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Schlüsselkomponente für Industrie 4.0

UHF-RFID-Chip zum batterielosen Sensorbetrieb

15. Februar 2020, 15:56 Uhr | Von Muralikrishna Sathyamurthy, M.Sc., MBA, Business Development Wireless Sensor ICs, IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Transponder-Architektur ohne Mikrocontroller

Nachteile etablierter diskreter Lösungen überwinden

In diskret aufgebauten kommerziellen RFID-Sensorsystemen werden die Sensor-Operationen vom Mikrocontroller per SPI oder I2C gesteuert, d.h. die MCU agiert als Master und der RFID-Transponder-IC sowie die Sensoren operieren als Slave. Solche Systeme haben drei wesentliche Nachteile:

Energieeffizienz: Der Großteil der verfügbaren Energie wird von der MCU mit ca. 100 µA/MHz verbraucht. Im Gegensatz zu HF-RFID haben UHF-RFID-Transponder ein sehr knappes Energiebudget, da die Fernfeldenergie sehr klein und der Wirkungsgrad der Energieextraktion mit ca. 30–40 % sehr niedrig ist. Die Kommunikationsreichweite und die Lesezuverlässigkeit des RFID-Sensors werden durch den Mikrocontroller stark limitiert.

Flexibilität: Der Sensorbetrieb wird nicht direkt durch das RFID-Lesegerät, sondern durch die MCU gesteuert. Die Firmware der MCU muss sensorspezifisch programmiert werden, basierend auf der Startzeit, dem Energieverbrauch und dem Messzeitraum. Das bringt Komplexität und zusätzlichen Aufwand bei der Entwicklung und dem Aufbau der RFID-Sensoren mit sich.
Kosteneffizienz: Die MCU inklusive der für sie benötigten externen Bauelemente macht einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten des RFID-Sensors aus.

Transponder-Architektur ohne Mikrocontroller

Es bedurfte neuer Transponder-Architekturen, um digitale Sensoren ohne MCU betreiben und die genannten Nachteile überwinden zu können. Das IMMS hat daher einen neuen RFID-Transponder-IC mit integriertem (On-Chip-) Master entwickelt (Bild 2). Die Entwicklung im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Förderprogramm IKT 2020 geförderten Projekt RoMulus profitierte von der konstruktiven Zusammenarbeit mit dem Partner microsensys. Die Master-Slave-Kommunikation wird direkt durch das RFID-Lesegerät mittels Schreiben der I2C-Kommunikationsinformationen in die Befehlsregister im Transponderspeicher gesteuert. Diese Informationen werden vom On-Chip-I2C-Master verwendet, um die I2C-Transaktionen mit den externen Sensoren zu initiieren.

Der vom IMMS entwickelte EPC-C1-G2-kompatible UHF-RFID-Sensor-Transponder-IC kann dank des flexiblen On-Chip-I2C-Masters und der konfigurierbaren Power-Management-Einheit eine regulierte Spannung für verschiedenartige externe Sensoren bis zu 1,8 V bei einem maximalen Strom von 1 mA liefern. Durch den On-Chip-I2C-Masterblock ist ein Mikrocontroller für Lese-/Schreiboperationen mit externen Sensoren nicht notwendig.

Dies senkt den Stromverbrauch des Gesamtsystems und die Anzahl der externen Komponenten, die zum Aufbau eines RFID-Sensortransponders benötigt werden. Weiterhin bietet der Chip folgende Konfigurationsmöglichkeiten: mehrfacher Lese- und Schreibbetrieb; kombinierter Lese- und Schreibbetrieb (Schreibinformationen zum Starten des Sensorbetriebs und Zurücklesen der erfassten Daten nach dem Betrieb); Startverzögerung (Zeit für das Starten des Sensors); Verzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden I2C-Schreibvorgängen (erforderlich beim Schreiben von Informationen in einen externen nichtflüchtigen Speicher). Die Architektur des Chips ist in Bild 3 dargestellt.