基於射頻技術的無線溫度電子標籤的製作方法
2023-09-18 15:43:05 2
基於射頻技術的無線溫度電子標籤的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種基於射頻技術的無線溫度電子標籤，包括依次連接的天線、模擬射頻前端電路、邏輯控制電路，所述模擬射頻前端電路包括整流電路模塊，以及和邏輯控制電路相連接的溫度檢測電路、振蕩器模塊、解調器、反向散射電路，所述天線和整流電路組成能量提取電路，所述邏輯控制電路採用FPGA模塊。本發明具有低功耗、實現感應天線體積小、低成本、通信距離遠等特點。
【專利說明】基於射頻技術的無線溫度電子標籤
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線溫度傳感器電路，尤其是涉及一種基於射頻技術的無線溫度電子標籤。
【背景技術】
[0002]當前無線溫度傳感器主要由電池、感溫元件、控制電路、收發電路組成。這類傳感器有體積大，低溫情況電池不能正常工作等缺點。
[0003]RDIF(Rad1 Frequency Identificat1n)無線射頻識別技術具有非接觸式、存儲容量大、識別速度快、距離遠、可多卡識別等優點。根據有無電池供電，其射頻標籤可分為有源標籤和無源標籤兩種，無源標籤只需配合閱讀器即可進行識別、信號傳輸工作。將溫度傳感器與無源射頻標籤結合在一起，形成無線傳輸溫度測量值的射頻前端，佔用空間小，成本增加不多，可用於血液製品、疫苗冷藏、易腐壞食品和物流中任何其他對溫度敏感的物品採集溫度信息。
[0004]現有採用射頻技術的溫度電子標籤由於天線結構的限制，體積大，無法安裝在西林瓶等小容器中；電壓差值量化測量溫度的方案，需要數模轉換器進行轉換，其功耗較大，造成無線傳輸距離較近。
【發明內容】
[0005]本發明採用基於RDIF技術的無源溫度電子標籤，解決了當前低溫傳感器需要電池或者有線電源的問題，其技術方案如下所述:
[0006]一種基於射頻技術的無線溫度電子標籤，包括依次連接的天線、模擬射頻前端電路、邏輯控制電路，所述模擬射頻前端電路包括整流電路模塊，以及和邏輯控制電路相連接的溫度檢測電路、振蕩器模塊、解調器、反向散射電路，所述天線和整流電路組成能量提取電路，所述邏輯控制電路採用FPGA模塊。
[0007]所述天線採用圓極化的微帶天線設計。
[0008]所述整流電路用於把交流電壓信號轉化為直流電壓，與穩壓電路和電壓基準電路相連接，所述電壓基準電路為基帶電路提供穩定的電源電壓。
[0009]所述整流電路還連接有電壓限幅保護電路。
[0010]所述解調器、反向散射電路直接與天線相連接。
[0011]所述FPGA模塊包括狀態機、解碼編碼、加密校驗、防衝突功能模塊。
[0012]所述整流電路的整流器件採用肖特基二極體。
[0013]所述溫度檢測電路包括基準電路模塊、第一振蕩器、第二振蕩器、分頻器、振蕩器關斷電路、計數器，所述基準電路模塊與第一振蕩器、第二振蕩器相連接，所述振蕩器關斷電路與第一振蕩器、第二振蕩器相連接，所述分頻器與第一振蕩器相連接，所述第二振蕩器、分頻器與計數器相連接。
[0014]所述第一振蕩器、第二振蕩器結構相同，採用環形振蕩器結構，由依次連接的基準電流產生電路、I個比較器、3個反相器、充放電電路組成。
[0015]本發明是針對當前無源射頻溫度電子標籤電路功耗大、感應天線尺寸大、信號傳輸距離近的問題，提出以下解決方案:採用對脈寬計數的方式測量溫度，較好的解決了低功耗的問題；採用圓極化的微帶線天線，並使天線的阻抗與無源射頻標籤的輸入阻抗匹配，實現感應天線體積小、低成本、通信距離遠等特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明提供的基於射頻技術的無線溫度電子標籤的電路示意圖；
[0017]圖2是所述圓極化天線的結構示意圖；
[0018]圖3是所述整流電路的電路不意圖；
[0019]圖4是所述溫度檢測電路的電路示意圖；
[0020]圖5是所述振蕩器的電路不意圖。
【具體實施方式】
[0021]無源射頻溫度電子標籤，主要包括天線，模擬射頻前端電路，邏輯控制電路三個基本功能模塊。
[0022]如圖1所示，天線接收到射頻信號，把信號傳輸給倍壓整流電路和解調器。整流器的作用是將天線接收到的交流信號轉換為直流電壓，產生標籤晶片所需的電源。整流電路把接受到的能量轉換為更高的直流電壓VDD輸出給穩壓電路和電壓基準電路，為基帶電路產生穩定的電源電壓REFVDD，大約1.65V，隨著溫度和工藝角不同而變化。所述整流電路還連接有電壓限幅保護電路，通過穩壓器實現，所述穩壓器的作用是為整流器所產生的直流電壓提供洩流支路，產生穩定的電源電壓，從而對電源電壓起到限幅的作用。從而防止輸入電壓過高，把晶片內部電路擊穿損毀。解調器和反向散射電路通過匹配網絡與天線相連:解調器從輸入信號中解調出有用數據發送給邏輯處理模塊進行下一步處理；反向散射電路通過改變自身的電容達到改變晶片輸入阻抗的目的，從而實現ASK調製。系統中的振蕩器為基帶電路提供穩定的時鐘信號。
[0023]所述模擬射頻前端電路包括溫度檢測電路，整流電路模塊，穩壓電壓電路，振蕩器模塊，解調器，反向散射電路以及相關數據接口模塊。
[0024]所述邏輯控制電路採用成熟的FPGA (Field Programmable Gate Array現場可編程門陣列)模塊來實現此功能，所述FPGA模塊內部包括狀態機、解碼編碼、加密校驗、防衝突等功能模塊，可以實現命令解碼、數據校驗，完成對射頻接口、EEPROM的控制操作，從而完成協議所要求的功能，此處不再詳述。
[0025]本發明中，所述天線如圖2所示，採用圓極化的微帶天線設計，天線體積比其他方案減小很多。由天線和N級倍壓整流電路組成能量提取電路。天線接收到從讀卡器發出的射頻能量，並且把能量轉換為交流電壓信號傳輸給N級倍壓整流電路；N級倍壓整流電路用於把交流電壓信號轉化為較高的直流電壓，為晶片正常工作提供穩定的直流電源。
[0026]在射頻電子標籤中，天線的面積佔主導地位，其面積決定了標籤的大小。由於電路功耗的降低，本設計中的天線採用圓極化，並使它的阻抗能夠和標籤晶片的輸入阻抗匹配，具有更少的輻射模式和返回損耗的幹擾。
[0027]所述倍壓整流電路結構如圖3所示，其整流器件採用肖特基二極體。圖中Cm為每一級的升壓電容，每兩個二極體組成一組升壓電路，一共有N級，N的取值根據整體電路要求，取值為4。輸出負載電容Cout的取值要比Cm大很多，用來濾除升壓過程中產生的波紋，從而使倍壓整流電路輸出穩定的直流電壓，同時大的負載電容也起到了儲存能量的作用。
[0028]所述溫度檢測電路如圖4所示，主要分為6個模塊:1)基準電路模塊:該模塊產生一基準電流提供給兩個振蕩器實現對其電容的充放電，同時產生不受溫度變化影響的基準電壓VREF和隨溫度變化的基準電壓VBE分別輸入到振蕩器2和振蕩器I。
[0029]2)振蕩器1:該振蕩器產生一個周期信號，該信號的周期與基準電流、VBE以及工藝有關。
[0030]3)振蕩器2:該振蕩器也產生一個周期信號，該信號的周期也與基準電流、VREF和工藝有關，但振蕩器I和振蕩器2結構完全相同，從而抵消了工藝的影響。
[0031]4)分頻器:由於兩個振蕩器的周期比較接近，為了能夠檢測出周期的變化，需要對振蕩器I輸出的信號進行分頻，並將分頻後的信號作為計數器的使能信號，文中採用512分頻。
[0032]5)振蕩器關斷電路:該模塊產生一個使振蕩器在計數完成後關斷的信號。
[0033]6)計數器:該模塊輸出計數值，用於判決溫度測量值。
[0034]其電路工作原理如下:
[0035]當使能信號到來之後，計數器復位，振蕩器I和振蕩器2開始振蕩。振蕩器I輸出信號送入分頻器，經過分頻以後產生一個T_EN信號，作為計數器的使能信號。振蕩器2產生的時鐘信號T_CLK作為計數器的時鐘，每一個T_CLK正沿的到來，計數器輸出增加I。當計數結束，也就是T_EN信號變為低的時候，關斷電路在延遲幾微秒後，產生一個使基準電流和振蕩器關斷的信號，從而避免計數器重複計數，同時降低了功耗。利用T_EN信號的溫度特性，通過計數器的計數值可解析出溫度。
[0036]所述振蕩器採用環形振蕩器結構，如圖5所示，它由I個比較器，3個反相器，I個充放電電路和基準電流產生電路組成。電路中兩個環形振蕩器採用同樣的電流基準對電容進行充放電，因此電流隨溫度、工藝等的變化對振蕩器的影響可以抵消，不會對溫度的測量結果產生影響。
[0037]由于振蕩器I和振蕩器2電路結構相同，電容C容值相同，充放電電流大小相同，因此，振蕩器的周期只取決於參考電壓。
[0038]本發明具有低功耗、實現感應天線體積小、低成本、通信距離遠等特點。
【權利要求】
1.一種基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:包括依次連接的天線、模擬射頻前端電路、邏輯控制電路，所述模擬射頻前端電路包括整流電路模塊，以及和邏輯控制電路相連接的溫度檢測電路、振蕩器模塊、解調器、反向散射電路，所述天線和整流電路組成能量提取電路，所述邏輯控制電路採用FPGA模塊。
2.根據權利要求1所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述天線採用圓極化的微帶天線設計。
3.根據權利要求1所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述整流電路用於把交流電壓信號轉化為直流電壓，與穩壓電路和電壓基準電路相連接，所述電壓基準電路為基帶電路提供穩定的電源電壓。
4.根據權利要求3所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述整流電路還連接有電壓限幅保護電路。
5.根據權利要求1所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述解調器、反向散射電路直接與天線相連接。
6.根據權利要求1所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述FPGA模塊包括狀態機、解碼編碼、加密校驗、防衝突功能模塊。
7.根據權利要求1所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述整流電路的整流器件採用肖特基二極體。
8.根據權利要求1所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述溫度檢測電路包括基準電路模塊、第一振蕩器、第二振蕩器、分頻器、振蕩器關斷電路、計數器，所述基準電路模塊與第一振蕩器、第二振蕩器相連接，所述振蕩器關斷電路與第一振蕩器、第二振蕩器相連接，所述分頻器與第一振蕩器相連接，所述第二振蕩器、分頻器與計數器相連接。
9.根據權利要求8所述的基於射頻技術的無線溫度電子標籤，其特徵在於:所述第一振蕩器、第二振蕩器結構相同，採用環形振蕩器結構，由依次連接的基準電流產生電路、I個比較器、3個反相器、充放電電路組成。
【文檔編號】G06K19/067GK104281869SQ201410553350
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】何國強, 陳躍武, 鄧哲, 梁志國, 劉立科 申請人:奧星製藥設備（石家莊）有限公司