超高频RFID标签无源传感的发展和特点

   在一个超高频RFID系统中，标签在大多数情况下处于被动状态,只有阅读器对标签进行盘点才能获得标签的数据,传统的无源RFID标签功能非常简单，只能提供简单的ID号码,然面、RFID无源传感系统很多时候需要通过RFID管理和控制一些传感器设备，从传统的RFID标签到具有管理控制能力的无源传感标签之间有一定的距离,经过十几年的努力，这条路终于走通了，它的发展有如下几个方向:传统无源超高频RFID标签,带有简单接口功能的标签、内置温度传感器的标签、内置处理器及数字接口的标签、内置ADC及处理器的标签。

1.带有简单接口功能的标签

带有简单接口功能的标签在2010-2012年量产问世.如NXP的GZiL+和Impinj的Mona-X 系列,其特点是具有简单接口，但是无法获取传感数据，且如果开启IIC等数字通信接口，则需要外接电源，从而无法实现无源无线传感,这些标签带有数字通信的接口一般只能作为从机使用,需要外置MCU控制,无法实现无源无线管理。

从芯片设计的角度分析,带有简单接口功能的标签只是在传统的超高频RFID标签芯片设计上做了一些小的改动。

1) 10接口

新增芯片内部的IO接口(输入输出端口),连接到新的管脚,原有的超高频RFID标签芯片只有两个有效管脚RF+和RF-，新增1O接口后管脚至少扩展到4个,如新增Pout和Pin.

其中Pout的作用是输出一个高或低的电平，触发或启动外部设备,可以通过无线通信的方式控制Pout的0/1数值;Pin的作用是接收外部设备的电平，判断是高或低，再通过无线的方式传输出去。

以前介绍过的铅封功能,就是在芯片的Pout口输出高电平1.然后判断Pin接口的高低电平,如果Pout和Pin是电气连接的,那么Pin口的电平为高;同理，如果两个接口之间的连接断开，则Pin口接收到的电平为低，系统可以通过Pin 口的电平判断铅封的状态。

在连接外部设备的时候,可以采集1b的外部设备状态以及提供1b的外部控制。如Pin 口连接一个外部设备，回读器不断与该标签通信并不断获取外部设备连接的Pin 口参数，当外部设备启动或完成工作对Pin口输出高电平时，阅读器可以快速获得。同理,阅读器可以通过无线Pout 口可以触发一个外部设备工作或停止。

2)电源管理

改变原有的电源管理模块,普通标签芯片的电源管理模块只为芯片内部的各个部分提供能量,无法为外部设备供电,也无法使用外部电池供电。新的电源管理模块险支持原有普通标签芯片的功能外，新增了外部电源辅助功能和输出电源功能。

其中，电池辅助功能可以为芯片提供能量，当外接辅助电池且启动该功能时，芯片的射频电路、存储电路、数字逻辑电路等部分的供电均来自外部电池,可以大幅提高芯片的灵敏度的极限由原来的功率受限(正向受限)变为阅读器灵敏度受限(反向受限)。此时的读和写灵敏度是相同的，由标签芯片的解调灵敏度决定:而普通标签读和写灵敏度6的差别,是由于写操作时存储器的功耗远大于读操作时的功耗。

具有外部电池辅助功能后，芯片可以提供更大的驱动能力，从而可以支持IIC等功耗较数字电路，同时可以输出带有一定驱动能力的稳压电源，给其他外部设备供电,新的芯62有外部电池供电时，也可以提供一个能量较小的输出驱动电压源，其负载能力较弱。

在校近距离处点亮一个LED灯，该应用也已经有不错的扩展，如在一批标签中指定一个具有特性的标签点亮LED.方便人工寻找。

3）数字接口

普通的标签芯片只具备无线通信的数据交互能力，当芯片配合外部设备工作时，仅仅通过1B通信是不够的,最简单的方式是增加数字接口。

此为芯片常用的数字接口为IIC: IIC(Inter Integrated Circuit)其实是 IIC Bus简称，所中文应该叫集成电路总线,它是一种串行通信总线,使用多主从架构。IIC申行总线一般条信号线:一条是双向的数据线SDA,另一条是时钟线SCL.所有接到IIC 总线设备1中行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。

带有数字接口的芯片可以实现双通道通信,无线通道与阅读器通信，数字有线通道与外接设备通信,由于标签芯片为了省电一般只支持数字接口的从机,整个系统的通信过程有复杂，具体操作为:外部设备可以通过数字接口对芯片内部的存储区进行读写操作，同种同设器可以通过无线通道对芯片内部的同样存储区进行操作,当外部设备完成某项工作有其他主动要求时，将数据卸载到存储区的指定位置，阅读器周期性的读取标签，并获法区域的数据,从而获得外部设备的状态或命令:同时当应用层需要外部设备执行某项个时，可以通过阅读器在标签的存储区的指定位置写人特定数据;外部设备周期性的通数字接口识别芯片的存储区域,获得应用的需求从而执行。如此的双向通信方式,标签芯9为一个接口转换器,将原有只具备有线通信的设备改造为无线通信控制的设备。

当然采用其他的无线技术也可以实现有线到无线的通信改造,这里要注意的是，只有小型化、超低功耗，低成本且大量的物联网设备需要改造时采用该方案才具有优势。

总的来说，带有简单功能接口的标签芯片开发较为简单,且都使用传统技术，只是原有5片的简单升级。从应用的角度看，可以实现如铅封和点灯等简单创新应用，无法实现复会的传感器集成应用。

2.内置温度传感器的标签

内置温度传感器的超高频RFID标签芯片这个概念在2005年就已经提出，香港科技大学芯片实验室就是在2005年开始承接当地政府的物流测温超高频RFID总片项目的.然而其大规模量产要等到10年后的2015年,内置温度传感器的标签一直是RFID与传感情合的热门话题,最初的目标市场是冷链应用。不过至今冷链市场中RFID的用量都不大，更别提带有温度传感器的RFID标签了,所以内置温度传感器的标签市场重心转为工业领域，尤其是在超高温等无法使用电池供电的无线测温场景(如电力温度监控等)下，取得了一定的成果。

测温是超高频RFID标签最容易实现的芯片集成功能:压力相关的传感器一般需要机械结构的支持(如采用MEMS技术),湿度相关的传感器同样需要结构电容的参与,一般采用栅状结构实现，不过在超高频RFID标签中可以合理利用天线设计实现,其他类型的传息器则需要更多芯片和结构的支持，很难集成到一颗标签芯片内部,同时温度传感器也作为其他传感器校准使用的基础参数,许多传感器的精度都需要通过温度进行计算和校准,如盟度、压强等传感器都需要先采集到温度数据,再进行运算才可以得到精确的数值。

内置温度传感器的标签芯片与普通的标签芯片在外观上完全相同,同样只是两个有效管脚RF+和RF-，在封装工艺上也是相同的,同时支持晶元级的倒封装和SOT/QFN的回流焊封装以及特种标签的SIP封装。不同点在于内置温度传感器的标签由于应用场景不同，使用的工艺不同。如需要使用在电力等高温环境中,则不能使用传统的倒封装工艺以及PET 基材,需要使用陶瓷基材的银浆标签配合SIP封装或回流焊工艺,此外,倒封装工艺热压时，会改变芯片的一些物理特性,对温度的精度有所影响,对于冷链等精度要求并不高的应用勉强可以接受;对于精度要求较高的人体、动物测温等,不建议采用倒封装技术。

从芯片设计的角度分析,内置温度传感器的标签芯片主要做了两点创新,分别是电源管理部分和低功耗的温度传感器。

1)电源管理部分

一般情况下,内置温度传感器的标签芯片面积比传统的标签芯片面积要大很多,这部分增加的面积并不是因为新增温度传感器,主要是由电源管理模块增加的。普通标签芯片的电源管理部分为了节约面积(面积决定成本),其结构非常简单。而带有温度传感器的标签芯片需要稳定工作在高低温场景中,尤其是在高达150℃的环境中时,芯片内部器件的特性都会发生很大的变化。普通的标签芯片由于系统漏电等原因,在超过85℃时其性能急剧下降，还没有到达100℃就无法工作了。与此同时,内置的温度传感器需要一个非常准确的基准电压,这个电压要求大范围温度段内要有较好的一致性,在工业场景中,系统对于稳定性的要求非常高，需要芯片具有很强的鲁棒性。

基于上述原因，整个芯片的电源管理部分需要完全重新设计，并在高温和常温的特性上寻找一个相对平衡的灵敏度曲线,在稳定性、成本和性能上进行折中。

2)内置温度传感器

温度传感器是最常见的传感器,用芯片实现温度传感器也是通用方法,不过采用超高频RFID 技术的内置温度传感需要具有低功耗和小尺寸的特点。

最简单实现方式是通过两个不同特性的振荡时钟计数转换为对应的温度,由于半导体工艺中的器件具有随温度变化,根据相应的变化曲线,可以构造一个环形振荡器A.其振荡颜率随温度变化,再构造一个不随温度变化的标准振荡器B(振荡器B的频率远高于振荡器A)，用标准振荡器B采集振荡器A.可以得到一个振荡器A的周期内存在多少个振荡器日的周期,从而通过公式可以计算出对应的当前温度。

由于半导体在生产过程中存在工艺偏差,需要在芯片测试的时候进行校准，以达到预期的温度精度,不同应用的标签芯片需要校准的温度范围和校准方法略有不同，一般情况下，精度要求越高或测温范围越大,其校准难度越大、校准时间越长，成本也越高,普通的温度计和体温计都是需要经过校准的，相比而言，内置温度传感器的标签在批量校准时具有优势。

内置温度传感器的精度还与接收到的间读器功率以及自身封装有关,当圆读器输出功率变化或到标签的距离变化时,标签收到的功率也会发生变化,从而影响振荡器的频率。如国外某品牌的温度传感标签在不同输人功率下温度相差7て之多，该产品只能通过阅读器变化输出功率，多次采集数据后算法优化的方式获得改进温度数据,即使有所改善，误差仍很大,优秀的电源管理模块和消除压力影响的振荡器设计会有很大改善，但依然会产生1℃-0.2℃的误差。

标签的封装与实际的测温有很大的相关性，这里需要考虑的3个参数是自发热、热源传早特性和散热性。

***自发热；顾名思义是芯片在工作的时候接收到圆读器的电破波转化为电能支持系统工作，与此同时，多余的能量会导致内部损耗引起自发热。系统所需要的能量是固定的,标签芯片收到的能量越多，多余的能量就越多，自发热就越明显。当阅读器持续不断地发射较大的电磁波给标签供电时,芯片的自发热就会比较明显,从而导致测试温度高于实际环境温度。解决该问题的手段有减小盘点次数、控制标签输人功率、标签封装采用较好的散热或采用内置ADC 配合外置温度传感器的方案。

***热源传导特性是指需要测温的热源需要将热量传递到标签芯片中,这个热传递过程的效率非常关健。如果热源传递到测温标签芯片时的温度与热源不相同，或传递时间过长(跟温性差)都会影响系统测温结果。采用良好的导热材料和封装技术是解决该问题的关键点。

***散热性也是测温标签需要重点关注的,在许多应用中,热源的温度与环境的温差很大,标签芯片获得的热源传导能量很容易受到环境温度的影响。

在实际应用中,应该综合考虑应用环境，在自发热、热源传导特性和散热性几个方面折中的设计方案，有时还需要通过一些公式进行优化,通过数据处理,可以实现更多功能，如在电力应用中,当前的温度度数可能是几分钟前的实际温度,异常的温度变化趋势有时表现为设备的异常预警。

市场中一些特种标签，并不需要测温,但要求在高温工作时依然有一定的性能保证,传统的标签芯片在高温时完全无法工作，也可以采用这种耐高温的内置温度传感器的标签、自置温度传感器的标签应用也越来越多，如人体测温、动物测温等新的应用层出不穷，后续の发展趋势围绕封装工艺和标签温度校准的开发和创新。

3.内置处理器及数字接口的标签

由于带有简单接口功能的标签只能作为从机使用,所以无法主动管理外部多种复杂的传感器。尤其是一些需要本地运算的传感器,如果把原始数据都存储在标签芯片的存储区，由阅读器读取后传递给应用层运算，那么其芯片的存储空间需要几百KB,且传输的过程也需要很多时间，因此迫切需要一种带有运算功能的标签芯片,传统的有源无线传感产品,都是通过微控制单元(Micro-Controller Unit.MCU)控制传感器，并通过有源无线技术传输出去。一些企业就将这套传统方案移植到了超高频RFID标签芯片系统中,将MCU最人标签系统中。

市场上的传感器集成度越来越高，多数采用SPI数字接口与MCU 通信,SPI是SerialPeripheral interface 的缩写,顾名思义就是申行外围设备接口,是Motorola首先在其MC68HCXX 系列处理器上定义的,SPI接口主要应用在EEPROM、Flash,实时时钟,AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间,SPI是一种高速、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用4根线，节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局节省了空间。正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议,因此内置处理器及数字接口的标签芯片采用了SPI接口,由于系统中有时候需要MCU 控制传感器，有时候需要被控制，所以该芯片的SPI接口既可以作为主机,也可以作为从机,由于一些传感器的功耗比较大,只是依靠标签的供电是不够的,需要外部的供电，因此,该芯片具有外接电源的能力，且需要具备超低功耗电池接口的管理能力。

内置处理器及数字接口的标签的雏形已经出来近十年时间,但市场的拓展并不顺利，主要原因是其灵敏度较差,无法在较远距离工作,由于芯片内部具有数字接口,其功耗较高。

再加上需要给外部传感器供电(外部传感器功耗最大的部分也是数字接口),最终导致标签接收到的能量不够,只能通过调整阅读器与标签之间的距离增加能量强度,从而提供更大的电流。当使用外部电池供电时,标签工作距离也不超过20m.对比传统的无线传感方案没有优势,传统的无线方案可以将信号传播到几百米外的接收机。

即使工作距离很近,对于一些只能使用无源传感的应用，最终不得不选择内置处理器及数字接口的标签技术,尤其是项目中指定为某种SPI接口的传感器。

4.内置ADC及处理器的标签

基于内置ADC及处理器的标签芯片存在功耗大、距离近的问题，国内的一家无源无线传感公司开发了内置ADC及处理器的标签芯片。

在分析内置处理器及数字接口的标签芯片时发现影响系统功耗最大的部分是芯片内部的SPI数字接口和传感器内部的数字接口,一个带有数字接口的传感器内部有以下几个部分:模拟传感器件部分、信号放大器部分、模数转换器ADC部分、数字处理部分,一次传感器的数据采集过程为:阅读器通过无线命令告知标签芯片启动传感器采集;标签芯片给传感器供电并通过SP1接口启动传感器芯片;模拟传感器件部分输出电压或电流参数:信号放大器部分将模拟传感器输出的信号放大;模数转换器ADC部分将模拟信号转换为数字信号;数字处理部分对数据进行处理并通过SPI接口传给标签芯片。从上述的传感器数据传输过程中可以发现系统中两次用到SPI接口,而真正的有效数据与SPI接口无关，但系统需要给标签芯片和传感芯片的两个SP1数字部分供电(低功耗模式下SPI的功耗为几微安),如果将两颗芯片的SPI数字接口去除，则系统仍然是完整的,只是无法将数据传输到标签芯片中。如果将上述信号放大器部分、模数转换器ADC部分、数字处理部分都放在标签芯片内，则既可以实现数据的传输，又可以实现低功耗，只是从原来的SPI数字接口改为现在的模拟接口。

具有内置ADC及处理器的标签芯片是2018年左右才出现的全新无源无线产品,具有低功耗、传感器适配性强等优点。在一些数字传感器芯片中已经集成了温度传感器，这是为了精度校准，而采用模拟传感器件后就需要额外的温度传感器进行校准，因此标签芯片集成了温度传感器，当然也可以通过模拟接口连接外接的温度传感器实现温度校准的功能,其可以连接的传感器种类非常多,包括温度传感器、气压传感器、应力/压力传感器、亮度传感器、湿度传感器等。

具有内置ADC 及处理器的标签芯片是行业的创新,主要应用于复杂的工业控制采集环境，如重型机械轴承管理、超高温(300℃)环境测温、建筑应力管理等。