Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia
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Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CONCEPÇÃO DE UM CHIP RFID COM UM SENSOR DE TEMPERATURA INTEGRADO EM TECNOLOGIA CMOS Aluno: Lucas Sakaae Rosa Utiyama Professor Orientador: Márlio José do Couto Bonfim JUNHO 2010 2 Sumário 1 Introdução .................................................................................................................................. 4 2 Laboratório IMS-Bordeaux ......................................................................................................... 6 2.1 Apresentação Geral ............................................................................................................. 6 2.2 Departamento COFI ............................................................................................................ 6 2.2.1 Estruturação ................................................................................................................. 6 2.2.2 Natureza das pesquisas ................................................................................................ 7 3 Identificação por Rádio Frequência ........................................................................................... 8 4 O projeto Chip Calor ................................................................................................................. 10 4.1 Especificações.................................................................................................................... 10 4.1.1 Alimentação ............................................................................................................... 10 4.1.2 Sensor ......................................................................................................................... 10 4.1.3 Comunicação .............................................................................................................. 10 4.1.4 Normalização.............................................................................................................. 11 4.2 ISO/IEC 18000-2 ................................................................................................................ 12 4.2.1 Frequência de trabalho .............................................................................................. 14 4.2.2 Codificação dos dados do leitor para o TAG .............................................................. 14 4.2.3 Codificação dos dados do TAG para o leitor .............................................................. 15 4.2.4 Comandos................................................................................................................... 15 4.2.5 – Diagrama de Estados ............................................................................................... 16 4.3 O Diagrama de Blocos ....................................................................................................... 17 4.3.1 Descrição dos Blocos .................................................................................................. 18 4.3.2 Sensor de temperatura integrado .............................................................................. 20 4.3.3 Contribuição ............................................................................................................... 23 5 Concepção Do Circuito Regulador de Tensão .......................................................................... 24 5.1 Princípio de Funcionamento ............................................................................................. 24 5.2 Dimensionamento dos Componentes ............................................................................... 26 5.3 Simulações......................................................................................................................... 28 5.3.1 Regulação de Linha..................................................................................................... 28 5.3.2 Regulação de Carga .................................................................................................... 29 5.3.3 Tolerância à variação de temperatura ....................................................................... 31 5.3.4 Análise em Regime Transitório .................................................................................. 32 6 Memória e Simulações Digitais ................................................................................................ 35 3 6.1 Interface com a Memória .................................................................................................. 36 6.2 Simulações Digitais ............................................................................................................ 37 7 Simulações Sistema .................................................................................................................. 39 7.1 Módulo Sensor de Temperatura e Regulador de Tensão ................................................. 39 7.2 Módulo Sensor de Temperatura, Regulador de Tensão e Memória ................................ 40 8 Concepção de um circuito digital de testes ISO 11784/85 ...................................................... 43 8.1 ISO 11784/85 ..................................................................................................................... 43 8.2 Diagrama de blocos ........................................................................................................... 44 8.3 Calculador CRC .................................................................................................................. 46 8.4 Sequenciador..................................................................................................................... 47 9 Conclusão ................................................................................................................................. 50 10 Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 51 4 1 Introdução Atualmente, os procedimentos automáticos de identificação são cada vez mais populares e necessários, fornecendo de uma forma rápida informações sobre pessoas, animais e mercadorias. Muitos métodos de identificação são conhecidos e utilizados, particularmente os códigos de barras, que graças a seus baixos custos de fabricação e utilização, são vastamente empregados em cadeias de produção e distribuição. No entanto, para algumas aplicações em particular, principalmente aquelas nas quais se precisa de mais segurança sobre a informação ou a capacidade de armazenamento de dados deve ser grande, outras soluções de identificação são muito melhor adaptadas, como os cartões com chip e a identificação por radiofreqüência (RFID). Os sistemas de RFID funcionam sem necessidade de contato entre o leitor e o dispositivo transmissor-receptor (comumente chamado de TAG). O leitor envia um sinal eletromagnético para o TAG que responde com seu número de identificação e outras informações, conforme a aplicação [1]. Este modo de funcionamento sem contato é uma grande vantagem em comparação com sistemas de cartões com chip, nos quais a necessidade de contato mecânico limita as aplicações. Entre outras vantagens, as técnicas de radiofrequência permitem a identificação rápida de vários TAGs ao mesmo tempo, tornam muito difícil a modificação dos dados sem autorização e são muito práticos quanto à posição e direção relativa do TAG, pois normalmente basta se respeitar a distância máxima de leitura que a identificação será feita. Atualmente, o controle da qualidade sobre certas mercadorias é cada vez mais importante. Produtos como medicamentos e alimentos devem ser submetidos desde suas origens até o consumidor final a um controle rigoroso da temperatura, o qual é chamado de “Cadeia do Frio”. Graças às características do RFID, várias aplicações são possíveis, indo muito além da simples identificação. A integração dentro de um TAG de um sensor de temperatura permite armazenar um histórico das temperaturas às quais esse produto foi submetido, satisfazendo assim as necessidades da “Cadeia do Frio”. É a partir desta análise que foi concebida a idéia do projeto Chip Calor. O presente trabalho de conclusão de curso faz parte do desenvolvimento do projeto Chip Calor e a maior parte dos trabalhos práticos foram realizados no laboratório IMS-Bordeaux, na cidade de Talence, França. Assim sendo, este trabalho é composto por: Uma breve descrição do laboratório. Algumas informações básicas sobre sistemas RFID. Descrição geral do projeto Chip Calor. 5 Descrição específica das partes do projeto desenvolvidas neste trabalho de conclusão de curso. 6 2 Laboratório IMS-Bordeaux 2.1 Apresentação Geral O laboratório IMS desenvolve ações de pesquisa originais e coerentes nos domínios de: Mobilização e elaboração de materiais, sensores e micro sistemas para dispositivos eletrônicos. Modelização, concepção integração e análise da confiabilidade de componentes, circuitos e montagens. Identificação, comando, diagnóstico, tratamento de sinais e imagens, supervisão e condução de processos complexos. Os domínios de aplicação são principalmente as telecomunicações, os transportes, a saúde e a energia. Eles são estudados e analisados através do financiamento de diversos projetos europeus, franceses e da região da Aquitânia [2]. A organização operacional do laboratório IMS Bordeaux é feita pela divisão em três departamentos, que se organizam conforme a tabela 2.1. Departamento MCM Departamento COFI Departamento LAPS Materiais Micro-sistemas Bio-eletrônica Concepção Nanoeletrônica Confiabilidade Sinal Automação Produção Tabela 2.1 – Organização operacional do laboratório IMS Bordeaux. 2.2 Departamento COFI 2.2.1 Estruturação O departamento é estruturado em três grupos de pesquisa: Grupo Nanoeletrônica (Nanoelectronics Lab) Grupo Confiabilidade (Reliability Lab) Concepção 7 2.2.2 Natureza das pesquisas A evolução das tecnologias microeletrônicas permitiu a emergência de verdadeiros sistemas complexos e heterogêneos compostos ao mesmo tempo circuitos eletrônicos analógicos e digitais, sensores, acionadores, sem esquecer-se dos softwares embarcados. Estes sistemas, seja sobre um chip de silício (SOC – System on Chip), seja encapsulados (SIP – System in Packages) encontram-se no centro dos últimos desenvolvimentos da pesquisa em microeletrônica. Neste contexto, o eixo principal dos trabalhos realizados no departamento COFI (Concepção – Confiabilidade, do francês Conception - Fiabilité) destina-se principalmente atualmente à integração de circuitos e sistemas eletrônicos de alta confiabilidade com os seguintes pontos fortes: Concepção de funções analógicas e mistas. Confiabilidade dos componentes, circuitos e montagens Caracterização, análise e modelização de circuitos nanoeletrônicos. As preocupações atuais não se limitam mais à redução das dimensões e das tensões de alimentação que acompanham o aumento da densidade de integração, mas estendem-se à concepção de arquiteturas inovantes, sua caracterização e análise. Ultrapassar os limites associados às tecnologias atuais ou utilizar novos materiais em dimensões nanométricas para os componentes do futuro necessita que se considerem diversos novos conceitos físicos, como a física quântica. O aspecto “sistema” que se torna cada vez mais importante, seja nos SOC ou nos SIP começa a ser considerado. Destaca-se que os trabalhos do departamento apresentam de mais em mais aspectos multidisciplinares que surgem de interfaces entre temas em áreas tão diversas como a biologia, os lasers e os sistemas embarcados. 8 3 Identificação por Rádio Frequência A identificação por rádio frequência se tornou uma forma automática de identificação muito popular nos últimos anos. Ela permite o armazenamento de grandes quantidades de informação, por ser baseada em chips de silício, e é reprogramável, sendo assim uma solução melhor adaptada a diversas aplicações do que os códigos de barra, mais baratos. Além disso, em sistemas de RFID, o fornecimento de energia ao dispositivo portátil e a troca de informações entre este e o leitor é realizada sem a necessidade de contatos galvânicos, usando somente campos magnéticos ou eletromagnéticos. Tais vantagens garantem que a RFID atinja atualmente grandes mercados, por exemplo, os cartões sem contatos utilizados em sistemas de transporte público. Um sistema de RFID é composto de um transponder (TAG), localizado no objeto a localizar, e o leitor, que dependendo da tecnologia e do design aplicados, pode realizar operações de leitura ou também de leitura/escritura. Um leitor contém tipicamente um módulo radiofrequência, uma unidade de controle lógico e uma antena. Comumente, ele conterá também uma interface adicional para se comunicar com outro sistema, como um computador. O TAG, que representa o dispositivo que realmente carregará as informações, é normalmente composto de uma antena e um chip eletrônico. Frequentemente, o TAG não conterá uma bateria, sendo totalmente passivo quando fora do campo do leitor. O TAG é ativado quando esta na zona de interrogação do leitor, tendo sua energia fornecida pela unidade de acoplamento (antena) [1]. Sistemas de RFID podem ser classificados conforme diversos critérios: Frequência de funcionamento: baixa frequência (< 135 kHz), alta frequência (13,56 MHz), UHF (864/915 MHz), micro-ondas (2,45 GHz). Modo de funcionamento: somente leitura ou leitura-escritura. Modo de comunicação: FDX (Full Duplex): a comunicação do leitor para o TAG e do TAG para o leitor podem ser feitas simultaneamente. HDX (Half Duplex): a comunicação se faz do leitor para o TAG ou do TAG para o leitor, nunca as duas ao mesmo tempo. Alimentação: Ativa: todos os blocos do TAG são alimentados por uma bateria que é também utilizada para enviar o sinal para o leitor. Semi-ativa: todos os blocos do TAG são alimentados por uma bateria, mas, quanto à comunicação com o leitor, a transferência de potência acontece sempre do leitor para o TAG. 9 - - Semi-passiva: Nestes TAGs, o chip é alimentado por uma bateria quando ele não está na presença do campo de um leitor. Quando o leitor se aproxima, o TAG se ativa, passando a ser alimentado pelo sinal RF do leitor. Estes TAGs são também chamados de Battery Assisted Passive (BAP). Passiva: O TAG não tem uma bateria e é alimentado pelo sinal RF do leitor quando este se aproxima. Quanto à capacidade de armazenamento de dados, TAGs RFID normalmente vão de alguns poucos bytes a vários kbytes. A exceção são os chamados 1-bit transponders, cuja quantidade de dados é suficiente para informar dois estados ao leitor: TAG está no campo ou nenhum TAG no campo, útil para processos de monitoramento. Outra diferenciação importante entre sistemas RFID ocorre quanto à questão da posição relativa entre o TAG e o leitor. Fatores como a precisão angular do TAG, a distância máxima de operação entre leitor e TAG, a distância mínima entre diversos TAGs em operação ou a velocidade de um TAG dentro do campo de interrogação devem ser levados em consideração dependendo da aplicação. O procedimento de comunicação por radiofrequência é baseado em circuitos ressonantes LC concebidos para oscilar em uma frequência de ressonância fR. O leitor gera um campo magnético alternado na faixa de frequência desejada. Quando o circuito LC ressonante do TAG é colocado neste campo magnético, energia deste campo será induzida nas bobinas do circuito ressonante (Lei de Faraday). Se a frequência de oscilação fG for igual à frequência de ressonância fR, o circuito LC oscilará, de modo a gerar uma corrente no sentido de se opor ao campo externo [1]. Este acoplamento permitirá tanto a transferência de energia como do sinal. 10 4 O projeto Chip Calor O projeto Chip Calor tem como objetivo a concepção de um TAG RFID com um sensor de temperatura integrado funcionando a 125 kHz. Este chip deve ser compatível com os parâmetros de comunicação estabelecidos pela norma ISO/IEC 18000-2. O chip será concebido e fabricado em tecnologia CMOS 0,35 µm do fabricante AustriaMicroSystems. 4.1 Especificações 4.1.1 Alimentação Sabendo que as funções de leitura e armazenamento da temperatura devem estar ativas mesmo quando o chip não está dentro do campo do leitor, é necessário que o chip seja alimentado por uma bateria. As principais limitações quanto à escolha da bateria são impostas pelas dimensões do sensor e a capacidade em tensão e corrente da bateria. O método utilizado nesse projeto será o semi-ativo, conforme a explicação dos tipos de alimentação da seção 3. As principais razões da escolha são a necessidade de uma bateria para as medidas de temperatura e a vantagem de não utilizá-la para a emissão do sinal RF, economizando-a. Um primeiro protótipo será desenvolvido e as características da bateria avaliadas. 4.1.2 Sensor O Chip Calor possui um sensor de temperatura integrado que deve medir temperaturas de 40˚C a 120˚C, dessa forma a maior parte das aplicações comerciais. Para a versão final, prevêse também a possibilidade de conexão de um sensor externo ao circuito, o qual não precisa necessariamente ser um sensor de temperatura (pode tratar-se de um sensor de pressão ou umidade, por exemplo). No entanto, para o primeiro protótipo, esta conexão não estará disponível. Tendo definida a faixa de temperaturas a medir e sabendo que a conversão analógica digital das temperaturas medidas será feita sobre oito bits, estima-se uma resolução de: 4.1.3 Comunicação 11 Quanto à comunicação entre o leitor e o TAG, a transferência de potência acontece sempre do leitor para o TAG (semi-ativo). O princípio da modulação utilizada para enviar dados do TAG ao leitor é a modulação de carga. Quando a distância entre o leitor e o TAG é suficientemente pequena (inferior a 16% do comprimento de onda [1]), um acoplamento indutivo é estabelecido entre os dois indutores que são as antenas do leitor e do TAG. Nessas condições, eles vão funcionar como o primário e o secundário de um transformador, no qual a carga do secundário sobre o primário pode ser modelizada como uma impedância transferida. Enfim, basta comutar uma resistência no TAG para que uma variação da impedância seja transferida ao leitor e este possa detectar variações de tensão e, consequentemente, decodificar os bits transmitidos. A simplicidade deste tipo de comunicação e do circuito necessário para implementá-la é outra razão da escolha de um TAG semi-ativo. Sistemas que funcionam em outras faixas de frequência necessitam de circuitos relativamente mais complexos para realizar a comunicação. Figura 4.1 – Princípio da modulação de carga. Os parâmetros de comunicação, como o tipo de modulação, o fluxo de bits e os códigos usados são especificados pela norma adotada no projeto. 4.1.4 Normalização Atualmente, a normalização para a RFID em baixa frequência se resume principalmente a três protocolos: As normas ISO 11784/85 se destinam a identificação de animais; A norma ISO 14223 padroniza os chips chamados evoluídos para identificação de animais (compatível também com as normas ISO 11784/85); A norma ISO/IEC 18000-2. 12 O projeto Chip Calor é padronizado pela norma ISO/IEC 18000-2, que será detalhada a seguir. Esta norma permite a utilização de memórias de capacidade maior, sendo esta a principal razão para a escolha desta norma para este projeto. 4.2 ISO/IEC 18000-2 A série de normas internacionais ISO/IEC 18000 descreve os protocolos para a identificação de objetos por radiofrequência. Sua segunda parte, adotada no projeto (ISO/IEC 18000-2), estabelece os parâmetros de comunicação para interfaces de ar em baixas frequências, neste caso, menos que 135 kHz [3]. Esta norma impõe muitas exigências quanto ao formato dos dados, para assegurar a compatibilidade entre leitores de diversos fabricantes. Estes devem ser capazes de se comunicar com TAGs do tipo FDX (Full Duplex) e HDX (Half Duplex), os dois tipos de comunicação previstos pela norma. Os principais conceitos sobre os quais a norma é baseada são [3]: Os TAGs esperam por um comando antes de se manifestar, ou seja, o protocolo é baseado sobre: o Um comando do leitor ao(s) TAG(s). o Uma resposta do(s) TAG(s) ao leitor. Cada TAG possui um número identificador próprio UID (Unique Identifier) codificado sobre 64 bits, a partir do qual um segundo identificador sobre 48 bits pode ser obtido, o SUID (Simplified Unique Identifier), como mostrado na figura 4.2. Figura 4.2: Composição dos números identificadores dos TAGs. 13 Trata-se de um protocolo em série, os dados são transmitidos bit a bit. O número de bits transmitidos após um SoF (Start of Frame) é variável, dependendo do comando em questão. A transmissão começa sempre pelo bit menos significativo (LSB) e termina pelo bit mais significativo (MSB). Bits de flag são usados para garantir o controle dos comandos e das respostas. Cada flag tem seu próprio significado. Os flags relativos aos comandos são diferentes dos relativos às respostas. A figura 4.3 mostra o formato de um comando enviado do leitor para o TAG. Figura 4.3 – Formato de um comando enviado pelo leitor. Na figura 4.3, o campo 5 com o código CRC (Cyclic Redundancy Check) é opcional. A figura 4.4, mostra o formato da resposta emitida pelo TAG ao leitor. O formato da resposta dependerá se o TAG identificou um erro no comando. Figura 4.4 – Formato da resposta do TAG Os parâmetros impostos pela norma são a frequência de transmissão, o fluxo de dados, a ocupação espectral, a estrutura dos comandos, as especificações do sistema e a interface de comunicação. O método de comunicação escolhido para este projeto é o FDX. Algumas informações sobre este tipo de sistema especificadas pela norma são apresentados na tabela 4.1: 14 Parâmetro FDX Frequência 125 kHz Modulação leitor TAG OOK Modulação TAG leitor ASK Codificação dos dados leitor TAG Pulse Interval Encoding (PIE) Fluxo de bits leitor TAG 5.2 kbps Codificação dos dados TAG leitor Manchester / Dual Pattern Encoding Fluxo de bits TAG leitor Manchester 4 kbps DPE 2 kbps Ordem de transmissão dos bits LSB primeiro Tabela 4.1: Especificação da norma ISO/IEC 18000-2 para sistemas FDX [3]. 4.2.1 Frequência de trabalho A frequência de transmissão do leitor para o TAG deverá ser fAc = 125 kHz = 1/TAc. 4.2.2 Codificação dos dados do leitor para o TAG A comunicação é feita com uma codificação por intervalo de pulso (Pulse Interval Encoding – PIE). O tempo entre as bordas de subida determinam se a informação é um bit ’1’, um bit ‘0’, um sinal de “code violation” ou um sinal de “stop condition”. Supondo uma distribuição igual entre ‘0’s e ‘1’s, o fluxo de dados será da ordem de 5.1 kbps. Figura 4.5 – Codificação PIE A tabela 4.2 mostra os tempos que nos permitem de diferenciar os quatro símbolos utilizados por esta codificação. 15 Significado Tempo – “Carrier off” Tempo – bit 0 Tempo – bit 1 Tempo – “code violation” Tempo – “stop condition” Símbolo TAP TAd0 TAd1 TAcv TAsc Min 4 * TAc 18 * TAc 26 * TAc 34 * TAc ≥ 42 * TAc Max 10 * TAc 22 * TAc 30 * TAc 38 * TAc - Tabela 4.2 – Tempos entre as bordas do PIE 4.2.3 Codificação dos dados do TAG para o leitor O TAG trabalha com dois tipos de codificação, o código Manchester a 4 kbps e o código “Dual Pattern Coding” à 2kbps. A escolha da codificação é feita em função do comando enviado pelo leitor. No caso de um comando inventário (Inventory) a código utilizado é o “Dual Pattern Encoding”. Para os outros comandos, o código Manchester é utilizado. O SOF (Start of Frame) é codificado em Manchester para todos os comandos. A figura 4.6 mostra os padrões das duas codificações utilizadas. Figura 4.6 – Codificação do TAG ao leitor Na figura 4.6, as expressões load off e load on referem-se à carga no TAG estar desconectada ou conectada, respectivamente, para a comutação no leitor conforme explicado na seção 4.1.3. 4.2.4 Comandos Uma lista de comandos é também apresentada na norma. Os comandos são codificados sobre 6 bits e se classificam em quatro categorias diferentes [3]: Obrigatórios: Implementados para todos os leitores e TAGs. Opcionais: Os leitores devem implementar todos os comandos opcionais, mas os TAGs não obrigatoriamente. Clientes: Estes comandos não são especificados na norma. Proprietários: Como os comandos clientes, os comandos proprietários não são especificados pela norma. Comandos clientes e proprietários devem 16 implementar as funcionalidades que não são previstas pelo documento ISO/IEC 18000. Todos os comandos são codificados sobre 6 bits. A diferenciação do tipo de comando é feita pelo código do comando. Tabela 4.3 – Tipos de Comandos 4.2.5 – Diagrama de Estados A norma propõe um diagrama de estados para os TAGS, que podem ter até quatro estados (Power-off, Ready, Selected e Quiet). A figura 4.7 mostra estes estados e as condições para suas mudanças. O suporte ao estado Selected é opcional. 17 Figura 4.7 – Diagrama de estados do TAG. 4.3 O Diagrama de Blocos A partir destas especificações, o seguinte diagrama de blocos é proposto: 18 Figura 4.8: Diagrama de blocos do projeto. Para a concepção deste chip, certos blocos serão reutilizados de um projeto anterior, enquanto outros serão desenvolvidos ao longo deste projeto. 4.3.1 Descrição dos Blocos ANTENA A antena do TAG consiste em um circuito LC paralelo cuja frequência de ressonância corresponde àquela do sinal emitido pelo leitor (nesse caso, 125 kHz). Este indutor é acoplado com o indutor do leitor por um campo magnético, o qual permite a indução de uma tensão no chip. MÓDULO ANALÓGICO Modulador: Responsável pela modulação do sinal sobre a antena. Seu sinal de entrada provém do codificador. Graças ao acoplamento magnético entre leitor e TAG, a modulação será uma modulação de carga. Extração do clock: Extrai um sinal de clock do sinal RF sobre a antena. Este sinal sincroniza as tarefas realizadas pelo CHIP durante uma leitura. Demodulador: Responsável por demodular o sinal RF recebido pela antena. O sinal resultante é entrada do bloco decodificador. 19 PMU (Power Management Unity – Unidade de Gerenciamento de Potência) Regulador: A regulação de tensão é importante para que as variações da tensão da bateria, devidas principalmente a sua descarga, não perturbem o funcionamento do circuito. Responsável então por fornecer uma tensão constante e estável aos outros blocos. Limitador: Responsável por proteger a antena de possíveis sobretensões. Referência de Tensão: É importante que o sensor de temperatura seja preciso em toda a faixa de temperatura requerida pelas especificações do projeto. Este bloco deve fornecer uma referência de tensão constante, estável, precisa e independente da temperatura. POR: Responsável por informar ao módulo digital que há um campo magnético próximo ao chip, de forma a colocar o sequenciador num estado inicial. MÓDULO DIGITAL Decodificador: Recebe o sinal de saída do demodulador, o decodifica e transmite para o sequenciador de instruções. A codificação utilizada para a transmissão leitor para TAG é do tipo PIE (Pulse Interval Encoding). Sequenciador: É o cérebro do circuito. Responsável pelo comando das funções realizadas pelo TAG, como a interpretação dos comandos enviados pelo leitor, o cálculo do CRC (cyclic redundancy code) e a leitura da memória. Codificador: Serve para converter o sinal na saída da memória (em formato NRZ) para os formatos especificados pela norma, ou seja, ou o código Manchester ou o código Dual Pattern Encoding (somente no caso de resposta ao comando de inventário, um comando obrigatório). Gestão do clock: Recebe na entrada o clock na frequência do sinal RF e tem em sua saída três frequências diferentes que serão usadas conforme as necessidades do chip. MEMÓRIA Memória: Do tipo EEPROM (Eletrically-Erasable Programmable Read Only Memory), será adquirida de um fabricante sob a forma de IP (Intelectual Property). Servirá para 20 armazenar as temperaturas lidas e sua capacidade, ainda a ser definida, estará entre 1 e 8 kbits. Circuito de Registro: Fornece o nível de tensão exigido para o registro dos dados na memória. SENSOR INTEGRADO Controle de Gravação: Deve gerenciar o endereçamento da memória onde serão gravadas as temperaturas. Sensor de Temperatura: Baseado em um circuito PTAT (Proportional-To-AbsoluteTemperature), deve fornecer uma corrente proporcional à temperatura. ADC: Baseado na utilização de um oscilador controlado em corrente seguido de um contador 8 bits, permite a geração de uma frequência proporcional à corrente (e consequentemente à temperatura) e a conversão desta frequência em um valor digital pela contagem de pulsos. Oscilador Local: Tem por objetivo manter o chip funcionando na ausência do sinal RF, para realização das leituras de temperatura. Sendo este sensor integrado um dos diferenciais do projeto, em termos de circuitos analógicos, uma explicação um pouco mais detalhada deste bloco é feita na próxima seção, apesar de seus blocos terem sido concebidos antes do início do trabalho em questão. 4.3.2 Sensor de temperatura integrado 4.3.2.1 Sensor de temperatura O sensor de temperatura deve ser preciso em toda faixa de funcionamento do projeto. Uma solução muito comum é uma configuração que produz uma corrente proporcional à temperatura (PTAT – Proportional-To-Absolute Temperature). Esta configuração é baseada sobre a diferença de tensão produzida sobre uma resistência pelas tensões VBE de dois transistores bipolares submetidos a diferentes densidades de corrente. Esta diferença de tensão é proporcional à temperatura. A figura 4.9 mostra o comportamento das tensões VBE dos dois transistores em função da temperatura e também a tensão VPTAT que aparece entre elas. Define-se a corrente que passa pela resistência submetida à tensão VPTAT como IPTAT. 21 Figura 4.9 – Princípio de geração da corrente IPTAT. A corrente IPTAT pode ser usada para gerar uma fonte de tensão independente da temperatura. Para tanto, basta passar esta corrente por uma resistência em série com um transistor bipolar cuja tensão VBE é inversamente proporcional à temperatura. Escolhendo o valor correto para a resistência, a soma das duas tensões será constante em relação à temperatura – Tensão de BandGap. Para implementar tal circuito, é utilizada a estrutura da figura 4.10. P2 P1 N2 N1 Va P3 Vbg Vb R2 R1 VBE Vc Q2 Q1 Q3 x2 Figura 4.10 – Estrutura dos circuitos sensor de temperatura e referência de tensão. Na figura 4.10, os transistores P1 e P2 formam um espelho de corrente. Os transistores N1 e N2 são dimensionados de forma a garantir que Va = Vb. Logo, a diferença de tensão entre Vb e Vc será a diferença entre as tensões VBE dos transistores Q2 e Q1 respectivamente e, por conseqüência, produz-se a corrente IPTAT sobre R1. Somente esta parte do circuito já configura a estrutura do sensor de temperatura. O terceiro ramo do circuito produzirá uma tensão independente da temperatura. O transistor P3 reproduz a corrente de P1 (espelho de corrente), portanto a corrente IPTAT. Tem-se então a resistência R2 em série com um transistor bipolar. A tensão sobre R2 será diretamente proporcional à temperatura, enquanto que VBE de Q3 é inversamente proporcional, permitindo que, após o correto dimensionamento de R3, a soma das duas tensões (Vbg) seja constante. 22 4.3.2.2 Oscilador Local O oscilador local é um circuito oscilador controlado por corrente. A corrente de controle é criada a partir da tensão de bandgap. Pode-se ver o esquemático na figura 4.11. Vbg P1 I Vout P2 Vcap S-T N2 C1 I N1 Figura 4.11 – Esquemático do oscilador local. Os transistores P1 e N1 vão reproduzir uma corrente a partir da tensão Vbg, que passará por P2 e N2. Estes dois trabalharão como interruptores, comandados por VOUT, alternando-se entre os estados de aberto e fechado. Desta forma, a corrente I irá carregar C1 quando P2 está aberto e descarregá-lo quando N2 está aberto. A carga do capacitor aumenta a tensão VCAP, de forma a comutar o Trigger de Schimdt (S-T) quando o limite de comutação é ultrapassado. Para o caso da descarga do capacitor, o circuito funciona de forma análoga. 4.3.2.3 Conversor Analógico Digital Este conversor é feito por um oscilador local controlado em corrente seguido de um contador 8 bits. Esta montagem tem por objetivo gerar uma frequência proporcional a uma temperatura e convertê-la a um valor digital por contagem de pulsos. O oscilador controlado em corrente (CCO) funciona da mesma forma que aquele mostrado na figura 4.11, sendo seu esquemático mostrado na figura 4.12. 23 Vpol P3 P1 IPTAT Vout P2 Vcap N2 C1 IPTAT N3 N1 Figura 4.12 – Esquemático do oscilador do conversor analógico digital A diferença em relação ao esquema do oscilador local são os transistores P3 e N3, que reproduzem a corrente IPTAT, graças à tensão VPOL, proveniente da porta dos transistores PMOS do circuito da figura 4.12. A frequência de operação é, portanto proporcional a corrente IPTAT e à temperatura. Um simples circuito contador sobre um tempo fixo, conectado à VOUT permitirá a conversão a um valor digital da medida da temperatura. 4.3.3 Contribuição A contribuição deste Trabalho de Conclusão de Curso para o projeto Chip Calor consiste basicamente de: Concepção completa do circuito regulador de tensão; Simulações digitais - desenvolvimento e validação de blocos de interface com a memória. Simulações sistema – simulações de diversos blocos do chip operando em conjunto. Desenvolvimento de um circuito de testes compatível com a norma ISSO 11784/85 Nas próximas seções, estes trabalhos realizados dentro do projeto Chip Calor serão descritos. 24 5 Concepção Do Circuito Regulador de Tensão A alimentação do CHIP será realizada por uma bateria. No entanto, é necessário que os blocos analógicos do CHIP tenham uma tensão de alimentação constante e estável, principalmente os blocos oscilador local e o conversor analógico digital, que são muito sensíveis à tensão de alimentação. Sabendo que o nível de tensão da bateria diminui com o tempo, deve-se conceber um bloco regulador de tensão para garantir o bom funcionamento dos blocos analógicos do CHIP durante toda a vida da bateria. 5.1 Princípio de Funcionamento O tipo de regulador utilizado é um Regulador LDO (Low Drop-Out). Um regulador LDO é um circuito que fornece uma tensão DC estável com uma baixa queda de tensão entre sua entrada (a tensão fornecida pela bateria) e sua saída (a tensão que será utilizada para alimentar o CHIP). O esquema básico de um regulador LDO é mostrado na figura 5.1. Figura 5.1: Esquema de base de um regulador LDO. Pode-se ver no esquema: uma tensão de referência, um amplificador de erro, um dispositivo de passagem e um loop de realimentação. A referência é uma tensão DC estável limitada quanto à sua capacidade de corrente. Normalmente, trata-se de um diodo Zener ou uma tensão de BandGap. Neste projeto, será usada uma tensão de BandGap devido às necessidades de alta precisão, baixa tensão de operação e ainda porque na tecnologia utilizada, diodos Zener não estão disponíveis. 25 O funcionamento deste circuito é baseado na realimentação do sinal de erro originado da comparação entre a tensão de referência e a tensão de saída. Este sinal, amplificado pelo amplificador de erro, controla a corrente de saída do dispositivo de passagem e consequentemente, a tensão de saída [4]. Trata-se de um loop de realimentação para controlar o nível de tensão. Como toda realimentação, este circuito pode se tornar instável. Normalmente, reguladores LDO precisam de grandes capacitores para estabilizar o loop. Nesse projeto, o tamanho do circuito regulador deve ser o menor possível, desde que garantindo um funcionamento correto e estável. O uso do capacitor torna-se então um problema. Por isso, outro esquema é proposto na figura 5.2. Figura 5.2: Esquema proposto para o regulador de tensão. Neste esquema, o princípio do regulador de tensão é o mesmo. Os mesmos blocos da figura 5.1 estão presentes, logo os blocos fundamentais. Observa-se também a presença de um diferenciador. Observa-se a montagem deste esquema com transistores: 26 Figura 5.3: Transistores do regulador de tensão. O estágio diferenciador deve garantir que o capacitor CINT seja na ordem de grandeza de algumas dezenas de pico farads sem prejudicar a estabilidade do circuito, assim como melhorar a resposta do circuito regulador em regime transitório. O princípio de funcionamento deste estágio diferenciador é a separação dos pólos na entrada e na saída do dispositivo de passagem, graças ao capacitor CF [5]. 5.2 Dimensionamento dos Componentes A tensão de alimentação da bateria para este protótipo é de 4 V. Em função deste valor, serão dimensionados os componentes da figura 5.3. Os transistores M1 a M7, ME e Mgm1 compõem o amplificador de erro. Sabendo que os pólos parasitas introduzidos por este circuito amplificador de erro (em frequência muito alta) podem ser desprezados em relação ao pólo do dispositivo de passagem (em frequência relativamente baixa), o dimensionamento destes transistores depende somente da consumação de potência [5]. O dimensionamento dos transistores do estágio diferenciador é baseado principalmente no compromisso entre a estabilidade do circuito e a velocidade da resposta em regime transiente. Os valores das capacitâncias são: Cf Cf2 2 pF 1 pF Tabela 5.1: Dimensionamento dos capacitores do estágio diferenciador. É importantíssimo que todos os capacitores introduzidos sejam de tamanho reduzido, lembrando que o objetivo deste bloco é exatamente reduzir o circuito. O dispositivo de passagem (PASS), as resistências do loop de realimentação e o capacitor na saída são os componentes mais críticos a dimensionar, pois vão afetar diretamente os aspectos mais importantes do regulador. 27 A queda de tensão entre a entrada e a saída do regulador é determinada pelo tamanho do transistor que constitui o dispositivo de passagem (a relação W/L, onde W é a largura do canal e L o comprimento), assim como pela máxima corrente que o circuito deverá fornecer. Tem-se então a equação: , onde é a mobilidade das lacunas e a constante do óxido, ambas parâmetros tecnológicos, portanto imutáveis no caso deste projeto. Manipulando a equação 1, tem-se: Tem-se então uma relação onde se deve buscar o equilíbrio entre o tamanho do transistor, a corrente máxima a fornecer e a queda de tensão. Se se deseja diminuir a queda de tensão ou aumentar a corrente fornecida, será preciso aumentar a relação W/L. Finalmente, por meio de simulações em Spectre para estimar a corrente máxima do circuito, define-se que: L = 2 µm W = 150 µm O dimensionamento das resistências do loop de realimentação determina a relação entre a tensão de saída e a tensão de referência, assim como a corrente no transistor de passagem. Primeiramente, um equilíbrio entre o tamanho das resistências e a corrente no transistor de passagem, ou seja, o rendimento do circuito, é estabelecido por: Tem-se ainda que: Então, fixam-se as resistências à: RF1 = 123,5 kΩ RF2 = 153,3 kΩ Desta forma, a partir da equação 3 garante-se que IPASS será aproximadamente 15 µA e utilizase resistências de tamanho compatível com a aplicação. 28 Logo, resta somente o capacitor de saída a dimensionar (CINT). A maior dificuldade de seu dimensionamento é causada pela grande área ocupada por capacitores em chips nessa tecnologia e a necessidade de estabilizar o circuito. O tamanho do capacitor irá determinar o pólo de saída do circuito, tendo um papel importante na estabilização do mesmo. Decidiu-se que a maneira mais simples de dimensionar este capacitor seria por meio de simulações, sabendo que as equações em frequência do circuito da figura 5.3 são muito complexas para uma resolução puramente analítica. As simulações feitas serão detalhadas no capítulo seguinte e o valor escolhido para o capacitor foi de 20 pF. 5.3 Simulações Os principais parâmetros para avaliar um regulador de tensão são a regulação de linha, a regulação de carga, a tolerância à variação de temperatura e a variação da tensão de saída resultante de um pulso de corrente de carga [5]. O regulador foi simulado em Spectre. 5.3.1 Regulação de Linha A regulação de linha é definida pela relação entre a variação da tensão na saída do regulador pela variação da tensão de alimentação que a provocou. Este parâmetro leva em conta a variação após que o regime permanente é atingido. Uma simulação da regulação de linha do regulador concebido foi feita variando a tensão de alimentação e observando a variação da tensão de saída, conforme a figura 5.4. Figura 5.4: Esquema da simulação da variação de linha. O resultado da simulação da regulação de linha é mostrado na figura 5.5. 29 Figura 5.5: Regulação de linha. Estando regulado para fornecer uma tensão de 2,5 V quando alimentado a 4V, faz-se a tensão variar de 3 a 4,5 V e observa-se uma variação de 2,45 a 2,53 V. Calcula-se então que: Sabendo que as principais variações da tensão de alimentação serão causadas pelo envelhecimento da bateria, uma regulação de 5,33 % está de acordo com os objetivos do projeto. 5.3.2 Regulação de Carga A regulação de carga é uma medida da variação da tensão de saída do regulador quando se varia as condições de carga. A regulação de carga melhora à medida que a impedância do transistor de passagem diminui. A regulação de carga foi simulada conforme o esquema da figura 5.6. 30 Figura 5.6: Esquema da simulação da regulação de carga. A figura 5.7 apresenta a regulação de carga obtida. Figura 5.7: Regulação de carga. Na figura 5.7, percebe-se que para correntes inferiores a 8 mA, o regulador mantém a tensão de saída constante a 2,5 V. Porém, para correntes de carga superiores a esse limite, tem-se uma grande queda de tensão. Define-se um limite que não deve ser ultrapassado para assegurar o bom funcionamento do regulador. 31 5.3.3 Tolerância à variação de temperatura Sabendo que o regulador vai alimentar um circuito sensor de temperatura, é fundamental que ele tolere as variações de temperatura, principalmente na faixa de funcionamento do sensor (40°C a 120°C). Nesta faixa, a tensão deve ser constante e próxima a 2,5 V. A simulação realiza-se seguindo o esquema da figura 5.8. Figura 5.8: Esquema da simulação da tolerância à variação de temperatura. Na figura 5.9, observa-se o comportamento do regulador em função da temperatura. 32 Figura 5.9: Tolerância do regulador à variação de temperatura. Percebe-se que quando a temperatura varia na faixa de funcionamento do sensor, a tensão de saída varia de 0,09 V. Esta variação é pequena, mas não desprezível para a aplicação, podendo acarretar erros na medida da temperatura. Nos trabalhos realizados neste projeto (Chip Calor) antes do começo deste Trabalho de Conclusão de Curso, foi construída uma tabela de conversão para obter o verdadeiro valor da temperatura a partir da temperatura binária fornecida pelo bloco conversor analógico-digital. Esta tabela deverá ser recalibrada para considerar o erro introduzido pelo regulador. 5.3.4 Análise em Regime Transitório Uma análise do comportamento do regulador quando uma variação da corrente de carga acontece foi feita. Esta análise permite verificar, por exemplo, se o regulador será estável quando o bloco analógico digital começa a realizar a conversão de uma medida, e, portanto, fizer uma solicitação de corrente. Para esta simulação, uma fonte de pulsos de corrente de 100 µA foi introduzida na saída do circuito, para simular a corrente de carga, conforme a figura 5.10. 33 Figura 5.10: Esquema da simulação da análise em regime transitório. Os resultados são mostrados na figura 5.11. Figura 5.11: Resposta às variações de carga. A simulação mostra que a situação mais crítica se passa no momento que se varia de uma corrente nula à corrente máxima. Nesse instante, observa-se uma grande variação da tensão de saída, que chega a mais de 2,6 V. No entanto, esta tensão decresce rapidamente ao nível de 2,5 V, sem desestabilizar o loop. A estabilidade do circuito é completamente dependente do tamanho do capacitor na saída. Esta simulação leva em conta pequenos pulsos de corrente, porque os mesmos estão de acordo com as necessidades do CHIP e, dessa forma, não se corre o risco de superestimar o tamanho do capacitor. 34 A validação da escolha do capacitor ficará mais clara a partir de outra simulação, a qual será analisada no capítulo de simulações sistema. 35 6 Memória e Simulações Digitais Neste projeto, uma memória é necessária para gravar as temperaturas medidas. A memória utilizada foi adquirida sob a forma de propriedade intelectual do fabricante austriasmicrosystems. Na tabela 6.1, encontram-se as suas principais características: austriamicrosystems 0.35µm CMOS - C35 Tipo da memória: spram Alimentação: 3.3V Capacidade em bytes: 128 Número de bits do barramento de endereço: 7 Número de bits do barramento de dados: 8 Configuração do barramento de dados: unidirecional Tabela 6.1: Características da memória. Na figura 6.1, pode-se ver as entradas e saídas da memória, as quais são detalhadas na tabela 6.2. Figura 6.1: Esquema da memória. Sinal CS Direção entrada RD WR AD [6:0] NRST entrada entrada entrada entrada EN entrada DI [n :0] DO [n :0] entrada saída Função O relógio da memória. Ela é ativada quando detecta uma borda de subida em CS. Leitura ativada. Escritura ativada. Barramento de endereços. Desativa o acesso à memória na próxima borda de subida de CS. Sinal ativo quando no nível baixo. Coloca a saída em alta impedância. Ativo no nível alto. Barramento de dados de entrada Barramento de dados de saída Tabela 6.2: Entradas e saídas da memória [6]. 36 Sabendo que o fabricante da memória fornece sua descrição comportamental, o objetivo no projeto é o desenvolvimento dos blocos que realizarão a interface com a memória e a validação de todo sistema. 6.1 Interface com a Memória Os blocos concebidos para a interface com a memória são o circuito de leitura (dentro do bloco sequenciador no diagrame de blocos do projeto) e o controle de escritura. Estes blocos foram desenvolvidos paralelamente junto a outros membros da equipe, principalmente seus testes e validação. O bloco circuito de leitura é de lógica puramente combinatória e funciona de forma extremamente simples. Seu esquema é apresentado na figura 6.2. Quando a entrada R_notW é ativa, o bloco envia sinais que realizam uma leitura: NRST e RD vão ao nível alto, enquanto EN e WR vão ao nível baixo. Figura 6.2: Esquema do circuito de leitura. Igualmente simples, o circuito controle de escritura tem as entradas e saídas apresentadas na figura 6.3. Figura 6.3: Esquema do circuito de controle de escritura. Neste bloco, quando a entrada CAD_valid é ativada, os sinais de saída são ativados de forma a realizar a escritura da entrada CAD na memória, ou seja, NRST e WR vão ao nível alto e EN e RD vão ao nível baixo. O endereço no qual o dado será gravado é gerenciado internamente por este bloco. Ele começa sempre pelo endereço 0 e, utilizando um contador de 7 bits, ele incrementa o 37 endereço cada vez que uma operação de escritura é realizada, colocando o endereço correto na saída AD. Tendo estes dois blocos concebidos, simulações foram realizadas para verificar a interface entre a memória e os outros blocos digitais do circuito. 6.2 Simulações Digitais A simulação que foi realizada testa a memória e os blocos de interface. Figura 6.4: Esquema da simulação da memória e sua interface. Como mostrado na figura 6.4, um circuito multiplexador é utilizado para selecionar o circuito que vai se comunicar com a memória (circuito de leitura ou controle de escritura). O objetivo desta simulação é de escrever três dados nos três primeiros endereços da memória e em seguida recuperar os mesmos. 38 Figura 6.5: Simulação da escritura e da leitura de três dados na memória. Primeiramente, realiza-se a escritura dos três valores. Conforme o seguinte: Os sinais enviados para controlar a memória (NRST, WR, RD, EN) estão corretos; Inicia-se pelo endereço 0 e incrementa-se sucessivamente; Os dados escritos são: 10101010, 11110000 e 01010010. Após, realiza-se a operação de leitura, na qual: Os sinais enviados para controlar a memória (NRST, WR, RD, EN) estão corretos; A leitura dos endereços 0, 1 e 2 recupera: 10101010, 11110000 e 01010010. Desta forma, verifica-se que os blocos de interface com a memória gerenciam corretamente os sinais de controle, que o bloco controle de escritura incrementa devidamente os endereços e por fim que os dados escritos na memória são exatamente os mesmos que são recuperados após a operação de leitura. Os blocos concebidos e a memória são assim validados. 39 7 Simulações Sistema Uma parte importante do trabalho realizado neste projeto é relativa ao desenvolvimento de simulações de sistemas compostos por vários blocos do CHIP. Tais simulações têm o objetivo de validar blocos anteriormente concebidos, principalmente o regulador de tensão, assim como verificar funcionamento geral de diversos blocos do CHIP desenvolvidos durante o projeto CHIP CALOR. 7.1 Módulo Sensor de Temperatura e Regulador de Tensão Sabendo que o principal objetivo do circuito regulador de tensão é de fornecer uma tensão constante e estável ao circuito sensor de temperatura e, dessa forma, garantir que este realize corretamente as medidas de temperatura, é essencial simular a realização destas medidas o alimentando com o regulador de tensão, para assim validar ambos os circuitos. O esquema utilizado para esta simulação é mostrado na figura 7.1. Figura 7.1: Esquema para simulação da medida de uma temperatura. A simulação de uma medida de temperatura a 27 ˚C, com o sensor alimentado pelo circuito regulador, é mostrada na figura 7.2: 40 Figura 7.2: Medida de uma temperatura. Primeiramente, percebe-se que durante toda a medida da temperatura a tensão fornecida pelo regulador (vdd) é constante e em torno de 2,5 V. A tensão freq_CONST é à saída do oscilador local e ela tem exatamente a frequência de 125 kHz. Logo, o sinal fim, obtido diretamente de freq_CONST, controla devidamente o tempo de medida (2,048 ms). A saída do bloco conversor analógico digital sobre 8 bits (out_0 à out_7) simplesmente conta as bordas de subida de um sinal de tensão proporcional à temperatura durante o tempo de medida. Nota-se que a temperatura medida é 01110001, correspondendo a 113 em decimal. Uma tabela de conversão foi construída anteriormente no projeto, para passar do valor binário fornecido pelo sensor de temperatura ao valor real da mesma em graus Celsius. Consultando esta tabela, percebe-se que a temperatura medida foi de 29 ˚C. O erro aparece devido à dependência do regulador de tensão em função da temperatura. No entanto, como explicado anteriormente, sabe-se que se trata de um erro constante, que sempre se reproduzirá na mesma quantidade e, portanto, basta recalibrar esta tabela de conversão para eliminá-lo. 7.2 Módulo Sensor de Temperatura, Regulador de Tensão e Memória Uma simulação de uma operação de medida da temperatura e seu registro na memória foi realizada com o objetivo de testar o funcionamento do conjunto composto pelo sensor de temperatura, o circuito regulador de tensão e a memória, conforme a figura 7.3. 41 Figura 7.3: Esquema para simulação da medida e da escritura de uma temperatura. Nesta simulação, a leitura da memória não é realizada pelo bloco digital do circuito, principalmente para não gerar um tempo de simulação muito longo. A leitura é comandada por um bloco construído especialmente para este teste, que se comunicará com o bloco circuito de leitura. Portanto, o objetivo desta simulação não é a validação da parte digital do circuito, mas sim da interface entre o sensor de temperatura e a memória. O resultado é mostrado na figura 7.4. Figura 7.4: Simulação de uma medida e escritura de uma temperatura. 42 Neste caso, a medida da temperatura e a conversão analógico digital são realizadas. Observase que o valor medido corresponde a 01100100. Enfim, após a escritura deste valor na memória, realiza-se uma leitura e recupera-se o mesmo valor. 43 8 Concepção de um circuito digital de testes ISO 11784/85 As normas ISO 11784/85 impõem muito menos restrições que a norma ISO/IEC 18000-2 em nível de protocolos de comunicação. Um leitor compatível com essas normas (ISO 11784/85) está disponível no laboratório onde é realizado este Trabalho de Conclusão de Curso. Dessa forma, uma maneira simples de testar a parte analógica do projeto CHIP CALOR, principalmente o sensor de temperatura, consiste em adaptar o circuito do projeto CHIP CALOR para que ele possa estabelecer comunicação com este leitor. Muitos blocos construídos em projetos anteriores podem ser reutilizados, o que facilita bastante a concepção do circuito de testes. Em seguida, as principais exigências da norma ISO 11784/85 são explicadas. 8.1 ISO 11784/85 As normas ISO 11784/85 descrevem os conceitos técnicos de identificação de animais por radiofrequência. Estas normas detalham os sistemas FDX (Full Duplex) e HDX (Half Duplex). No caso deste projeto, o modo de comunicação é FDX. Algumas características do modo de comunicação FDX impostas pela norma são: Parâmetro Frequência de ativação Modulação Código Fluxo de Bits Sistema FDX 134,2kHz AM-PSK DBP modificado 4194 bits/s Tabela 8.1: Características da comunicação FDX impostas pela norma ISO 11784/85 [7]. Após entrar na zona de campo magnético de um leitor, o transmissor FDX envia seu código. A estrutura do código é composta por: - Um cabeçalho de 11 bits (00000000001) utilizado para identificar o começo do código de identificação. - Um código de identificação de 64 bits transmitido em 8 blocos de 8 bits. - Dois blocos de 8 bits que contém os 16 bits do código de detecção de erros. - Três blocos de 8 bits com os 24 bits de trailer (não utilizados no projeto). O código de detecção de erros é calculado somente sobre o código de identificação. Cada bloco de 8 bits é separado por 1 bit de controle de valor 1, para evitar a repetição do cabeçalho. A figura 8.1 ilustra a estrutura descrita. 44 Figura 8.1: Estrutura do código emitido pelo transmissor. O código CRC é calculado da seguinte forma: - Polinômio: X16 + X12 + X5 + 1. - Os dados são enviados pelo transmissor começando pelo LSB (bit menos significativo). - O registrador a deslocamento do CRC é inicializado por zeros, conforme a figura 8.2. Figura 8.2: Estrutura de cálculo do código CRC. 8.2 Diagrama de blocos Conhecendo as principais exigências impostas pela norma, o diagrama de blocos da figura 8.3 é proposto para realizar a adaptação. 45 Figura 8.3: Diagrama de blocos do circuito de adaptação da norma ISO 11784/85. Os blocos codificadores DBP, divisor de frequência e contador síncrono de 7 bits já haviam sido desenvolvidos em um projeto anterior e podem ser reaproveitados. O captador de temperatura e o CAN são os blocos do CHIP CALOR que desejamos testar. Então, só restam o sequenciador e o calculador CRC a desenvolver. Estes circuitos devem construir o código que será enviado para o leitor, colocando os bits na ordem especificada pela norma. Os 8 bits que formam a temperatura medida pelo sensor farão parte do código de identificação. Como este código é formado por 64 bits, todos os outros 56 bits podem ser colocados a 1. Os 16 bits do CRC são calculados, como especificado pela norma, a partir dos 64 bits do código de identificação. Os 24 bits do trailer, o qual não utilizamos, são também colocados a 1. O código construído é mostrado sobre a tabela B.1. Na qual T é um bit que representa uma temperatura e C é um bit do CRC. Linha 0 Linha 1 Linha 2 Linha 3 Linha 4 Linha 5 Linha 6 Linha 7 0000 0000 0011 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 Linha 8 Linha 9 Linha 10 Linha 11 Linha 12 Linha 13 Linha 14 Linha 15 Tabela 8.2: Código enviado pelo transmissor. 1111 1111 11TT TTTT TT1C CCCC CCC1 CCCC CCCC 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 46 É fundamental que os códigos VHDL e os esquemáticos associados sejam muito simples, pois não se tem disponível um software de síntese automático compatível com esta tecnologia. O procedimento será então, escrever o código VHDL, sintetizá-lo usando o software de outra tecnologia e em seguida fazer manualmente a transferência de tecnologia. Para a transferência manual, é necessário que o esquemático seja conciso em nível de quantidade de portas lógicas. 8.3 Calculador CRC As entradas e saídas do circuito calculador CRC são mostradas na figura 8.4. Figura 8.4: Esquema do circuito calculador CRC. O princípio do circuito desenvolvido é o seguinte: sabendo que os 56 primeiros bits que serão utilizados para calcular o CRC estão sempre em ‘1’ (tabela B.1), não é necessário passá-los pelo registrador de deslocamento cada vez que o CRC é calculado. Na prática, um valor inicial fixo para este registrador pode ser deduzido e, em seguida, basta passar os 8 bits representantes da temperatura para calcular o valor final do código CRC. A utilização deste valor inicial torna o cálculo do CRC mais rápido e o esquemático sintetizado mais simples. A entrada cad em paralelo vem diretamente do conversor analógico digital. É essencial que, no momento em que se inicia o cálculo do CRC, a conversão já tenha terminado. Isso é garantido pelo sinal init, que é enviado pelo sequenciador no momento em que a conversão já se completou. A entrada clk é o relógio. É utilizado um relógio a 134,2 kHz, o que permite um cálculo muito rápido do CRC em comparação com o fluxo de bits enviados pelo sequenciador ao codificador DBP. Uma simulação do calculador CRC foi realizada, na qual se calcula o código CRC resultante de um valor binário igual a ‘110100110’ na entrada cad, sabendo a priori que o valor esperado na saída crc é igual a ‘0110010111011100’. O resultado da simulação é mostrado na figura 8.5. 47 Figura 8.5: Simulação do cálculo do CRC. Percebe-se na figura 8.5 que no momento que o sinal init inicia o cálculo, já existe um valor inicial na saída do CRC, devido aos 56 primeiros bits fixos em ‘1’. Em seguida, este valor muda oito vezes, até atingir seu valor final, o qual se verifica ser o valor correto. 8.4 Sequenciador Na figura 8.6, observam-se as entradas e saídas do circuito sequenciador. Figura 8.6: Esquema do circuito sequenciador. A simplicidade do esquemático sintetizado é uma das principais metas da concepção deste sequenciador em VHDL. 48 A entrada clk é o relógio a 134,2 kHz do sequenciador. Esta freqüência é dividida internamente por 32 e, portanto, a cada 32 ciclos de relógio um bit é enviado para a saída dbp. O endereçamento é baseado sobre o valor da entrada adress. A entrada adress vem do bloco contador síncrono 7 bits. Trata-se na realidade de um sinal de 7 bits que conta de 0 a 127 em uma velocidade igual à da frequência do relógio dividida por 32. É este sinal que permitirá ao sequenciador tomar a decisão de qual bit enviar. O valor da entrada cad representa a temperatura medida pelo sensor e convertida a um valor binário, enquanto que a entrada crc contém os 16 bits calculados pelo calculador CRC. As saídas cadout e ctr permitem ao sequenciador disparar a conversão analógico digital e o cálculo do CRC respectivamente no momento preciso. Como explicado anteriormente, basta garantir que a conversão esteja completa antes de iniciar o calculador CRC para que o cálculo seja realizado corretamente. Finalmente, a saída dbp é ligada ao codificador DBP. A partir do endereço e da especificação da tabela 8.2, o sequenciador comuta a saída dbp. Uma simulação foi realizada com o sequenciador e o calculador CRC. Os sinais de clk, adress (saída do contador síncrono 7 bits) e o valor binário da temperatura são todos simulados por um circuito de testes (testbench), pois se tem como objetivo somente simular o sequenciador e o calculador CRC. Na figura 8.7, observa-se a simulação realizada com o sequenciador e o calculador CRC em nível comportamental, ou seja, a simulação do código VHDL antes de sua síntese. Figura 8.7: Simulação do sequenciador. A simulação mostra que o sequenciador funciona como previsto. Os dez primeiros bits estão todos em ‘0’ (o cabeçalho do código). Em seguida, há uma longa sequência de bits a nível ‘1’, que compõem o último bit do cabeçalho, uma parte do código de identificação e os bits de controle. Por fim, enviam-se os bits do cad e, logo em seguida os bits calculados pelo calculador CRC. Uma nova sequência de bits em nível ‘1’ termina o código. O código CHDL que descreve este circuito é bastante simples, pois basta que ele selecione entre um bit da entrada cad, um bit da entrada crc ou bit a ‘1’, a partir do valor da entrada adress, para enviá-lo à saída dbp. Os circuitos descritos por estes códigos VHDL do 49 sequenciador e do calculador CRC foram sintetizados e, após simulações usando o software AdvanceMS, os mesmos resultados das simulações comportamentais foram obtidos. 50 9 Conclusão Atualmente, as exigências de qualidades sobre os produtos são cada vez mais rigorosas. Várias mercadorias, principalmente medicamento e alimentos, precisam de um controle de temperatura muito rígido. Neste contexto, o projeto “Chip Calor” se apresenta como uma solução confiável e prática, graças às diversas vantagens da identificação por radiofreqüência em relação a outras técnicas de identificação tradicionais. O TAG RFID em desenvolvimento neste projeto é um circuito bastante complexo, contendo um módulo de gerenciamento da potência, um bloco digital, um bloco analógico e uma memória. Assim sendo, a realização deste trabalho foi bastante enriquecedora quanto à formação em concepção de circuitos. O projeto me permitiu compreender o processo de concepção de um circuito analógico, ou seja, a definição de um diagrama de blocos, a concepção dos esquemáticos dos circuitos, as simulações, o desenho dos layouts, as simulações post-layout, a fabricação e os testes finais. De forma similar, as etapas de concepção de um circuito digital também foram observadas, sendo neste caso a codificação do circuito em uma linguagem de descrição de hardware, a síntese em um esquemático correspondente a uma tecnologia específica, a criação da interconexões entre as portas lógicas, o desenho das máscaras e a fabricação. Como normalmente a maior partes destas etapas é feita automaticamente por softwares, cabe ao engenheiro o trabalho de otimização das estruturas (quanto à superfície de silício ocupada, frequência de funcionamento ou consumação, conforme o projeto) e de simulação e validação. A utilização de ferramentas CAD como Cadence e de simuladores como Spectre e ADS foram também muito importantes para minha formação em microeletrônica. Sabendo que certas simulações podem levar muito tempo, é notável a importância de conhecer corretamente o funcionamento do circuito e do simulador para chegar mais facilmente a uma solução. Dentro do que foi proposto quanto ao projeto Chip Calor, no caso o desenvolvimento do circuito regulador de tensão, as simulações envolvendo a memória e sua interface, as simulações globais e a adaptação do circuito baseado na norma ISSO 11784/85, os resultados obtidos foram satisfatórios. A continuação do projeto consiste em completar as simulações globais do circuito, integrando as partes analógicas e digitais. Uma simulação na qual uma medida de temperatura é realizada e armazenada na memória e, em seguida, a leitura da memória é simulada a partir de sinais enviados pela antena, usando a parte de comunicação e a parte digital do circuito, é ainda muito importante. Após esta simulação, pode-se passar finalmente ao desenho final dos layouts das partes digitais e analógicas, as simulações post-layout, que levam em conta todos os elementos passivos parasitas existentes devido às interconexões, o envio para a fabricação e os testes físicos de caracterização final. 51 10 Referências Bibliográficas [1] K. Finkenzeller, “RFID Handbook”, 2nd Edition. John Willey & Sons Ltd, 2003 [2] http://www.ims-bordeaux.eu/ [3] ISO/IEC 18000-2, First Edition, 2004-09-15 [4] Rincón-Mora, Gabriel Afonso, Current Efficient, Low Voltage, Low Drop-Out Regulators, 1996 [5] Milliken, Robert Jon, A Capacitor-Less Low Drop-Out Voltage Regulator With Fast Transient Response, 2005 [6] Wiltgen Junior, Alberto, Conception du Module Numérique d’un TAG RFID avec Capteur de Température, 2009 [7] ISO 11785, Radio-Frequency Identification of Animals – Technical Concept, First Edition, 1996-10-15.
