Ein RFID-Chip betreibt batterielos energieintensive Sensoren

Mit einem RFID-Sensor-Transponder-IC als Brücke zwischen NFC und I²C lassen sich kommerzielle Sensoren für analytische und diagnostische Anwendungen anschließen und per Smartphone auslesen.

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Sensoren in der Medizintechnik werden zunehmend in der diagnostischen Analytik und personalisierten Therapie und dort in ganz unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. In Zukunft sollen digitale Sensoren beispielsweise Teststreifen ergänzen. Mit Teststreifen wurden bisher ermittelt, ob eine Schwangerschaft vorliegt oder eine Allergie.

Dabei kommt drahtlose Technik ins Spiel, wie RFID, die von jedem Smartphone ausgelesen werden kann und die Daten direkt zum Arzt schickt oder die Daten in einer App bereitstellt. Solche drahtlosen Point-of-Care-Sensoren können zusammen mit Big Data und Cloud-basierter Software die Grundlage für ein datengetriebenes Geschäftsmodell sein.

Nahfeldkommunikation auf Basis von RFID

Ein typisches RFID-System besteht aus mindestens einem Lesegerät sowie einem oder mehreren Transpondern. Das Lesegerät kommuniziert über ein hochfrequentes (HF-)Feld mit den umgebenden Tags und die Tags antworten mit ihren eindeutigen Identifikationsnummern. Die Verbindung aus RFID mit Sensoren zu RFID-Sensoren ist eine weiterentwickelte RFID-Technik. Im Mittelpunkt steht der RFID-Sensor-Transponder-IC.

Die Nahfeldkommunikation (NFC) ist ein auf RFID basierender Standard, um Energie und Daten über kurze Distanzen zu übertragen. Mit den Smartphones hat sich NFC stark verbreitet. Bisher wird diese Technik vor allem für kontaktlose Geldzahlungen eingesetzt, jedoch eignet sie sich sehr gut für verschiedene Sensorik- und Monitoring- Anwendungen für die persönliche Gesundheitsüberwachung. NFC nutzt die gleichen ISO-Protokolle für die Kommunikation mit den Transpondern wie HF-RFID bei 13,56 MHz. Jedes NFC-fähige Smartphone funktioniert somit als RFID-Lesegerät, das den Sensortransponder mit Energie versorgt, so dass dieser dann die Sensordaten ohne eine zusätzliche Batterie auf der Tag-Seite auslesen und übertragen kann.

Stand der Technik sind dedizierte RFID-Sensor-Transponder-ICs, bei denen die Sensoren direkt im RFID-Chip integriert sind. Damit sind Energieeffizienz, Funktionalität und Sensorgenauigkeit innerhalb des ICs optimiert [1]. Allerdings sind die ICs für spezifische Anwendungen ausgelegt und nicht für den breiten Einsatz in mehreren Anwendungsszenarien flexibel genug. Viele kommerzielle RFID-Sensoren kombinieren RFID-Transponder-ICs, Mikrocontroller (MCU) und Stand-Alone-Sensoren. Die Sensoroperationen werden in solchen Fällen von der MCU gesteuert: Der Mikrocontroller ist Master und RFID-IC sowie Sensoren sind Slave. Die MCU verbraucht mit etwa 100 μA/MHz die meiste verfügbare Energie. Solche Systeme lassen sich nicht mit energiehungrigen Sensoren koppeln, wie mit in der Diagnostik eingesetzten optischen Sensoren mit Photodioden und LEDs. Eine LED benötigt bereits 3 bis 5 mA.

Das IMMS hat einen NFC-kompatiblen HF-RFID-Transponder-IC entwickelt. Dieser dient als drahtlose Brückenschnittstelle für handelsübliche digitale I²C-Sensoren. Der Chip wird mit einem On-Chip-I²C-Master und einem konfigurierbaren Power-Management-Block geliefert. Außerdem unterstützt der Chip verschiedene Sensoren mit unterschiedlichem Leistungsbedarf. Er kann eine geregelte Spannung für externe Sensoren bis zu 2,2 V bei einem maximalen Strom von 10 mA liefern [2]. Dank des On-Chip-I²C-Masterblocks ist keine MCU für die Lese-/Schreibvorgänge mit den Sensoren notwendig. Die Chip-Architektur zeigt das Bild 1.

Chip mit einem cleveren Powermanagement

Bei der Kopplung eines I²C-Masters mit einem Slave-IC wird an jeder bidirektionalen Leitung (SDA, SCL) ein Pull-up-Widerstand benötigt. In einem konventionellen I²C-Bussystem sind die ohmschen Widerstände ungünstig für den Energieverbrauch. Um dieses Problem zu lösen, hat das IMMS einen Latch-basierten Ultra-Low-Power-Pull-Up-Emulator entwickelt, der vollständig I²C-Standard-kompatibel ist [3]. Der RFID-Sensor-Transponder-IC zusammen mit dem Pull-Up-Emulator ist eine energieeffiziente Lösung, um drahtlose personalisierte Health-Care-Anwendungen aufzubauen.

Das Powermanagement ist Grundlage für eine stabile Kommunikation mit externen I²C-Sensoren. Der Chip nutzt einen externen Kondensator, der die Energie automatisch speichert, während sich der Transponder im Energiefeld des Lesegeräts befindet. Ist die erforderliche Energie für den System- und Sensorbetrieb geladen, wird ein internes Interrupt initiiert. Jetzt kann der Betrieb der verbundenen I²C-Slave-Chips, wie Sensoren und externer Speicher, eingeleitet werden. Der Ladevorgang des externen Kondensators ist konfigurierbar, um einen unterschiedlichen Stromverbrauch bei kommerziellen Sensoren zu berücksichtigen. Über standardmäßige Schreibbefehle nach ISO 14443 Typ A lässt sich der On-Chip-Speicher programmieren.

Mit den externen I²C-Sensoren wird kommuniziert, indem die Informationen für die I²C-Kommunikation in die Befehlsregister im Transponderspeicher geschrieben werden. Diese Informationen werden vom On-Chip-I²C-Master verwendet, um die I²C-Transaktionen mit den externen Sensoren zu initiieren. Der Chip ist für den externen I²C-Betrieb flexibel: mehrfacher Lese- und Schreibbetrieb; kombinierter Lese- und Schreibbetrieb (Schreibinformationen zum Starten des Sensorbetriebs und Lesen der erfassten Daten nach dem Betrieb); Startverzögerung (Zeit zum Starten des Sensors); Verzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden I²C-Schreibvorgängen (beim Schreiben von Informationen in einen externen nichtflüchtigen Speicher).

Diagnostische Laboranwendungen überwachen

Neben NFC-basierten Sensoranwendungen in den Privathaushalten lässt sich der entwickelte Chip für verschiedene diagnostische Laboranwendungen einsetzen, um ein permanentes Monitoring von Umgebungsparametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck zu ermöglichen. Der Chip ist vollständig zum Protokoll ISO 14443 Typ A kompatibel und lässt sich mit jedem kommerziell erhältlichen HF-RFID-Lesegerät verwenden.

Die Arbeiten im Verbundprojekt ADMONT werden als industrielle Forschung (Innovation Action) im ECSEL-Programm als Teil des Forschungsrahmenprogramms Horizont 2020 durch die Europäische Union und das Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 661796 gefördert, das Teilvorhaben des IMMS „Entwurf intelligenter in-vitro-diagnostischer und bioanalytischer Sensor- und Aktorsysteme“ unter dem Kennzeichen 16ESE0057.

Referenzen

[1] J. Tan, M. Sathyamurthy, A. Rolapp, J. Gamez, E. Hennig, E. Schäfer, and R. Sommer, “A Fully Passive RFID Temperature Sensor SoC with an Accuracy of ±0.4°C (3σ) from 0°C to 125°C,” in IEEE Journal of Radio Frequency Identification (JRFID), vol. 3, no. 1, pp. 35-45, Mar. 2019. DOI: 10.1109/JRFID.2019.2896145

[2] J. Tan, M. Sathyamurthy, A. Rolapp, J. Gamez, M. Elkharashi, B. Saft, S. Jäger, and R. Sommer, “An RFID to I2C Bridge IC with Supply Interference Reduction for Flexible RFID Sensor Applications,” in IEEE International Conference on RFID 2019, Phoenix (AZ), USA, Apr. 2019. DOI: 10.1109/RFID.2019.8719257

[3] B. Saft und G. Gläser, „Schaltungsanordnung zur Bereitstellung der Ladeenergie für einen Pegelwechsel auf einem Signalbus, Verfahren zur Kalibrierung und Signalübertragungssystem“, Offengelegte Patentanmeldung DE 10 2016 119 927 A1.

* Muralikrishna Sathyamurthy, Peggy Reich und Eric Schäfer arbeiten am IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH in Ilmenau.

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