物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識(shí)別電路設(shè)計(jì)研究

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有感知識(shí)別電路在實(shí)際運(yùn)行中存在靈敏度低、功耗大的問(wèn)題，開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識(shí)別電路設(shè)計(jì)研究。為實(shí)現(xiàn)電路的通信傳輸，合理選擇射頻感知識(shí)別電路通信協(xié)議。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)感知識(shí)別信息采集。采用閾值補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢?duì)物聯(lián)網(wǎng)射頻電路前端進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用流水線工藝，實(shí)現(xiàn)電路數(shù)字低功耗設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)例證明，新的電路在實(shí)際運(yùn)行時(shí)靈敏度更高，且靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗均能夠控制在理想范圍內(nèi)，應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；感知識(shí)別電路；射頻電路；閾值補(bǔ)償；靜態(tài)功耗；動(dòng)態(tài)功耗

中圖分類號(hào)：TP39；TN4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，RFID已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。射頻感知識(shí)別技術(shù)以其非接觸、快速、高效的特性，在物流管理、身份識(shí)別、智能交通等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。因此，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識(shí)別電路的設(shè)計(jì)研究具有十分重要的意義[1]。傳統(tǒng)的射頻感知識(shí)別電路通常使用射頻能量的幅度或相位信息進(jìn)行信號(hào)識(shí)別。近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，新型射頻傳感器如表面聲波傳感器、共振傳感器等也被引入射頻感知識(shí)別電路中，提供了更多的信號(hào)特征，但在應(yīng)用過(guò)程中其存在靈敏度低、功耗大的問(wèn)題[2-3]。在該背景下，開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識(shí)別電路設(shè)計(jì)研究。

1 射頻感知識(shí)別電路通信協(xié)議選擇

為實(shí)現(xiàn)電路的通信傳輸，對(duì)射頻感知識(shí)別電路通信協(xié)議進(jìn)行選擇。本次選取高頻協(xié)議，其基本參數(shù)信息見(jiàn)表1所列。

讀寫(xiě)器和標(biāo)簽間的數(shù)據(jù)傳遞采用載波調(diào)制方法。利用不同時(shí)間間隔的脈沖產(chǎn)生數(shù)據(jù)編碼，每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔都對(duì)應(yīng)特定的數(shù)據(jù)編碼信息。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，脈沖的下降沿（從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換）被標(biāo)簽所檢測(cè)[4]。標(biāo)簽通過(guò)測(cè)量2個(gè)脈沖下降沿之間的時(shí)間間隔，即所謂的脈沖時(shí)間間隔（Tari）來(lái)解碼接收的數(shù)據(jù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知識(shí)別信息采集

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，射頻感知辨識(shí)信息獲取方法以感知層為核心，構(gòu)建3層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，制定了SEN_once_read、SEN_period_read和SEN_period_start共3個(gè)命令，分別用于實(shí)現(xiàn)感知識(shí)別電路中對(duì)信息的單次采集、周期性讀取和周期性采集[5]。信息采集命令是核心功能，便于用戶選擇內(nèi)置的溫度傳感器或外接的傳感器[6]。該設(shè)計(jì)滿足了不同場(chǎng)景的需求，無(wú)論是需要精確測(cè)量的場(chǎng)合還是需要大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。在命令的優(yōu)先級(jí)設(shè)置上，綜合考慮各種因素，設(shè)定傳感器信息采集命令為較高優(yōu)先級(jí)，僅次于開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化計(jì)數(shù)命令。這樣的安排確保了在處理其他協(xié)議規(guī)定和用戶自定義的命令時(shí)，傳感器信息采集命令能夠得到及時(shí)執(zhí)行。為避免在信息采集過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出問(wèn)題，對(duì)標(biāo)簽芯片上的存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行了精心規(guī)劃。對(duì)于單次信息采集任務(wù)，預(yù)留48 b存儲(chǔ)區(qū)，以容納所需數(shù)據(jù)。而對(duì)于需要連續(xù)、周期性采集的情況，分配3 Kb存儲(chǔ)區(qū)，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性[7]。

3 物聯(lián)網(wǎng)射頻電路前端設(shè)計(jì)

天線模塊是射頻電路前端的重要組成部分，負(fù)責(zé)傳輸和接收無(wú)線信號(hào)。需要根據(jù)應(yīng)用需求和射頻頻率來(lái)設(shè)計(jì)和選擇合適的天線類型和尺寸。在射頻電路中，阻抗匹配至關(guān)重要，其決定了信號(hào)的傳輸效率和能量損耗。在電路中，背壓整流電路可以采用N級(jí)Dicson電荷泵結(jié)構(gòu)，利用二極管作為整流器件，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓。假設(shè)輸入的交流信號(hào)幅度為Vin，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化運(yùn)算，將輸入信號(hào)看作方波信號(hào)，其最終的輸出直流電壓可表示為：

（1）

式中：Vout表示輸出直流電壓；N表示整流電路的級(jí)數(shù)；C表示耦合電容；Cs表示節(jié)點(diǎn)寄生電容；Vth表示二極管閾值電壓；Iload表示整流電路的負(fù)載電流；f表示輸入信號(hào)頻率。由式（1）可以明確看出，增加電路的級(jí)數(shù)以及降低后級(jí)電路的負(fù)載電流，都可以有效增大輸出電壓。然而，二極管的閾值電壓Vth是影響輸出電壓的關(guān)鍵因素。當(dāng)Vin小于或等于Vth時(shí)，二極管將無(wú)法正常導(dǎo)通，導(dǎo)致輸出電壓接近0。此外，節(jié)點(diǎn)寄生電容Cs也是影響輸出電壓的一個(gè)重要因素。盡管它不如閾值電壓Vth對(duì)輸出電壓的影響顯著，但仍然會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生一定的降低效果[8]。

為獲得更高的輸出電壓，需要設(shè)計(jì)電路的級(jí)數(shù)和后級(jí)電路的負(fù)載電流。同時(shí)，還需特別關(guān)注二極管的閾值電壓和節(jié)點(diǎn)寄生電容的影響，以確保輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。假設(shè)所有C和Cs開(kāi)路，2N個(gè)二極管相互串聯(lián)，則此時(shí)二極管直流偏置可表示為：

（2）

式中：VBias_DC表示二極管直流偏置；2N表示二極管串聯(lián)數(shù)量。由于后級(jí)電路的最低工作電壓通常為1 V，因此，采用閾值補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ玫阶罱K設(shè)計(jì)的兩極倍壓整流電路，其電路如

圖1所示。

圖1中，Vrf表示輸入射頻信號(hào)幅度；RL表示電阻；VA表示節(jié)點(diǎn)A電壓；RA表示節(jié)點(diǎn)A電阻。

4 數(shù)字電路低功耗設(shè)計(jì)

在射頻感知標(biāo)簽芯片的設(shè)計(jì)中，有很多的數(shù)據(jù)需要處理，所以可以采用低能耗的流水線技術(shù)來(lái)降低電路的能耗。流水線技術(shù)應(yīng)用后，電路功耗的計(jì)算公式為：

（3）

式中：P表示功耗；c表示電路的等效電容；V表示電源電壓；F表示電路的工作頻率。每個(gè)流水線級(jí)的功耗可以通過(guò)上述公式計(jì)算，然后將各級(jí)功耗相加即可得到流水線的功耗。在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，有限狀態(tài)機(jī)（FSM）是一種常用的時(shí)序邏輯電路模塊，其能夠進(jìn)行信號(hào)序列檢測(cè)、輸入命令處理或控制輸出數(shù)據(jù)等任務(wù)。FSM的能耗主要來(lái)源于邏輯電路和狀態(tài)寄存器觸發(fā)電路，可通過(guò)狀態(tài)壓縮、冗余消除、動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)等方式完成該模塊的低功耗設(shè)計(jì)，具體如下：

（1）狀態(tài)壓縮：對(duì)于FSM中的狀態(tài)，如果多個(gè)狀態(tài)在相同轉(zhuǎn)換條件下具有相同后續(xù)狀態(tài)，那么可以將這些狀態(tài)合并為一個(gè)狀態(tài)。通過(guò)壓縮可以減少狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)量，從而降低功耗。

（2）冗余消除：檢查FSM中是否存在冗余的狀態(tài)或轉(zhuǎn)換。如果存在，可以通過(guò)消除這些冗余來(lái)降低功耗。例如，如果一個(gè)狀態(tài)只被訪問(wèn)一次，那么可以刪除該狀態(tài)。

（3）動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)：根據(jù)FSM的工作負(fù)載和需求，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓和頻率可以有效降低功耗。在輕負(fù)載或空閑狀態(tài)下，可以降低電壓或頻率；而在高負(fù)載狀態(tài)下，可以提高電壓或頻率以保證性能。

5 實(shí)例應(yīng)用分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的可行性，對(duì)該電路進(jìn)行研制，并結(jié)合電路實(shí)際運(yùn)行效果實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案可行性的驗(yàn)證。在對(duì)電路運(yùn)行效果檢測(cè)時(shí)，所需用到的測(cè)試設(shè)備包括：Inpinj型號(hào)讀寫(xiě)器A；SENSE-S1645型號(hào)讀寫(xiě)器B；ARM9型號(hào)開(kāi)發(fā)板；Agilent DSO90254A型號(hào)示波器。檢測(cè)該辨識(shí)電路的靈敏度：首先，將被測(cè)裝置經(jīng)一根同軸電纜與綜測(cè)儀RF1接口相連；然后，在菜單中選擇靈敏度檢測(cè)接口，設(shè)定信號(hào)的頻率、調(diào)制參數(shù)、數(shù)據(jù)源；最后，設(shè)定電源，以保證被測(cè)試裝置能夠收到并準(zhǔn)確顯示。在此基礎(chǔ)上，逐級(jí)減小功耗，直至被測(cè)試裝置無(wú)法正常接收數(shù)據(jù)。在這一點(diǎn)上，綜測(cè)儀可以讀取結(jié)果。射頻傳感辨識(shí)電路并不要求其具有較高的靈敏度，而應(yīng)結(jié)合具體的應(yīng)用要求進(jìn)行平均值求解。在某些應(yīng)用場(chǎng)景下，高靈敏度可以提升電路的識(shí)別能力和適應(yīng)性，但在另一些應(yīng)用場(chǎng)景下，過(guò)高的靈敏度可能導(dǎo)致誤識(shí)別和干擾。根據(jù)此次測(cè)試的要求，射頻感知識(shí)別電路的靈敏度應(yīng)當(dāng)控制在-5.0～-15.0 dBm范圍內(nèi)。共進(jìn)行10次測(cè)試，記錄每一次電路靈敏度結(jié)果，見(jiàn)表2所列。

從表2中我們可以清晰地看到，經(jīng)過(guò)10次運(yùn)行測(cè)試，按照文中所闡述的設(shè)計(jì)思路研發(fā)的射頻感知識(shí)別電路，其靈敏度均穩(wěn)定在-5.0～-15.0 dBm理想范圍內(nèi)。這一結(jié)果表明，該電路在實(shí)際應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出相當(dāng)理想的應(yīng)用性能。

為進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，作者不僅關(guān)注了電路的靈敏度，還特別關(guān)注了其在運(yùn)行過(guò)程中的功耗。在設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)充分考慮了低功耗的需求。

在進(jìn)行靈敏度測(cè)試的同時(shí)，對(duì)這10次運(yùn)行過(guò)程中的功耗進(jìn)行了詳細(xì)記錄。這些數(shù)據(jù)被整理并記錄在表3中，以便后續(xù)分析和比較。

該電路在運(yùn)行過(guò)程中，靜態(tài)功耗應(yīng)控制在總功耗的10%～20%，動(dòng)態(tài)功耗應(yīng)控制在總功耗的20%～30%。從表3中的數(shù)據(jù)中可以看到，該射頻感知識(shí)別電路在保證高性能的同時(shí)，也展現(xiàn)出了良好的低功耗特性。

綜上所述，基于文中所提出的電路設(shè)計(jì)思路，研發(fā)出的射頻感知識(shí)別電路不僅在靈敏度方面表現(xiàn)出色，滿足了實(shí)際應(yīng)用需求，更在功耗控制方面取得了顯著成果。這為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中提供了更為可靠、節(jié)能的解決方案，進(jìn)一步推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展[9-10]。

6 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識(shí)別技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。文中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)射頻感知識(shí)別電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，介紹了射頻感知識(shí)別技術(shù)的原理和電路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。雖然目前射頻感知識(shí)別電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題需要解決。未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻感知識(shí)別技術(shù)將有更廣泛的應(yīng)用前景，射頻感知識(shí)別電路的設(shè)計(jì)研究仍需不斷深入。

參考文獻(xiàn)

[1]黃春雷，禹建麗. ZPW-2000R軌道電路列車運(yùn)行數(shù)據(jù)特征分析和識(shí)別方法[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2021，18（s1）：90-94.

[2]高博斌，楊長(zhǎng)江，常軍.基于深度學(xué)習(xí)的鋅電積電化學(xué)阻抗譜等效電路的高效識(shí)別[J].礦冶，2022，31（3）：59-66.

[3]宗銳，何福根，張帆遠(yuǎn).一種具有學(xué)習(xí)功能的電器識(shí)別電路設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（19）：122-125.

[4]郭志華，薛曉慧，厲娜，等.一種智能電表電路暫態(tài)故障實(shí)時(shí)識(shí)別方法[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2023，52（6）：70-76.

[5]郭喜榮，常國(guó)榮，胡溥宇，等.新型便攜式劑量率儀振動(dòng)識(shí)別電路模塊設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2023，43（3）：556-561.

[6]杜銳.基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的耦合電路故障識(shí)別方法[J].山東工業(yè)技術(shù)，2023，42（2）：92-96.

[7]王潔，石紅麗，瞿小玲，等.基于射頻識(shí)別的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（5）：174-176.

[8]陳瑤.透明晶體管基射頻識(shí)別集成電路研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2020.

[9]袁方.基于AES的物聯(lián)網(wǎng)感知協(xié)議安全技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2015.

[10]梁能.基于新型多進(jìn)制正交幅度調(diào)制通信的可計(jì)算射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2023，39（9）：171-174.

作者簡(jiǎn)介：趙轉(zhuǎn)莉（1976—），女，河南原陽(yáng)人，本科，講師，研究方向?yàn)殡娐贰⑽锫?lián)網(wǎng)、嵌入式。

楊亞男（1991—），女，河南許昌人，碩士，助教，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)應(yīng)用。