CN101236597A - 一种rfid天线轮询切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种RFID天线轮询切换装置，能够将多个天线同时连接到读写器的一个射频端口并实现天线阵列的自动轮询，以实现分时驱动各天线读取所覆盖范围内的电子标签。本发明在分离的读写器和天线之间，串入一个或多个天线轮询切换装置，通过装置中的计时电路产生周期性脉冲信号，驱动至少一个机械开关的周期性连通与断开，使读写器一个射频端口与多个读写器天线在一个周期内分别连通，使各个天线分时工作，既可避免在控制处理模块产生碰撞问题，又可保证天线的有效功率不被降低，从而获得更大的读取范围和更好的读取效果。其结构简单、性能可靠、成本低廉，可应用与仓库及图书馆等管理中，特别是对货架或书架不同位置的货物或书籍进行周期性盘点。

Description

一种RFID天线轮询切换装置

技术领域

本发明涉及一种射频识别读写器的多天线复用技术，尤其是一种与读写器和天线分离的可一带多的RFID天线轮询切换装置。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种基于射频识别原理实现的自动识别技术。通常RFID系统由电子标签、读写器和中间件三部分构成。读写器作为连接后端中间件及应用系统与前段电子标签之间的主要通道，起到了举足轻重的作用。读写器一般又可分为三个模块：天线模块、射频通道模块、控制处理模块。其中射频通道模块和控制处理模块直接集成在读写器中。部分种类的读写器与天线集成，一个读写器驱动一个天线。然而，一个天线的覆盖范围是有限的，而且在障碍物较多、环境较复杂的情况下，其作用距离将进一步缩短，不利于对大量电子标签的快速读取。因此对于绝大部分高频及超高频RFID系统来说，天线模块一般通过同轴电缆与读写器的射频通道模块相连。由于读写器和天线是以有线的方式连接的，所以读写器天线的部署范围能以扩展，同时也使读写器一带多个天线成为可能。目前常见的一带多读写器包括一带二、一带四，甚至一带八。从中我们可以看到，读写器所带天线数量仍然是有限的，无法做到无限扩展。

造成读写器天线数量无法无限扩展的主要原因有两个，一是避免读写器碰撞问题，二是发射功率限制问题。读写器碰撞是指多个读写器天线组成的阵列同时读取到一个标签时，在控制处理模块所发生的碰撞。为了覆盖大面积范围内所有的标签，读写器的覆盖范围发生重叠在所难免。解决这个问题势必会增加控制处理模块的复杂程度。由于国家标准中对读写器的发射功率有限制，因此通过并联多个射频端口驱动多个天线工作，会降低每个天线的有效功率，缩短天线读取距离。

为了解决以上问题，需要一种结构简单、性能可靠、成本低廉、可以无限扩展的读写器天线连接装置，通过时分多路(TDMA)方式，在读写器端接口与天线端接口之间加入天线轮询切换装置，使各个天线分时工作，既可避免在控制处理模块产生碰撞问题，又可保证天线的有效功率不被降低，从而获得更大的读取范围和更好的读取效果。

发明内容

为了实现以上效果，本发明描述了一种能够将多个天线同时连接到读写器的一个射频端口并实现天线阵列的自动轮询的装置，以实现分时驱动各天线读取所覆盖范围内的电子标签，可应用与仓库及图书馆等管理中，特别是对货架或书架不同位置的货物或书籍进行周期性盘点。

本发明的原理是，在分离的读写器和读写器天线之间，串入一个或多个天线轮询切换装置，通过装置中的计时电路产生周期性脉冲信号，驱动至少一个机械开关的周期性连通与断开，使读写器一个射频端口与多个读写器天线在一个周期内分别连通，使各个天线分时工作，从而实现低成本的一带多天线管理模式。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置，包括读写器端接口、轮询配置模块、开关驱动模块、电源模块以及天线端接口，其中读写器端接口用于连接读写器的一个射频端口，与开关驱动模块相连；轮询配置模块用于产生计时信号和计数信号，与开关驱动模块相连；开关驱动模块根据轮询配置模块发送的信号，驱动至少一个机械开关与天线端接口按照一定时间间隔分别物理连通或断开；电源模块用于为轮询配置模块和开关驱动模块供电；天线端接口包括至少一个天线端口，与开关驱动模块的机械开关相连，用于连接外接读写器天线。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置，独立于现有的读写器和读写器天线，通过读写器端接口及天线端接口分别与一个读写器及至少一个读写器天线相连。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置，包含一个或多个天线端接口，其数目与开关驱动模块的机械开关数目相同。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置，其轮询配置模块至少包括计时子模块、计数子模块和选择子模块，其中计时子模块由振荡器和一个可调电阻构成，用于确定轮向周期的时间；计数子模块包括一个计数器，对振荡器输出的脉冲信号进行计数；选择子模块通过一组拨码开关决定可驱动的天线通道数目。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置，其开关驱动模块至少包括转换子模块、阻抗匹配子模块、驱动子模块和开关子模块，其中转换子模块包含一个译码器，根据轮询配置模块的输出信号决定当前使用的天线通道序号；阻抗匹配子模块为一由电阻、电容和电感组成的等效电路，以平衡在读写器与天线间串入装置所带来的阻抗变化；驱动子模块包含一个反相驱动器，用于对转换子模块的输出信号进行反相输出，并使用高低电平驱动开关子模块的连通与断开；开关子模块包括至少一个继电器，数量不大于轮询配置模块确定的天线通道数目，用于实现对不同天线端接口的轮流切换。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置，通过同轴电缆连接，可以实现多个装置之间的串联连接，其中低一级的轮询周期为T1，天线通道数目为N，高一级的轮询周期为T0，之间应满足关系T0≥T1×N。

本发明的有益效果是，提供了一种低成本的读写器射频接口扩展装置，能够在不降低读写器发射功率与读取距离的前提下，增加读写器的外接天线数量，扩展读写范围，减少仓库管理、图书管理等RFID应用领域中所需的读写器数量，从而降低系统部署成本。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的RFID天线轮询切换装置进行详细描述。

图1是本发明所述的RFID天线轮询切换装置一个实施例的结构示意图。其中1为读写器端接口，2为轮询配置模块，3为开关驱动模块，4为电源模块，5为天线端接口，21为计时子模块，22为计数子模块，23为选择子模块，31为转换子模块，32为阻抗匹配子模块，33为驱动子模块，34为开关子模块，211为振荡器，212为可调电阻。

图2是本发明所述的RFID天线轮询切换装置使用方法示意图。其中A为读写器，B为读写器的一个射频端口，C为连接射频端口的同轴电缆，D为读写器天线，E为实施例中第一级RFID天线轮询切换装置，F为第二级RFID天线轮询切换装置，S1为读写器级天线的作用范围，S2为第一级RFID天线轮询切换装置的作用范围，S3为第二级RFID天线轮询切换装置的作用范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅仅作为说明的目的，而不是对本发明的限制。

图1是以本发明原理为基础实现的一个高频(HF)RFID天线轮询切换装置实施例的结构示意图，由读写器端接口1、轮询配置模块2、开关驱动模块3、电源模块4以及天线端接口5组成。其中轮询配置模块2又分为计时子模块21、计数子模块22和选择子模块23，开关驱动模块3又分为转换子模块31、阻抗匹配子模块32、驱动子模块33和开关子模块34。其中计时子模块21又分为振荡器211和可调电阻212。

如图1所示，本发明所述的RFID天线轮询切换装置作为一个独立的部件，与一个读写器射频端口和四个读写器天线射频端口相连，读写器端接口1和四个天线端接口5均采用同轴电缆射频连接头，直接焊接在电路板上。

轮询配置模块2的计时子模块21的振荡器211采用NE555多谐振荡电路，可以通过调节可调电阻212来设置不同的振荡周期，该周期决定了扫描每个天线端接口5的轮询时长。计数子模块22采用十六进制计数器SN74HC161N，将其输出的通道选择序号的高三位通过一个5KΩ电阻与选择子模块23相连。选择子模块23由三个拨码开关组成，可改变装置所能连接的读写器天线数目为1、2或4。

开关驱动模块3的转换子模块31包含一个译码器SN74ALS138AN，根据选择子模块23的拨码开关位置决定当前工作的天线通道序号。阻抗匹配子模块32为一由电阻、电容和电感组成的等效电路。驱动子模块33包含一个反相器HD74HC04P，用于对转换子模块的输出信号进行反相输出，并使用高低电平驱动开关子模块的连通与断开。开关子模块34包括四个Cosmo Electronics Corporation的D1A050000磁簧继电器，用于实现对不同天线端接口的轮流切换。该继电器可直接由反相器的高电平输出信号驱动，从而省去了功放电路。

电源模块4分别为轮询配置模块2和开关驱动模块3中的电路提供5V电源。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置不需要外接控制信号，不会影响读写器对电子标签数据的读取，它适用于一般的读写器和读写器天线之间的连接，而不仅仅是特定的读写器和特定的读写器天线。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置可驱动的读写器天线数目是可以通过选择子模块23的三个拨码开关S1、S2、S3调整的，拨码开关状态为S1、S2、S3均断开时，可驱动的读写器天线数目为8个，按照0～7号的顺序依次连通读写器天线；拨码开关状态为S1闭合，S2、S3断开时，可驱动的读写器天线数目为4个，按照0、2、4、6号的顺序依次连通读写器；天线拨码开关状态为S1、S2闭合，S3断开时，可驱动的读写器天线数目为2个，按照0、4号的顺序依次连通读写器天线；拨码开关状态为S1、S2、S3均闭合时，可驱动的读写器天线数目为1个，即0号读写器天线。在使用中，如果只需要使用3个读写器天线，则需将可驱动的读写器天线通道数目设为4个，这样才能使一个轮询周期中单个天线的使用时间最长，系统的效率和吞吐量最大。

本发明所述的RFID天线轮询切换装置的轮询周期可以通过可调电阻212设置。改变可调电阻212的阻值，如从100KΩ至1MΩ，则可以改变振荡器211的振荡周期，从而改变轮询周期。理想的轮询周期应设置为使在一个轮询周期内每个读写器天线能够将其作用范围内的绝大多数标签识别的最小值，以满足应用的实时性要求。若在实际应用中，该轮询周期无法满足系统的实时性要求，则需要减少连入本发明所述装置的读写器天线数目，而增加读写器的射频端口数目。

图2是本发明所述的RFID天线轮询切换装置使用方法示意图。读写器A的射频端口B通过同轴电缆C与RFID天线轮询切换装置E、F和读写器天线D连接。RFID天线轮询切换装置E、F之间通过串联方式连接，其中第二级装置F的轮询周期为T1，天线通道数目为4，第一级装置E的轮询周期为T0，之间应满足关系T0≥T1×4。从图2中可以看出，读写器A具有两个射频端口B，其中一个与RFID天线轮询切换装置E相连，另一个直接与读写器天线D相连，其作用范围为S1，即在S1范围内的电子标签可以被与读写器A的射频端口B相连的天线D所读取。第一级RFID天线轮询切换装置E具有四个天线通道，最大可以以分时方式驱动4个读写器天线。在本实施例中，装置E的一个天线通道与装置F相连，另外三个天线通道直接与读写器天线D相连，其作用范围为S2，即在S2范围内的电子标签可以被与装置E相连的三个天线D所读取。装置F的4个天线通道均直接与读写器天线D相连，其作用范围为S3，即在S3范围内的电子标签可以被与装置F相连的四个天线D所读取。通过这种方式，理论上可在保证天线的有效功率不被降低的前提下，连接无限个读写器天线。但在实际应用中，由于实时性的要求，不能无限串联，但与传统读写器与读写器天线直接相连的方式相比，仍然能够获得更大的读取范围和更好的读取效果。

上面描述是用于实现本发明及其实施例，本领域普通技术人员可以根据实际情况确定多种实现方式，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。

Claims (6)

1.一种RFID天线轮询切换装置，其特征在于：包括读写器端接口、轮询配置模块、开关驱动模块、电源模块以及天线端接口，其中读写器端接口用于连接读写器的一个射频端口，与开关驱动模块相连；轮询配置模块用于产生计时信号和计数信号，与开关驱动模块相连；开关驱动模块根据轮询配置模块发送的信号，驱动至少一个机械开关与天线端接口按照一定时间间隔分别物理连通或断开；电源模块用于为轮询配置模块和开关驱动模块供电；天线端接口包括至少一个天线端口，与开关驱动模块的机械开关相连，用于连接外接读写器天线。

2.如权利要求1所述的RFID天线轮询切换装置，其特征在于：独立于现有的读写器和读写器天线，通过读写器端接口及天线端接口分别与一个读写器及至少一个读写器天线相连。

3.如权利要求1所述的RFID天线轮询切换装置，其特征在于：包含一个或多个天线端接口，其数目与开关驱动模块的机械开关数目相同。

4.如权利要求1所述的RFID天线轮询切换装置，其特征在于：其轮询配置模块至少包括计时子模块、计数子模块和选择子模块，其中计时子模块由振荡器和一个可调电阻构成，用于确定轮询周期的时间；计数子模块包括一个计数器，对振荡器输出的脉冲信号进行计数；选择子模块通过一组拨码开关决定可驱动的天线通道数目。

5.如权利要求1所述的RFID天线轮询切换装置，其特征在于：其开关驱动模块至少包括转换子模块、阻抗匹配子模块、驱动子模块和开关子模块，其中转换子模块包含一个译码器，根据轮询配置模块的输出信号决定当前使用的天线通道序号；阻抗匹配子模块为一由电阻、电容和电感组成的等效电路，以平衡在读写器与天线间串入装置所带来的阻抗变化；驱动子模块包含一个反相驱动器，用于对转换子模块的输出信号进行反相输出，并使用高低电平驱动开关子模块的连通与断开；开关子模块包括至少一个继电器，数量不大于轮询配置模块确定的天线通道数目，用于实现对不同天线端接口的轮流切换。

6.如权利要求1所述的RFID天线轮询切换装置，其特征在于：通过同轴电缆连接，可以实现多个装置之间的串联连接，其中低一级的轮询周期为T1，天线通道数目为N，高一级的轮询周期为T0，之间应满足关系T0≥T1×N。

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