上也是相同的，同時支持wafer級的倒封裝和SOT/QFN的回流焊封裝以及特種標簽的SIP封裝。不同點在于內(nèi)置溫度傳感器的標簽由于應用場景不同，使用的工藝不同。如需要使用在電力等高溫環(huán)境中，則不能使用傳統(tǒng)的倒封裝工藝以及PET基材，需要使用陶瓷基材的銀漿標簽配合SIP封裝或回流焊工藝。此外，倒封裝工藝熱壓時，會改變芯片的一些物理特性，對溫度的精度有所影響，但對于冷鏈等精度要求并不高的應用勉強可以接受，但對于精度要求較高的人體、動物測溫等，不建議采用倒封裝技術。

從芯片設計的角度分析，內(nèi)置溫度傳感器的標簽芯片主要做了兩點創(chuàng)新，分別是電源管理部分和低功耗的溫度傳感器。

（1）電源管理部分

一般情況下，內(nèi)置溫度傳感器的標簽芯片面積比傳統(tǒng)的標簽芯片面積要大很多，這部分增加的面積并不是因為新增溫度傳感器而，而主要是由電源管理模塊增加的。普通標簽芯片的電源管理部分為了節(jié)約面積（面積決定成本），其結構非常簡單。而帶有溫度傳感器的標簽芯片需要穩(wěn)定工作在高低溫場景中，尤其是在高達150℃的高溫環(huán)境中時，芯片內(nèi)部器件的特性都會發(fā)生很大的變化。普通的標簽芯片由于系統(tǒng)漏電等原因，在超過85℃時其性能急劇下降，還沒有到達100℃就無法工作了。與此同時，內(nèi)置的溫度傳感器需要一個非常準確的基準電壓，這個電壓要求大范圍溫度段內(nèi)要有較好的一致性。在工業(yè)場景中，系統(tǒng)對于穩(wěn)定性的要求非常高，需要芯片具有很強的魯棒性。

基于上述原因，整個芯片的電源管理部分需要完全重新設計，并在高溫和常溫的特性上尋找一個相對平衡的靈敏度曲線，在穩(wěn)定性，在成本和性能上取折衷點。

（2）內(nèi)置溫度傳感器

溫度傳感器是最常見的傳感器，用芯片實現(xiàn)溫度傳感器也是通用技術，不過采用超高頻RFID技術的內(nèi)置溫度傳感需要實現(xiàn)低功耗和小尺寸的特點。

最簡單實現(xiàn)方式是通過兩個不同特性的震蕩時鐘計數(shù)轉(zhuǎn)換為對應的溫度。由于半導體工藝中的器件具有隨溫度變化，根據(jù)相應的變化曲線，可以構造一個環(huán)形振蕩器A，其振蕩頻率隨溫度變化，再構造一個不隨溫度變化的標準振蕩器B（振蕩器B的頻率遠高于振蕩器A），用標準振蕩器B采集振蕩器A，可以得到一個A的周期內(nèi)存在多少個B的周期，從而通過公式可以計算出對應的當前溫度。

由于半導體在生產(chǎn)過程中存在工藝偏差，需要在芯片測試的時候進行校準，達到預期的溫度精度。不同應用的標簽芯片需要校準的溫度范圍和校準方法略有不同，一般情況下精度要求越高或測溫范圍越大，其校準難度越大、校準時間越長、成本也越高。普通的溫度計和體溫計都是需要經(jīng)過校準的，相比而言，內(nèi)置溫度傳感器的標簽在批量校準時具有優(yōu)勢。

內(nèi)置溫度傳感器的精度還跟接收到的閱讀器功率以及自身封裝有關。當閱讀器輸出功率變化或到標簽的距離變化時，標簽收到的功率發(fā)生變化，從而影響振蕩器的頻率。如國外某品牌的溫度傳感標簽在不同輸入功率下溫度相差7度之多，他們只能通過閱讀器變化輸出功率，多次采集數(shù)據(jù)后算法優(yōu)化的方式獲得改進溫度數(shù)據(jù)，即使有所改善，誤差仍然很大。優(yōu)秀的電源管理模塊和消除壓力影響的振蕩器設計會有很大改善，但依然會產(chǎn)生0.1-0.2度的誤差。

標簽的封裝與實際的測溫有很大的相關性，這里需要考慮的三個參數(shù)是自發(fā)熱、熱源傳導特性和散熱性。

• 自發(fā)熱顧名思義是芯片在工作的時候接收到閱讀器的電磁波轉(zhuǎn)化為電能支持系統(tǒng)工作，與此同時，多余的能量會導致內(nèi)部損耗引起自發(fā)熱。系統(tǒng)所需要的能量是固定的，標簽芯片收到的能量越大，多余的能量就越大，自發(fā)熱就越明顯。當閱讀器持續(xù)不斷的發(fā)射較大的電磁波給標簽供電時，芯片的自發(fā)熱就會比較明顯，從而導致測試溫度高于實際環(huán)境溫度。解決該問題的手段有減小盤點次數(shù)、控制標簽輸入功率、標簽封裝采用較好的散熱或采用內(nèi)置ADC配合外置溫度傳感器的方案。

• 熱源傳導特性是指需要測溫的熱源需要將熱量傳遞到標簽芯片中，這個熱傳遞過程的效率非常關鍵。如果熱源傳遞到測溫標簽芯片時的溫度與熱源不相同，或傳遞時間過長（跟溫性差）都會影響系統(tǒng)測溫結果。采用良好的導熱材料和封裝技術是解決該問題的關鍵點。

• 散熱性也是測溫標簽需要重點關注的，在許多應用中，熱源的溫度與環(huán)境的溫差很大，標簽芯片獲得的熱源傳導能量很容易受到環(huán)境溫度的影響。

在實際應用中應該綜合考慮實際應用環(huán)境，在自發(fā)熱、熱源傳導特性和散熱性幾個方面折衷的設計方案，有的時候還需要通過一些公式進行優(yōu)化。通過數(shù)據(jù)處理，可以實現(xiàn)更多功能，如在電力應用中當前的溫度度數(shù)可能是幾分鐘前的實際溫度，異常的溫度變化趨勢有時表現(xiàn)為設備的異常預警。

市場中一些特種標簽，并不需要測溫，但要求在高溫工作時依然有一定的性能保證，傳統(tǒng)的標簽芯片在高溫時完全無法工作，也可以采用這種耐高溫高的內(nèi)置溫度傳感器的標簽。內(nèi)置溫度傳感器的標簽應用也越來越多，如人體測溫、動物測溫等新的應用層出不窮，后續(xù)的發(fā)展趨勢圍繞封裝工藝和標簽溫度校準的開發(fā)和創(chuàng)新。

3.內(nèi)置處理器及數(shù)字接口的標簽

由于帶有簡單接口功能的標簽只能作為從機使用，無法主動地管理外部多種復雜的傳感器。尤其是一些需要本地運算的傳感器，如果把原始數(shù)據(jù)都存儲在標簽芯片的存儲區(qū)，再由閱讀器讀取后傳遞給應用層運算，其芯片的存儲空間需要幾百KB，且傳輸?shù)倪^程也需要很多時間，因此迫切的需要一種帶有運算功能的標簽芯片。傳統(tǒng)的有源無線傳感產(chǎn)品，都是通過微控制單元（Micro-Controller Unit，MCU）控制傳感器，并通過有源無線技術傳輸出去。一些企業(yè)就將這套傳統(tǒng)方案移植到了超高頻RFID標簽芯片系統(tǒng)中，將MCU中嵌入標簽系統(tǒng)中。

市場上的傳感器集成度越來越高，多數(shù)采用SPI數(shù)字接口與MCU通信。SPI，是英語SerialPeripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。因此內(nèi)置處理器及數(shù)字接口的標簽芯片采用了SPI接口。由于系統(tǒng)中有時候需要MCU控制傳感器，有時候需要被控制，該芯片的SPI接口可以作為主機也可以作為從機。由于一些傳感器的功耗比較大，只是依靠標簽的供電是不夠的，需要外部的供電，因此該芯片具有外接電源的能力，且需要具備超低功耗電池接口的管理能力。

內(nèi)置處理器及數(shù)字接口的標簽的雛形已經(jīng)出來近十年時間，但市場的拓展并不順利，主要原因是由于其靈敏度較差，無法在較遠的范圍內(nèi)工作。由于芯片內(nèi)部具有數(shù)字接口，其功耗較高，再加上需要給外部傳感器供電（外部傳感器功耗最大的部分也是數(shù)字通信接口），最終導致標簽接收到的能量不夠，只能通過調(diào)整閱讀器與標簽之間的距離增加能量強度從而提供更大的電流。當使用外部電池供電時，對比傳統(tǒng)的無線傳感方案沒有優(yōu)勢，傳統(tǒng)的無線方案可以將信號傳播到幾百米外的接收機，而本方案的標簽在電池輔助的情況下，工作距離也不超過20米。

即使工作距離很近，對于一些只能使用無源傳感的應用，最終不得不選擇內(nèi)置處理器及數(shù)字接口的標簽技術，尤其是項目中指定為某種SPI接口的傳感器。

4.內(nèi)置ADC及處理器的標簽

基于內(nèi)置處理器及數(shù)字接口標簽芯片存在功耗大、距離近的問題，國內(nèi)的一家無源無線傳感公司開發(fā)了內(nèi)置ADC及處理器的標簽芯片。

在分析內(nèi)置處理器及數(shù)字接口的標簽芯片時發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)功耗最大的部分是芯片內(nèi)部的SPI數(shù)字接口和傳感器內(nèi)部的數(shù)字接口。一個帶有數(shù)字接口的傳感器內(nèi)部有以下幾個部分：模擬傳感器件部分、信號放大器部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC部分、數(shù)字處理部分。一次傳感器的數(shù)據(jù)采集過程為，閱讀器通過無線命令告知標簽芯片啟動傳感器采集；標簽芯片給傳感器供電并通過SPI接口啟動傳感器芯片；模擬傳感器件部分輸出電壓或電流參數(shù)；信號放大器部分將模擬傳感器輸出的信號放大；模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC部分將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)字處理部分將數(shù)據(jù)處理并通過SPI接口傳給標簽芯片。從上述的傳感器數(shù)據(jù)傳輸過程中可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中兩次用到SPI接口，而真正的有效數(shù)據(jù)與SPI接口無關，但系統(tǒng)需要給標簽芯片和傳感芯片的兩個SPI數(shù)字部分供電（低功耗模式下SPI的功耗為幾個uA）。如果將兩顆芯片的SPI數(shù)字接口去除，則系統(tǒng)仍然是完整的，只是無法將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐撕炐酒?。如圖4-85所示，如果將上述信號放大器部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC部分、數(shù)字處理部分都放在標簽芯片內(nèi)，則既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，又可以實現(xiàn)低功耗，只是從原來的SPI數(shù)字接口改為現(xiàn)在的模擬接口。

具有內(nèi)置ADC及處理器的標簽芯片是2018年左右才出現(xiàn)的全新無源無線產(chǎn)品，具有低功耗、傳感器適配性強等優(yōu)點。在一些數(shù)字傳感器芯片中已經(jīng)集成了溫度傳感器，是為了精度校準，而采用模擬傳感器件后就需要額外的溫度傳感器進行校準，因此標簽芯片集成了溫度傳感，當然也可以通過模擬接口連接外接的溫度傳感器實現(xiàn)溫度校準的功能。其可以連接的傳感器種類也非常多，包括溫度傳感器、氣壓傳感器、應力/壓力傳感器、亮度傳感器、濕度傳感器等。

具有內(nèi)置ADC及處理器的標簽芯片是行業(yè)的創(chuàng)新，主要應用于復雜的工業(yè)控制采集環(huán)境中，如重型機械軸承管理、超高溫（300℃）環(huán)境測測溫、建筑應力管理等。

4.6.2 無源傳感芯片詳解

為了方便讀者深入了解無源傳感標簽的技術特點，本節(jié)將對四款芯片進行剖析，深入探究每種技術的優(yōu)缺點及技術實現(xiàn)方式。

1.簡單接口功能的標簽Monza X-2K

Monza X-2K是一款支持Gen2協(xié)議的超高頻RFID標簽芯片，其內(nèi)部集成2176比特的非易失性存儲單元（NonVolatile Memory，NVM）和IIC數(shù)字通信接口，是一款無線加有線的雙通道大容量的超高頻RFID芯片。

芯片特性：

如圖4-86所示，為MonzaX-2K芯片的應用示意圖，該芯片具有如下特點：

• 支持標準的EPCglobal和ISO18000-63協(xié)議，完全支持Gen2V2標準。

• 具有2176比特的NVM用戶區(qū)。

• 支持QT加密功能。

• 支持通過IIC的從機接口讀寫NVM數(shù)據(jù)。

• 支持IIC控制的射頻通路。

• 支持通過寫命令喚醒芯片。

• 支持單端或者雙端天線工作，單端靈敏度為-17dBm，雙端靈敏度為-19.5dBm。

• 支持輔助電源供電功能。

從上述特性中可以看出，其芯片結構與Monza 4芯片非常相似，如QT功能和3D天線功能，可以認為MonzaX-2K是在Monza 4的芯片基礎上開發(fā)的，其無源靈敏度略差于Monza 4芯片是因為其芯片的存儲空間變大了，存儲空間越大，系統(tǒng)的漏電流越大。Monza X-2K與Monza4芯片的不同點是增加了IIC接口和電源輸入。Monza X-2K只能作為IIC的從機，MCU可以通過操作MonzaX-2K芯片的存儲區(qū)實現(xiàn)與讀寫器的通信。不過在使用IIC通信時需要提供外部供電。當沒有外部供電時，整個芯片可以獨立實現(xiàn)超高頻RFID的所有標準功能。

在沒有電池輔助的無源狀態(tài)下，芯片的讀靈敏度為-17dBm，寫靈敏度為-12dBm，這與普通RFID芯片的讀寫靈敏度差值相符。當增加電池輔助功能后，Monza X-2K芯片的讀寫靈敏度（0℃到85℃）都變?yōu)?24dBm，這說明系統(tǒng)的靈敏度由接收電路的解調(diào)極限決定。當溫度降到0℃之下時，靈敏度降到-20dBm，這是由芯片工藝和設計決定的。該差異說明該芯片沒有做低溫補償?shù)碾娐吩O計。

Monza X-2K系統(tǒng)需要提供1.6V到3.6V的直流輸入才能驅(qū)動IIC接口的工作。在外部電池供電時，系統(tǒng)的寫操作時電流為100uA左右，而系統(tǒng)讀操作時的電流為15uA左右，系統(tǒng)空閑時的電流也是15uA左右。

芯片空閑時的漏電流非常大，如果電池一直供電，則系統(tǒng)的耗電問題會很嚴重。這也是早期的簡單接口功能標簽芯片的通病，由于內(nèi)部不具備低功耗管理機制，只能使用這種簡單的方式實現(xiàn)。因此在實際應用中很受限，需要外接的MCU控制給MonzaX-2K供電。

2.內(nèi)置溫度傳感器的標簽：浙江悅和科技的LTU32芯片

LTU32是一款符合EPCTMGlobal Class1 Gen2通信協(xié)議的無源無線溫度傳感芯片。芯片利用先進的超高頻無線電波能量收集（Energy Harvesting）技術，通過840MHz-960MHz的RF電磁波獲得能量。芯片內(nèi)置512比特可擦寫非易失性數(shù)據(jù)儲存單元（NVM），供存儲用戶信息等數(shù)據(jù)。射頻芯片通信接口支持EPC Global C1G2 v1.2通信接口，可搭配各型超高頻RFID讀寫設備搭建無源無線傳感系統(tǒng)。

（1）芯片介紹

如圖4-87所示，為LTU32芯片的模塊框圖，其內(nèi)部結構與普通標簽芯片相似，只是增加了溫度傳感器模塊，由數(shù)字控制模塊管理。

LTU32芯片的技術特點為：

• 芯片讀取靈敏度為-16dBm，溫度傳感時的靈敏度為-15.5dBm。

• EPC段存儲空間為96 bits；TID段存儲空間為128 bits，其中80 bits為芯片序列號。

• 使用全球領先的存儲器IP，25℃環(huán)境中重復擦寫次數(shù)高達100,000次，數(shù)據(jù)保存年限達100年。

• 支持SELSENSE功能，支持批量傳感操作，節(jié)省大量時間。

• 溫度傳感范圍為-40℃到150℃。

• 溫度傳感精度約為1℃，溫度傳感分辨率為0.01℃。

（2）內(nèi)置傳感器特性

隨著低功耗電路設計技術的發(fā)展以及更多應用場景的出現(xiàn)，集成在RFID標簽上的溫度傳感器不僅需要低功耗，傳感精度和分辨率等指標也需要與分立式傳感器相當。本傳感器溫度信號采用了非線性讀取，后端數(shù)字可根據(jù)預設參數(shù)實現(xiàn)快速的線性化，方便原始溫度數(shù)據(jù)讀出后與攝氏（華氏）溫度之間的轉(zhuǎn)換。

校準后（出廠后）關鍵區(qū)段溫度數(shù)據(jù)精度達到±1oC，全溫度段誤差曲線如圖4-88所示。具體芯片的溫度誤差曲線與實際校準相關，如只需要體溫段的精度，可以調(diào)整校準策略，實現(xiàn)體溫段0.1的精度。在-40℃到150℃的寬范圍內(nèi)很難實現(xiàn)各個區(qū)域都具有較高的溫度精度，如果希望全溫度范圍具有更好的溫度參數(shù)，需要在校準測試上花費更多成本。

（3）極限參數(shù)特性

如表3-9所示為LTU32系列芯片的極限參數(shù)特性表，其中需要注意的是，標簽存儲器的壽命與溫度相關，且溫度越高芯片壽命指數(shù)級下降。應盡量避免標簽長時間處于超高溫的環(huán)境中，如果實在無法避免高溫存儲環(huán)境，則可以定期的對存儲區(qū)的數(shù)據(jù)進行寫操作，加強存儲電荷的穩(wěn)定性，減小長時間高溫漏電導致的“0”“1”電平判別錯位的問題。

表3-9LTU32系列芯片的極限參數(shù)特性表

另外需要注意的是標簽芯片在不同溫度時的靈敏度也會發(fā)生變化。普通的標簽芯片一般靈敏度在25℃的環(huán)境中最佳，超過25℃后靈敏度會下降，當超過85℃時靈敏度下降非常厲害甚至無法工作。而LTU32芯片專門針對該問題做了芯片設計優(yōu)化，可以實現(xiàn)極限溫度時穩(wěn)定工作，只是此時的靈敏度較25℃有所下降。標簽的工作距離與溫度的關系，如圖4-89所示，在135℃的環(huán)境中，標簽依然可以達到最遠工作距離的40%。

（4）SELSENSE功能

為了方便LTU32系列芯片的推廣，其所有傳感指令都支持Gen2協(xié)議，只需要對普通的Gen2閱讀器進行簡單命令改造即可實現(xiàn)所有的測溫命令。如圖4-90所示，為對一個LTU32標簽的測溫過程，其中將測溫命令Sense融合在寫命令Write中。

此測溫命令將傳感命令融合入Write命令中是因為Gen2協(xié)議中，寫命令后的數(shù)據(jù)返回間隔最長支持20ms，在這個時間內(nèi)系統(tǒng)將啟動溫度傳感器模塊測溫，最終將測溫結果通過讀命令返回至閱讀器。

當環(huán)境中標簽數(shù)量很大時，如果采用這種對單個標簽操作的方式效率很低，悅和創(chuàng)造性的發(fā)明了SELSENSE命令，實現(xiàn)大批量的快速溫度采集。如圖4-91所示為SELSENSE命令，其中SELSENSE命令與SELSENSE命令之間的時間間隔應不小于15ms。SELSENSE命令格式與普通Select命令一致。

當使用SELSENSE命令后，場內(nèi)的所有標簽全部啟動傳感器，所有標簽StortedPC的MSB5-bit自動變成00110（StortedPC為0x3000或0x3400）。如未使用SELSENSE命令啟動傳感器，此時StortedPC值與存儲器中儲存的一致。當使用SELSENSE命令啟動傳感器后，傳感數(shù)據(jù)通過ACK命令返回，ACK返回的EPCLSB 32-bit為傳感數(shù)據(jù)。

SELSENSE同時具有Parallelencoding命令和Fast-ID命令的特點，可以說SELSENSE是一種充分利用Gen2協(xié)議特點改造出來的命令，具有非常高的效率。

在大批量的溫度采集環(huán)境中，使用SELSENSE命令后，采集所有標簽溫度參數(shù)所需的時間長度與盤點所有標簽所需的時間長度是相當?shù)摹?/p>

3.內(nèi)置處理器及數(shù)字接口的標簽：FarsensROCKY100

為了解決無源外接傳感器和空閑狀態(tài)電池漏電問題（簡單接口標簽芯片的痛點），F(xiàn)arsens公司開發(fā)的ROCKY100標簽芯片，其目標是實現(xiàn)在無源狀態(tài)給外接傳感器供電并實現(xiàn)SPI通信，當有電池輔助時保證電池的長效壽命。

（1）芯片特性

ROCKY100具有許多創(chuàng)新特性，其主要特性如下：

• 支持EPCGen2和ISO18000-6C的協(xié)議標準。

• 在沒有外接傳感器的情況下，芯片讀取靈敏度為-14Bm。

• 具有參數(shù)可設置的PSK調(diào)制加深功能。

• 支持1.2V到3.0V的穩(wěn)壓電源輸出。

• 具有輸出電壓VDD監(jiān)控功能。

• 支持電池開關管理，漏電流500nA。

• 具有5個可配置的GPIO口。

• 具有主機的SPI接口，可以控制外圍設備。

• 外圍設備可以通過控制SPI從機模塊從而對芯片的存儲區(qū)進行操作。

• 芯片的工作溫度為-40℃到85℃。

從ROCKY100的特性看，該芯片新增了無源電壓輸出功能、電池低功耗管理功能、SPI主從模式功能。對于普通的標簽芯片有了很大的改變，甚至可以認為是一個低功耗傳感器管理芯片增加了超高頻RFID的通信功能和無源取電功能。ROCKY100的設計理念更多的是為傳感器連接而產(chǎn)生，如穩(wěn)壓電源輸出是為外圍的傳感器供電；電池低功耗管理功能是為需要電池輔助的設備提供更久的壽命，Monza X-2K的漏電流為15uA而ROCKY100僅為0.5uA，電池生命增加30倍；具有SPI主從功能，可以更好的管理外接傳感器。

（2）       框圖說明

如圖4-92所示為ROCKY100芯片框圖，對比普通超高頻RFID標簽芯片，其新增了省電模式核（PSM core）、省電負載輸出（PSM LOAD）、主/從SPI等模塊。其中VDD、VBAT、VSS、VREGL、GLOAD為電源接口：

• VDD為系統(tǒng)的正電源電壓，可以為芯片內(nèi)部器件及外部網(wǎng)絡供電，這個電能是通過接收機收到的射頻信號轉(zhuǎn)化而成，因此其負載能力與接收到的信號強度有關。

• VSS為系統(tǒng)的負電源電壓，為整個系統(tǒng)內(nèi)部器件及外部網(wǎng)絡供電。

• VBAT為電池輸入口，可以通過電池為系統(tǒng)供電。當有電池連接，可以通過芯片內(nèi)部設置將VBAT接口連接到VDD上，內(nèi)部系統(tǒng)和外部網(wǎng)絡都可以使用電池供電，增加負載能力和系統(tǒng)性能。

• VREGL為可配置的線性穩(wěn)壓源輸出接口，直接連接外接負載（傳感器芯片），這部分能量來自VDD。沒有直接使用VDD的原因是VDD的電壓穩(wěn)定度不夠，且輸出電壓值不可控。

• GLOAD為外接負載的地，不過并沒有直接連接到VSS，在兩個接口之間有一個開關，這個開關的功能是在不啟動外接設備時，斷開開關減小漏電。

從框圖的分析中可以看出，ROCKY100芯片針對電源管理下足了功夫，尤其是低功耗管理和負載管理部分。無論采用無源模式還是電池輔助模式都最大限度的提高了系統(tǒng)的驅(qū)動能力、靈敏度和壽命。

（3）電氣特性

ROCKY100芯片的讀靈敏度為-14dBm，當有1.8V5uA負載時，其靈敏度降為-10dBm，當有電池輔助時靈敏度可以達到-24dBm，在采用增強電池輔助時，靈敏度可以達到-35dBm。在使用增強型電池輔助時，必須啟動反向調(diào)制加深工能，否則即使標簽芯片可以工作，閱讀器也無法接收到標簽返回的數(shù)據(jù)。

具有負載時，芯片需要提供更多的能量給負載供電，因此其靈敏度會下降。這里可以做一個簡單的計算，當沒有負載時，芯片接收機收到的信號強度為40μW（-14dBm），當連接負載后芯片接收機需要接收到100μW（-10dBm）的能量。一般情況下超高頻RFID系統(tǒng)的射頻能量轉(zhuǎn)換直流能量的轉(zhuǎn)換效率約為25%，輸出的電壓VDD約為3.2V，因此可以提供的額外電流為（100μW-40μW）×25%=15 μW。由于VREGL的LDO需要消耗額外的0.5uA電流，VDD電壓監(jiān)控需要消耗1uA的電流，需要消耗1.5uA×3.2V=4.8μW，1.8V5uA負載需要的能量為9μW。15μW-4.8μW=10.2μW>9μW，足夠支持負載工作。

芯片的阻抗參數(shù)在讀取、帶有負載和電池輔助的情況下會發(fā)生變化。在相同頻率下，一般芯片的虛部變化不大，實部與芯片的無源負載電流大小相關，無源負載電流越小，其實部越小。當電池輔助時，無源負載最小，其實部參數(shù)也最小，當無源帶有外部負載時，系統(tǒng)的無源負載最大，其實部參數(shù)也最大。

標簽芯片的供電參數(shù)中最關鍵的是IBAT，電池輔助時的漏電是保證芯片壽命的關鍵參數(shù)。VREGL作為負載輸出電壓端口，其輸出電壓為1.2V到3.0V之間，輸出的電壓解析度為3mV，誤差為5%，支持的負載最大電流為5mA（需要電池輔助）。負載電流大小與系統(tǒng)的靈敏度相關，負載電流越大其靈敏度會越差，當芯片接收機接收到的能量不足以支撐負載時，就會拉低系統(tǒng)端口電壓VDD。如圖4-93所示為輸入信號強度與不同負載的曲線圖。

圖4-93輸入信號強度與不同負載的曲線圖

一般情況下低功耗SPI接口的傳感器的供電需要保證10uA的電流，對應的負載為100kΩ，如該傳感器需要3V的供電，則系統(tǒng)的靈敏度只有-4dBm。若系統(tǒng)需要0.1mA的電流3V的電壓，則靈敏度只有9dBm，工作距離只有30cm左右。因此在使用VDD給負載供電時一定要充分考慮負載的電流，盡量采用小電流的傳感器和負載電路，或采用電池輔助。一般情況下，對于負載電流大于100uA的傳感器都建議采用電池輔助功能。

（4）電池輔助模型

如圖4-94所示，為ROCKY100標簽系統(tǒng)的應用示意圖，芯片連接一個微處理器，并具有電池輔助供電。電子標簽絕大多數(shù)時間都是處于休眠狀態(tài)，只有少數(shù)時間處于工作狀態(tài)。ROCKY100芯片的電池輔助最大的優(yōu)點是省電，在一般狀態(tài)下都處于休眠狀態(tài)，電池的漏電流小于1uA，當有電磁波激活標簽時，再啟動電池輔助功能，這樣既能完成傳感功能又可以增加電池的壽命。

圖4-94ROCKY100標簽系統(tǒng)的應用示意圖

4.內(nèi)置ADC及處理器的標簽：浙江悅和科技LAU2

鑒于SPI數(shù)字接口給系統(tǒng)帶來的功耗損失，為了提高靈敏度，悅和科技開發(fā)了內(nèi)置ADC及儀表放大器的無源無線傳感芯片LAU2。其中ADC的精度達到14bit，儀表放大器的增益可達160倍。ADC的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，儀表放大器的作用是將傳感器微弱的模擬信號放大到合適的幅度適合ADC采樣。

（1）關鍵參數(shù)

如表3-10所示，為LAU2芯片的關鍵參數(shù)，該芯片不僅內(nèi)置ADC還內(nèi)置了40℃-150℃寬范圍的溫度傳感器。該芯片支持多種物理量的測量方式，包括支持0-1V的電壓測量，10pF到500nF的電容測量以及200kΩ到500MΩ的電阻測量。在無負載啟動ADC和測溫時，其芯片靈敏度為-15dBm。

（2）模塊框圖

如圖4-95所示為LAU2芯片的模塊框圖，圖中有多個傳感器輸入端口，其目的為適應不同類型的傳感器，相比SPI的標準接口不同，模擬接口種類較多且連接方式多樣。傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過儀表放大器（InstrumentationAmplifiers，IA）放大到合適的電壓后，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digitalconverter，ADC）將量化后的傳感數(shù)據(jù)傳到數(shù)字基帶，此時通過閱讀器的特殊指令可以將此傳感數(shù)據(jù)讀出，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到外接傳感器的真實數(shù)據(jù)。整個LAU2芯片無需電池輔助，VC2端口可以為外接模擬傳感器網(wǎng)路供電。其中溫度傳感器的實現(xiàn)方式也發(fā)生了變化，不再是LTU32中的通過振蕩器脈寬計算溫度，而變?yōu)橐粋€模擬溫度傳感器加上ADC的方式，其精度和穩(wěn)定度也大幅提升。

圖4-95LAU2芯片的模塊框圖

LAU2支持接入多種不同的模擬傳感器類型，包括二/四線電阻型傳感器（無內(nèi)部放大）、電橋型傳感器、電容型傳感器、電流型傳感器、單端絕對電壓型傳感器和高壓電壓型傳感器。

（3）電氣特性

如表3-11所示，為LAU2芯片的電氣特性，芯片可以在全溫度段（–40°C to 150°C）提供穩(wěn)定的鉗位電壓VC2，可以為系統(tǒng)的外圍網(wǎng)絡供電。同時針對外圍傳感器可以提供1.5V或1.8V的高精度電源，在全溫度段電壓精度為2%，最大輸出供電電流為1mA。一些傳感器需要高精度基準電壓源，因此LAU2芯片提供了1.257V的精度為0.5%的高精度基準參考電壓。針對一些超高壓的應用，LAU2提供了20V的高壓監(jiān)測功能。

表3-11LAU2芯片的電氣特性

（4）模擬接口傳感器對靈敏度的影響

LAU2芯片內(nèi)部功耗約為5.4μW，遠低于ROCKY100的功耗。LAU2芯片的整流器效率約為25%。如表3-12所示，為不同功耗外接傳感器時對芯片靈敏度的影響。

表3-12LAU2外接傳感器時的靈敏度

一種傳感器使用模擬接口的功耗要遠小于采用數(shù)字接口，再加上LAU2內(nèi)部沒有SPI控制等單元，其負載能力更強，整個系統(tǒng)的工作距離會明顯優(yōu)于ROCKY100。不過LAU2的缺點也非常明顯，模擬接口的傳感器集成度很差，開發(fā)難度也大很多，且芯片的接口種類也不統(tǒng)一，尤其一些帶有內(nèi)部運算的傳感器無法采用模擬接口實現(xiàn)，如震動頻率采集、瞬時加速度采集等。不過這是采用無源無線傳感實現(xiàn)遠距離最優(yōu)的手段，相信隨著應用的普遍化和技術的普及，越來越多的應用會采用內(nèi)置ADC的標簽。

無源無線傳感的需求一直在那里，現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)的解決方案只有采用超高頻RFID無源技術，過去市場不成熟，直到近幾年無源傳感的產(chǎn)品和方案才出現(xiàn)，市場的推廣和發(fā)展需要時間。無源無線傳感的技術在不斷的發(fā)展過程中，現(xiàn)在只是剛剛開始，相信隨著越來越多的工業(yè)應用需求的出現(xiàn)無源無線傳感器的市場會迎來飛躍的發(fā)展。