第一章緒論1.1課題研究的技術背景與意義RFID（Radiofrequencyidentification）是利用射頻通信技術而進行非接觸或近距離接觸的自動識別技術[1]。電磁場理論的深入催生了RFID技術，射頻技術的發(fā)展使RFID備受重視。第二次世界大戰(zhàn)期間，RFID技術開始被環(huán)太平洋東岸某發(fā)達資本主義國家應用于軍事領域，主要是對盟軍飛機進行敵我識別，之后UHFRFID技術逐漸民用化。隨著UHFRFID技術廣泛應用，很多待測溫物體被貼上了標簽，人們可以通過閱讀器對貼有標簽的物品進行溫度的讀取、監(jiān)控和管理。UHFRFID標簽在潮濕、油漬、強腐蝕及化學藥品的環(huán)境下有極強的穩(wěn)定性，能夠彌補傳統(tǒng)測溫方式對特殊環(huán)境敏感的缺點，而且讀取信息沒有芯片尺寸及形狀限制，其小型化輕量化多樣化的發(fā)展趨勢使其適應多種場合。其次，UHFRFID標簽與傳統(tǒng)智能芯片相比，數(shù)據(jù)讀取的更加精確，傳輸?shù)木嚯x更加遠，而且可以穿過墻壁等無法直接探測的地方進行無障礙穿透識別。最重要的在于UHFRFID標簽可以無限的儲存、抹除及加密數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)可以大容量且安全的傳輸。UHFRFID標簽技術慢慢開始成熟起來，但目前基于UHFRFID標簽對金屬附近的測溫精度上還不夠完美。主要表現(xiàn)為當天線頻率較高時，低電阻率金屬材料產(chǎn)生的渦流抵消電磁波；當天線頻率較低時，高磁導率材料將磁力線限制在屏蔽層內(nèi)使其擴展到被測區(qū)域空間[2]。所以在射頻方面對電子標簽無線測溫還有很多限制，也是無線發(fā)展必須要克服的對象。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀繼20世紀后RFID成為十大重要技術之一，對UHFRFID測溫技術的重視日益增長。迄今為止，申請的UHFRFID專利多達數(shù)萬，其中中美日韓就達到了整體的一半以上，接近七成，在成熟的技術和優(yōu)良的工藝的加持下，其產(chǎn)品有很大的市場。UHFRFID無線無源測溫在一些國家已形成標準的生產(chǎn)線和產(chǎn)業(yè)鏈[3]。許多國際零售商已使用UHFRFID測溫系統(tǒng)，不管是對冷凍水產(chǎn)品的運輸還是儲存隔季水果和時鮮蔬菜。比較經(jīng)典的應用是沃爾瑪和麥德龍。沃爾瑪在零售領域首屈一指，與其廣泛運用先進的UHF測溫和高效的RFID物流系統(tǒng)密不可分。在21世紀初期，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℃。在人工時代，人們需要實時的監(jiān)測儲存溫度，龐大的數(shù)據(jù)量容易出現(xiàn)錯誤，而且稍微的溫度波動不能及時的察覺就可能引起事物的腐敗、變質(zhì)。采用UHFRFID后，溫度能得到實時有效的監(jiān)控，管理，節(jié)省了大量的人力物力，提高了商品的質(zhì)量。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。不僅局限于民用，軍方也對UHFRFID測溫青睞有加。早在海灣戰(zhàn)爭中，美軍就開始重視無源無線測溫在軍事物流中的應用，由于運輸條件的限制，開發(fā)一款非接觸式且靈敏的測溫系統(tǒng)能大大提高戰(zhàn)場效率，傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻和光纖都需要傳輸線，而紅外測溫無法穿過障礙和阻擋，而RFID對這些問題有實際的解決能力。隨著“萬物互聯(lián)”、“5G”、“智能制造”、“工業(yè)4.0”時代的來臨，我國的RFID技術已經(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用，但集中在高頻（HF）部分，UHF只有15.90%，UHFRFID測溫系統(tǒng)與發(fā)達國家相比仍有一定差距。雖然如此，但國內(nèi)優(yōu)秀的半導體生產(chǎn)企業(yè)如華虹、復旦微電子等能夠快速研發(fā)和制造UHFRFID測溫芯片，也正在不斷的發(fā)展，以張江高科為中心的硅谷也具有澎湃的活力和強大的生命力。1.3論文主要內(nèi)容及結(jié)構安排論文的主要內(nèi)容是對UHFRFID無線無源測溫系統(tǒng)的介紹，主要包括信息傳輸模塊及測溫模塊。本論文共八章，結(jié)構安排如下：第一章為緒論，主要介紹了課題研究的技術與背景及論文的主要內(nèi)容及結(jié)構安排。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。第五章介紹了讀寫器部分，包括了對讀寫器的簡介，對其組成、工作方式、工作流程等的介紹。第六章主要介紹了電子標簽，對電子標簽的協(xié)議、頻率范圍做了介紹，重點介紹了射頻接口的各個部分。第七章主要介紹了溫度傳感器，包括了對溫度傳感器的簡介，測溫原理的詳細介紹。第八章主要是對測溫芯片LTU3的簡介及實際測溫。第九章為對本論文的結(jié)論及對其的展望。

第二章UHFRFID系統(tǒng)的工作原理2.1RFID技術基礎整個系統(tǒng)主要由下圖2-1所示部分組成。一般由電腦發(fā)出控制命令，控制命令使能讀寫器，驅(qū)動讀寫器工作，而后讀寫器與標簽自動完成能量和信息的交換。其中主要部分是讀寫器與標簽，電腦承擔整理和視覺化測溫數(shù)據(jù)。圖2-1UHFRFID基本原理框圖2.2RFID系統(tǒng)的物理學原理RFID系統(tǒng)通?；陔姼旭詈吓c反向散射兩種射頻耦合模式[4]。電感耦合如圖2-2所示，變化的磁場通過空間來實現(xiàn)耦合。但由于穿過副邊繞組的磁通決定了轉(zhuǎn)化效率，所以距離必須要求非常近以減少漏磁通而增強互磁通，不能遠距離的傳輸。圖2-2電感耦合原理圖反向散射原理如圖2-3所示。讀寫器發(fā)出的電磁波P1經(jīng)過傳輸衰減及其他方向傳播P5后到達標簽，到達標簽的能量除了P4部分被吸收后，剩下的P2被自由散射，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)過濾波放大處理后提取標簽的識別數(shù)據(jù)信息。圖2-3反向散射原理圖2.3反向散射的能量傳輸讀寫器到電子標簽的能量傳輸假設以GTx的增益發(fā)射大小為PTx的功率，S=（2.1）其中EIRP為有效全向輻射功率，它的大小GTx與PTx密切相關假設電子標簽處在最優(yōu)的工作狀態(tài)，那么可以得到電子標簽吸收到的最大功率為P（2.2）GTag增益的電子標簽有效面積AA（2.3）那么電子標簽的功率可以表示為P（2.4）假設系統(tǒng)工作在900MHz的條件下，則該波長大約為0.42M，當有效全向輻射功率EIRP為5W而電子標簽天線增益GTag為0dB時，根據(jù)電子標簽計算，當電子標簽距離讀寫器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簽內(nèi)部芯片運用的能量為16.5反方向的能量傳輸反向散射與很多因素有關有關，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)，幾何形狀等有關系。假設散射截面為σ，則電子標簽反射電磁波的能量為：P（2.5）假設標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SBackS（2.6）那么讀寫器接收到的電子標簽反向散射功率為P（2.7）其中Aw為電子標簽的有效面積，假設電子標簽的增益為GA（2.8）那么反向散射功率可以表示為P（2.9）假設讀寫器能夠檢測到的反向散射功率為最小時，即PRxR（2.10）2.4UHFRFID系統(tǒng)特點存儲器使用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，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的國際標準UHFRFID的國際標準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針對電子編碼的標準[7]。ISO18000-6標準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簽之間的沖突與混亂。一般讀寫器先工作的情況下，電子標簽處于賦閑狀態(tài)或者待機啟動模式。電子標簽接收到能量被激活后，進行測溫工作。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，相當于產(chǎn)品的身份證一樣，是對產(chǎn)品的唯一識別。EPCTMGlobalClass1Gen2很有可能成為ISO18000-6的TypeC。第三章RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理3.1UHFRFID數(shù)據(jù)通信及方式UHFRFID的數(shù)據(jù)傳輸原理圖如圖3-1所示。圖3-1數(shù)字通信系統(tǒng)原理圖對信源及信道進行編碼，可以統(tǒng)稱為對數(shù)據(jù)編碼。前者是對來自于信源的操作，主要是對模擬信號數(shù)字化。而信道編碼是對信息再次進行處理，使其能夠更好的在信道里傳輸，同時賦予了其校驗錯誤的能力。另一方面，由于編碼后的信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，就能適應信道的要求，也便于信道的復用和提高干擾能力。在UHFRFID測溫運用無源技術，因此測溫工作依賴于讀寫器的能量供應，這就要求了編碼時相鄰的碼元應該具有跳變，一是為了在出現(xiàn)連續(xù)的低電平時能夠持續(xù)的給標簽供能，其次是保證在出現(xiàn)連續(xù)碼元時能對其精準的定位，提取準確的時鐘信息。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。當不同的標簽在給定的時間發(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編碼模型圖3-3仿真波形3.3曼徹斯特解碼 解碼的過程也是同樣的方法，如圖3-4所示。圖3-4解碼模型圖3-5解碼波形3.4調(diào)制和解調(diào)調(diào)制是將信號經(jīng)過處理，使其適合在信道中傳輸。主要的方法是控制信號本身的一些特有參數(shù)，使其同已知信號呈現(xiàn)一致的變化。在UHFRFID測溫系統(tǒng)讀寫器與電子標簽的無線數(shù)據(jù)傳輸中，需要使用較高頻率的信號，主要是頻率決定了帶寬的大小及天線的尺寸。一般來說，系統(tǒng)傳輸?shù)南鄬挒轭l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，而當帶寬變大時，UHFRFID系統(tǒng)的抗干擾、抗衰落及信道利用率都將大大提升。另一方面，在無線傳輸中，為了更好的提高輻射效率，天線的長度一般要大于波長的0.25倍，如要發(fā)射3800Hz的信號，則至少需要25Km長的天線，明顯不符合實際生產(chǎn)生活的要求?，F(xiàn)在測溫系統(tǒng)對電子標簽的小型化及輕量化要求非常嚴格，這就要求我們使用更高的頻率來減小天線的尺寸從而減小電子標簽的面積而實現(xiàn)小型化和輕量化。調(diào)制的方法簡單來說就是將數(shù)字基帶信號變成電磁波的過程，傳統(tǒng)的模擬信號很容易受到噪聲的干擾而影響通信的質(zhì)量。所以現(xiàn)在都基于數(shù)字信號，可以用Acosωt+φ作為圖3-5調(diào)制波形圖而解調(diào)對于TYPEA來說，就是從調(diào)制信號中恢復出曼切斯特碼，由于其調(diào)制方式為ASK調(diào)制，其產(chǎn)生信號與原本信號有相關性。但是采用PSK調(diào)制的TYPEB，其包絡與調(diào)制信號的形狀不同。與非相干解調(diào)相比，想干解調(diào)必須提供和載波同頻同相基準信號。頻率的調(diào)節(jié)較為簡單，可以運用分倍頻器實現(xiàn)頻率倍數(shù)的縮放來達到。但是相位的調(diào)節(jié)卻很復雜，比較成熟的是基于快速傅里葉變換，高級算法的引入必然加大了處理器運行的負擔。相比于PSK調(diào)制，ASK調(diào)制巧妙的運用了包絡線與基帶電壓的關系，二者正比的特性可以直接解調(diào)從而避開了引入同頻同相的基準電壓繁瑣，只需要采用包絡檢波就能實現(xiàn)基帶信號的復現(xiàn)。第四章UHFRFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)校驗4.1UHFRFID差錯控制的基本方式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)誤差而導致誤碼，如圖4-1所示。為了減少誤碼率，需要良好的差錯控制方式。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[9]。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)，一般能準確的定位錯誤發(fā)生的位置，但設備復雜；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，通常沒有關聯(lián)性。突發(fā)錯誤前后關聯(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)構簡單而在UHFRFID測溫系統(tǒng)中廣泛運用。4.2CRC校驗能力仿真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)中讀寫器與標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸中運用廣泛。圖4-2CRC碼示意圖CRC仿真如圖4-2所示，圖4-2CRC碼仿真示意圖第五章UHFRFID讀寫器5.1讀寫器的簡介讀寫器是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，讀寫器承擔了數(shù)據(jù)交互傳輸?shù)淖饔茫@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。 5.2讀寫器的基本組成 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結(jié)構。其一般由如圖5-1所示三部分組成。圖5-1讀寫器的簡單結(jié)構圖天線起到了能量的銜接、時鐘和數(shù)據(jù)的相互的功能?，F(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)構簡單等優(yōu)點寬帶微帶貼片天線將會廣泛運用[11]。射頻模塊涵蓋了對載波進行處理，讓更多的能量成為高頻發(fā)射功率，為標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口，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。5.3讀寫器的工作方式在UHFRFID測溫系統(tǒng)中，不管是讀寫器還是電子標簽以經(jīng)濟實用的原則，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簽，另一種是標簽發(fā)出信號去感應讀寫器。不過一般狀態(tài)下，標簽在不檢測的情況下進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的規(guī)律。5.4讀寫器的工作流程微控制單元與電腦完成信息交互后，發(fā)送復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。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。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行混頻。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。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)送到天線發(fā)射機。接收部分的工作流程如下:天線接收信號并將接收到的信號發(fā)送到電路。循環(huán)器將接收到的信號發(fā)送到90°相位開關功率分配器，相位開關將接收到的信號分為兩個正交信號。這兩個正交信號分別與本地振蕩信號混合，從而進行解調(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。乘法器將放大的信號相乘，使相對于虛擬地將負脈沖反轉(zhuǎn)為正脈沖。翻轉(zhuǎn)后的信號通過加法器相加合并為一個信號。對此信號放大，讓其達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。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)字進行處理，然后將相關的信息發(fā)送給后續(xù)電路。第六章電子標簽的體系結(jié)構6.1電子標簽的協(xié)議電子標簽是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標準，該標準下有TYPEA/B兩種類型。這兩個類型在一定程度上都能滿足正常的運用要求。兩種原理如下圖6-1所示，對于TYPEA來說，其擁有強大的內(nèi)存空間，能夠存儲較多的信息和實時數(shù)據(jù)，但是大量的數(shù)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)構和簡短的指令使其不用占用過多的存儲空間，而且精簡的結(jié)構為其提供了良好的防沖突能力。不過過少的存儲空間帶來的問題是不能多線同時工作，只能識別一個或少量幾個的電子標簽。同時，兩種協(xié)議的識別效率和速度都沒有非常完美，在需要高速捕捉溫度變化的場合，還有很多疲憊的地方，不過隨著人工智能的到來，它一定會趨于完善并推動著UHFRFID測溫系統(tǒng)的發(fā)展。圖6-1TYPEA和TYPEB的比較6.2電子標簽的頻率范圍隨著工業(yè)時代的深入，人類生產(chǎn)的逐步發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式測溫或者近距離測溫已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹囊螅瑩Q而言之中低頻的射頻識別慢慢的可能只立足于身份證、交通卡、銀行卡等特定領域。高頻的射頻識別的應用范圍將被大大擴寬，目前主要的電子標簽射頻波段有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）的電子標簽可以無源工作，僅靠天線就能獲取足夠的能量而驅(qū)動整個系統(tǒng)正常運行。電子標簽的價格低，而且UHF頻段的穿透能力較強于后面的兩種微波，廉價而性能優(yōu)越使UHF炙手可熱。6.3電子標簽的射頻接口電子標簽的射頻接口主要由如圖6-2所示組成。圖6-2電子標簽的功能結(jié)構圖6.3.1接收部分接收部分是對輸入的信號進行一系列的處理，產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需要信號的過程，原理圖如6-3所示。圖6-3接收部分的功能框圖包絡產(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。檢波電路由如圖6-3所示的兩部分組成，一般包絡輸出的信號雖然濾除了很多高頻的部分，需要對這部分進行濾除。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行負載調(diào)制，而后對其進行一定比例的放大，使其達到天線傳輸?shù)囊?，再由天線進行傳輸。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Acosωt+φ中的A參數(shù)，其原理是基于V=R×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。電源進行相應的處理變?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電路；最后輸出穩(wěn)定直流能源供應整個電子標簽。圖6-5電源產(chǎn)生電路的功能框圖電源設置了儲能的裝置，其原理如圖6-6所示。當線路處于高壓狀態(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。當充電電壓達到芯片的初始工作電壓時，芯片可以正常工作。當輸出的電壓開始下降的時候，儲能電容工作維持其電壓。當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。圖6-7電源充放電特性原理圖（2）復位電路復位的功能是使控制部分恢復為初始的模型，主要功能是對特殊數(shù)據(jù)進行默認記錄，數(shù)據(jù)恢復是指令電路在動量刺激下受電壓脈沖或電路混亂中斷而產(chǎn)生不正確跟隨命令恢復到正常狀態(tài)開始信號的過程，就是復位信號。一般上機狀態(tài)不進行復位就會發(fā)生死機，由于電子標簽體積非常小，且測量時為非接觸測量，所以一般采用上電時內(nèi)部或者外部直接給出復位來達到復位目的。其工作的原理可以是指命令部分在通電時的狀態(tài)，使復位時間比上電時間長，消除了因電壓建立不正確而引起的部分電路的操作誤差。簡單的重新加載電路可以直接在復位信號的上端連接到負載電容器，而下端是接地電阻保護。通過電容延長時間，消除部分電路運行錯誤。（3）時鐘產(chǎn)生電路時鐘的產(chǎn)生可以在用兩種方法，一是能從外部獲取時鐘，只需要將外部通過比較器，使其產(chǎn)生外部頻率相同的時鐘信息，而后將此時鐘信號進行分頻倍頻處理后就能得到電子標簽的時鐘信息。原理圖如6-8所示。但是與低頻的標簽不同，UHFRFID標簽很難居于此方法獲得時鐘信號。因為要將高頻信號進行分頻倍頻處理，需要消耗的能量太多，對于立足于低功耗的電子標簽是不允許的。這就需要在電子標簽的內(nèi)部設置獨立的振蕩電路來產(chǎn)生時鐘信號。圖6-8時鐘恢復電路的系統(tǒng)框圖振蕩就是一個在沒有外部輸入的情況下維持自身穩(wěn)定輸出的信號，沒有外部輸入就需要輸出正反饋到輸入端來提供信號，同時應該具有良好的增益來補償各個部分的損耗,其原理圖如6-9所示。圖6-9放大器原理圖根據(jù)圖6-9，整個部分的輸出電壓VoutV（6.1）可得閉環(huán)增益TjT（6.2）通過不斷的循環(huán)反復，直到FjωG振蕩電路在電子標簽中發(fā)揮著重要的作用，很多數(shù)據(jù)的處理都要用到振蕩電路產(chǎn)生的本振信號。如對接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的加工和處理，他們的組成都需要本振信號。而本振信號由以振蕩器經(jīng)過處理后提供的。在正常情況下，輸入信號與振蕩器的瞬時相位相差較小，鎖相環(huán)按線性處理，處于跟蹤狀態(tài)。當相位相差較大時，瞬時相位將發(fā)生大范圍的變化，此時鎖相環(huán)進入捕捉狀態(tài)以恢復系統(tǒng)正常運行。6.3.4天線模塊電子標簽天線模塊銜接了讀寫器發(fā)出的能量，也承擔了與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸交換。還有就是將電磁波能量進行空間方向的分配，不管是發(fā)射電磁波還是接收電磁波都與方向有著密不可分的關系，通過把輻射于各個方向的功率都集中到一個方向，就能得到最大功率密度，增加通信的距離。最后為確定極化提高通信容量。實際中電子標簽的很大部分的面積被天線使用，也可以說電子標簽的面積受天線面積主導，而天線的面積與天線的工作頻率成反比，所以越高的頻率可以使電子標簽小型化和輕量化。6.3.5控制部分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工作狀態(tài)，一是將接收到的信號經(jīng)過編解碼電路進行解碼，二是對返回來的信號進行編碼。而微控制器相當于一臺微型的計算機，即輸出控制信號控制測溫部分的進行測溫，也對接收到的溫度信號進行加工。EEPROM記錄系統(tǒng)產(chǎn)出的一些重要的數(shù)碼，并且很久之后都不會消失，即使處于閑置狀態(tài)，也能完好保存。圖6-10控制部分原理框圖（1）EEPROM存儲器是重要的組成部分，一種是能量消失后后內(nèi)部存儲信息也隨著丟失，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器，一般指ROM，而ROM又根據(jù)是否能夠編程和寫入數(shù)據(jù)分為只讀和可編程存儲器，UHFRFID測溫系統(tǒng)使用的EEPROM就是屬于后者。EEPROM除了能夠很好的保存數(shù)據(jù)以外，還兼?zhèn)淞俗x取速度快、制作工藝簡單而廢品率很低、超低功耗和可持續(xù)擦寫等優(yōu)點[12]。其中最重要的兩點點在于功耗和掉電存儲數(shù)據(jù)，正如前面所說，整個電子標簽的能量都來自于天線，無線傳輸?shù)睦寐什⒉皇悄敲锤?，換而言之電子標簽接收到的能量非常少，較少的能量要驅(qū)動如此多的部分，低功耗就顯得尤為重要。另一方面，由于采用天線的能量，就極有可能因為能量供應不足而發(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)工作尤為重要。（2）微處理器微處理器主要是讀寫器的命令進行讀取，向溫度傳感器發(fā)送指令。為了節(jié)約成本和穩(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碼一旦燒寫完成，就無法再次更改，也就只能執(zhí)行特定的程序命令。微處理器的主要功能是對電子標簽的數(shù)據(jù)進行相應的傳輸，完成對溫度傳感器命令和序列的基本控制、對其核心的識別文件進行管理及加密等。其連接一般圖6-11所示，外部引腳很少，除了立足于控制部分信號電源、時鐘和復位信號后，就只剩下傳輸數(shù)據(jù)的I/O口了。圖6-11微處理器的連接框圖通常情況下，芯片在生產(chǎn)的過程中將編解碼電路和微處理器結(jié)合，就形成了數(shù)字基帶模塊。解碼器解碼數(shù)據(jù)至狀態(tài)控制機模塊。一般情況下要對數(shù)據(jù)進行串并口轉(zhuǎn)換，以提高讀取數(shù)據(jù)的速率。讀數(shù)據(jù)期間校驗模塊對數(shù)據(jù)進行相應的校驗，而后將得到的結(jié)果發(fā)送到控制機。如果檢測到錯誤，狀態(tài)機進入糾錯模式。同時也注意到，輸出控制模塊沒有串并口轉(zhuǎn)換，所以通常情況下讀數(shù)據(jù)較快，而寫數(shù)據(jù)較慢。狀態(tài)機還同時兼顧了發(fā)送控制信號到防碰撞模塊與計數(shù)器模塊，同時也控制著寄存器的數(shù)據(jù)的輸入輸出。圖6-12數(shù)據(jù)處理的原理框圖第七章溫度傳感器7.1溫度傳感器簡介傳統(tǒng)的溫度傳感器立足于對測溫材料本身特性的把控，材料特性非常穩(wěn)定且成本低使其受到了廣泛的運用。但是其本身的非線性，受電路內(nèi)部影響等限制了其精度。光纖測溫的電絕緣、抗電磁干擾、惡劣環(huán)境中表現(xiàn)良好的優(yōu)勢被越來越多的人喜歡。但是其傳播特征和尺寸等自身條件的限制,還沒有被廣泛使用在小型電子標簽。數(shù)字溫度傳感器采用了特殊硅工藝,其獨特的PATA半導體結(jié)構生產(chǎn)良好的溫度特性。只需要與微處理器直接互通，通過比較轉(zhuǎn)化輸出數(shù)字信號,經(jīng)過微處理器的高頻率值采樣即可得出溫度，其廣泛應用在無線環(huán)境中高精度溫度測量。7.2測溫的基本原理對于嵌入到電子標簽中的溫度傳感器，具有微小的體積的同時應該將功耗降至最低。要實現(xiàn)超低功耗的測溫，首先要找到一個不隨溫度變化的基準信號作為溫度感知的標桿，這個標桿可以是電壓、電流或者頻率等。然后在測量與基準信號相對的，隨溫度有規(guī)律變化的信號，將這個信號與基準信號相比較，用比較后的結(jié)果同事先已知溫度對應的結(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級別的電流是極難測量和把控的，所以測量的方式主要是電壓和頻率?；陔妷簻y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7-1所示[13]。模擬前端產(chǎn)生與溫度成正比的溫度和一個無關信號，而后對得到的數(shù)據(jù)進行一些處理。電壓測量方法由于具有優(yōu)良的溫度特性和測量性能而廣泛運用。電壓測量的量化輸出可以表示為V（7.1）其中VBE為三極管基極到發(fā)射極的電壓，一般為負溫度系數(shù)。?VBE為兩個BJT三極管基極到發(fā)射極的電壓差，呈現(xiàn)正溫度系數(shù)。經(jīng)過α?VBE的系數(shù)補償就能得到與溫度無關的基準電壓圖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帶隙基準基于電壓來測量溫度，必須有一個與溫度無關的基準電壓，而在COMS中基準產(chǎn)生電路技術著重于帶隙技術[16]。一般情況下，工藝參數(shù)都是在隨著溫度呈現(xiàn)一定的變化趨勢的，而且?guī)缀醪荒芟@個影響。但是要得到一個與溫度無關的電壓，就要將它和工藝的聯(lián)系分開。但在實際情況中任何的器件的生產(chǎn)都依靠相對應的工藝，為了得到一個與溫度無關的量，就需要對溫度系數(shù)進行抵消，使其整體呈現(xiàn)零溫度系數(shù)來實現(xiàn)。正溫度系數(shù)電壓的發(fā)現(xiàn)源于1964年，當人們注意到兩個雙極晶體管集電極電流與飽和電流的比值不相等時，那么基極至發(fā)射極的電壓差就與絕對溫度成正比例關系[17]。如圖7-3所示，假設Q1和Q2是一個廠家生產(chǎn)的一款設備，那么它們的飽和電流數(shù)值相等，即IS1=IS2；而對于雙極器件，我們可以得到IC?（7.2）??V?V??由上式可知正溫度系數(shù)為klnnq。恰好所用器件的其中一部分具有相反性質(zhì)溫度系數(shù)。只用兩者選取合適的α1和圖7-3正溫度電壓產(chǎn)生電路圖7-4基準電壓原理圖7.4溫度傳感器的工作流程溫度傳感器的系統(tǒng)如圖7-5所示，傳感前端是基于襯底PNP管，產(chǎn)生與溫度相關的VBE和?V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。圖7-6A/D轉(zhuǎn)換的基本框圖其工作的流程一般如下抗混疊濾波器將輸入的模擬信號Xa(t)進行濾波，主要基于低通濾波，消除帶寬BW所得的帶限信號X(t)在采樣保持器S/H中以fs進行處理，變成一個時域離散DT信號Xs(n)=X(nTs),其中T將得到的離散信號Xs(n)進行N比特的量化，而后將每個結(jié)果對應到2N得到的數(shù)字輸出碼Yd整個電子標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的基準電壓，用產(chǎn)生的信號和模擬輸入Vin相比較，當Vin圖7-7SARADC結(jié)構框圖實際測溫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計，正常工作時的功率僅僅只有1微瓦，只需要天線接收能量就能維持其正常的工作。LTU3芯片最大的特點在于是一款專門為測溫設計的電子標簽芯片，它將除天線以外的所有部分集成到一起，大大縮小了其體積。在微小的體積上同樣保持了較高的精度，其匹配2dBi的偶極子標簽天線能使靈敏度達到-18dBm.溫度傳感器的分辨率能達到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，方便溫度數(shù)據(jù)原始數(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±1℃，全溫度段誤差曲線如下圖所示：圖8-1LTU3全溫度段誤差曲線圖LTU31系列芯片提供給用戶兩個引腳，RF+及RF-。LTU31系列芯片的所有操作及交互包括能量獲取，空氣通訊接口，傳感器工作，命令執(zhí)行等均通過此天線接口進行，如圖8-2所示。RF通信接口支持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)頻率40-160Kbit/s，反向數(shù)據(jù)頻率:40-640Kbit/s。而且數(shù)據(jù)使用先進的防碰撞算法，可靠的多標簽性能。圖8-1LTU3外接天線實物圖8.2實際測溫驗證對于一個處于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)達到最佳的運行時間，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)良的性能。圖8-3LTU3啟動時測溫曲線圖圖8-3LTU3穩(wěn)定時測溫曲線圖第九章總結(jié)9.1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、國際的標準等進行了介紹，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行測量，對測溫結(jié)果進行了分析，從理論到實踐的對UHFRFID無源無線測溫系統(tǒng)進行了闡述。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)展的朝氣，但是同時也發(fā)現(xiàn)了不足之處。UHFRFID測溫技術要得到更廣泛的運用，對芯片的設計、生產(chǎn)及加工至關重要，特別是在芯片的微型化，低功耗方面。我國現(xiàn)在非常重視芯片技術的發(fā)展，相信在不久的將來一定會迎來美好的一天。其次是本文對其理論進行了相應的闡述，對實際測溫芯片做了驗證，下一步應多加強實踐。最后在完整的UHFRFID測溫系統(tǒng)中，可以將測溫模塊用其他功能的模塊代替，實現(xiàn)多種不同的功能，基于此拓寬整個系統(tǒng)的運用范圍。參考文獻黃玉蘭．物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）核心技術詳解（第三版）[M]．人民郵電出