CN101436261B - 2.45GHz半主动射频识别标签及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为2.45GHz半主动射频识别标签，包括微处理器、ASK解调模块、小信号放大模块、双路选择模块、负载调制模块、电压检测电路、电源模块、天线模块，天线模块包括第一偶极子天线和第二偶极子天线，小信号放大模块和ASK解调模块相连接组成天线信号接收单元，双路选择模块与负载调制模块相连接组成标签信号发送单元，微处理模块分别与ASK解调模块、双路选择模块、电压检测电路相连接，第一偶极子天线的天线馈点(a)分别与负载调制模块、小信号放大模块、电压检测电路相连接，第二偶极子天线的天线馈点(b)分别与双路选择模块、电压检测电路相连接。本发明为半主动标签，其功耗更低、阅读距离远、数据处理能力强。
Description
技术领域
本发明涉及微波射频识别(RFID)技术，具体是指2.45GHz半主动射频识别标签及其信号处理方法。
背景技术
射频识别(RFID)技术是一种通过微波波段进行自动识别的技术，它具有传输距离远，传输速度快等优点，是高速RFID定位和识别应用的理想选择。
目前，2.45GHz射频识别技术多应用于有源的主动标签，其结构如图1所示，主要由电源、微处理器、发送单元、接收单元以及天线组成。电源(一般为电池)负责给微处理器、发送单元、接收单元供电，主动标签进行射频信号接收、发射以及数据处理都需要电源供电，标签的阅读距离也较长。而实际工作中，主动标签发射信号需要的电能较多，整个主动标签的功耗大，电池寿命短，没电的时候主动标签就不能正常工作、寿命短。若主动标签通过频繁更换电池来延长其工作寿命，又会给主动标签的实际使用造成很大不便。
2.45GHz射频识别技术还常应用于被动标签，其结构如图2所示，主要由逻辑处理单元、接收单元、反向散射单元以及天线组成。被动标签采用无源接收、无源数据处理以及反向散射射频信号的技术，整个标签的功耗很低，但是也造成数据处理能力差、接收射频信号的阅读距离短。
综上所述，目前还没有一种能够兼顾功耗、阅读距离、数据处理能力三个衡量标签性能的核心指标的标签。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种2.45GHz半主动射频识别标签，本发明标签为半主动标签，能够兼顾功耗、阅读距离、数据处理能力这三个标签性能指标，发射射频信号时采用无源的反向散射、负载调制，功耗相对于现有的主动标签，其功耗更低，而接收射频信号、数据处理时采用有源模式，相对于被动标签具有更远的阅读距离、更强大的数据处理能力，胜任相对复杂的RFID处理任务。
本发明的另一目的在于提供上述2.45GHz半主动射频识别标签的信号处理方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：半主动射频识别标签包括微处理器(MCU)、ASK解调模块、小信号放大模块、双路选择模块、负载调制模块、电压检测电路、电源模块、天线模块，所述天线模块包括第一偶极子天线和第二偶极子天线。所述小信号放大模块和ASK解调模块相连接组成天线信号接收单元，双路选择模块与负载调制模块相连接组成标签信号发送单元，微处理模块分别与ASK解调模块、双路选择模块、电压检测电路相连接，同时，第一偶极子天线的天线馈点(a)分别与负载调制模块、小信号放大模块、电压检测电路相连接，第二偶极子天线的天线馈点(b)分别与双路选择模块、电压检测电路相连接。
所述微处理器的工作状态包括睡眠状态、空闲状态、接收状态、协议处理状态及发射状态。
所述微处理器包括定时模块，当微处理器进入空闲状态时定时模块启动并开始计时，当计时时间到了定时模块预设的定时时间时，定时模块控制整个微处理器进入睡眠状态。
所述双路选择模块由第一高速开关(K1)、第二高速开关(K2)及非门组成，其中第一高速开关(K1)的公共端与第二高速开关(K2)的公共端相连接组成双路选择模块的公共端，该双路选择模块的公共端与天线馈点(b)相连接，第一高速开关(K1)的非公共端与负载调制模块相连接，第二高速开关(K2)的非公共端与小信号放大模块相连接，同时，第一高速开关(K1)的控制端与第二高速开关(K2)的控制端通过非门相连接组成双路选择模块的控制端，该双路选择模块的控制端与微处理器相连接。
为了更好地实现本发明，所述第一高速开关(K1)、第二高速开关(K2)可以采用高速电子开关，也可以采用高速三极管开关。
上述2.45GHz半主动射频识别标签的信号处理方法，具体包括如下步骤：
(1)电压检测电路检测是否有输入电压，若天线模块接收到阅读器发送的射频信号后，就在第一偶极子天线和第二偶极子天线产生电压，该电压输入电压检测电路与电压检测电路中的基准电压做比较，当该电压不大于基准电压时，电压检测电路不进行任何处理而继续检测是否有输入电压，而微处理器处于睡眠状态；当该电压大于基准电压时，电压检测电路发送唤醒信号到微处理电器，激发微处理器由原来的睡眠状态切换至空闲状态，并发送控制信号控制双路选择模块选通接收模式，即微处理器发送控制信号使第二高速开关(K2)闭合，使第二偶极子天线的天线馈点(b)与小信号放大模块电路连通，然后微处理器由空闲状态切换到接收状态；
(2)由于射频信号从阅读器天线传输到半主动射频识别标签天线存在衰减，所以，双路选择模块选通接收模式后，双路选择模块经天线馈点(a)、双路选择模块两路接收射频信号并对接收的射频信号进行放大，放大后的射频信号经ASK解调模块解调出阅读器数据后，微处理器接收该阅读器数据；
(3)当微处理器接收阅读器数据完成后，微处理器由接收状态切换至协议处理状态，微处理器处理所接收到的阅读器数据，然后根据阅读器数据的处理结果判断是否需要发送数据，若不需要发送数据，则进行步骤(6)操作，若需要发送数据，则进入下一步工作阶段；
(4)当需要发送数据时，微处理器由协议处理状态切换至发送状态，微处理器向双路选择模块发送数据，控制双路选择模块与负载调制模块采用反向散射、负载调制方法把所需发送数据对应的射频信号发射出去，由于微处理器发送的数据本质上为数字信号(一般情况采用二进制数字信号)，所以通过数字编码的数据控制天线模块接收到的射频信号，采用反向散射、负载调制方法就能实现把所需发送数据对应的射频信号发射出去，而该所需发送数据对应的射频信号实际上就是从天线模块接收到的射频信号中分离出来后全反射出去的，所以此发射射频信号的操作实质上是使用天线模块接收到的射频信号的电磁能，不需要电源模块供电；
(5)微处理器根据需要按照步骤(4)操作向双路选择模块发送数据直至所需发射数据发射完毕，当微处理器向双路选择模块发送数据完毕后，进行步骤(6)操作；
(6)微处理器自动切换至空闲状态，然后启动定时模块开始计时，当计时时间到了定时模块预设的定时时间时，定时模块控制整个微处理器切换至睡眠状态。
上述方法中，步骤(4)所述控制双路选择模块与负载调制模块采用反向散射、负载调制方法把所需发送数据对应的射频信号发射出去，其具体操作如下：微处理器向双路选择模块发送数据后，双路选择模块根据所接收数据的数据位使负载调制模块与第二偶极子天线的天线馈点(b)之间电路连通或断开，若数据的数据位为1，第一高速开关(K1)断开，使负载调制模块与第二偶极子天线的天线馈点(b)之间电路断开，负载调制模块不通电，天线模块接收到的射频信号经天线模块全反射出去；若数据的数据位为0，第一高速开关(K1)闭合，使负载调制模块与第二偶极子天线的天线馈点(b)之间电路连通，负载调制模块通电，天线模块接收到的射频信号被负载调制模块接收而没有射频信号经天线模块发射出去，从而实现了采用反向散射、负载调制方法把所需发送数据对应的射频信号发射出去；在本步骤操作中，由于微处理器处于发送状态，所以无论微处理器向双路选择模块发送数据的数据位为1或0，小信号放大电路和ASK解调模块都不进行接收射频信号的操作，此时的小信号放大电路和ASK解调模块闲置。
上述方法中，步骤(6)所述启动定时模块的定时时间的大小可以根据用户的实际需要来进行设定。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明为2.45GHz半主动射频识别标签，采用双路选择模块与负载调制模块相连接组成标签信号发送单元，使用半主动标签天线模块接收到的射频信号的功率来发射射频信号，而不需要电源模块供电，实现反向散射、负载调制的功能，整个标签功耗得到了有效的降低；
(2)本发明采用小信号放大模块和ASK解调模块相连接组成天线信号接收单元，对接收到的射频信号进行放大和解调，能有效地还原阅读器发送过来的数据，延长了半主动射频识别本标签的阅读距离；
(3)本发明采用微处理器来处理接收到的阅读器数据、发送数据等，而且得到电源模块稳定的供电，具有更强大的数据处理能力，胜任相对复杂的RFID处理任务。
附图说明
图1为现有的主动标签的结构示意图；
图2为现有的被动标签的结构示意图；
图3为本发明的2.45GHz半主动射频识别标签的结构示意图；
图4为本发明中双路选择模块的结构示意图；
图5为本发明2.45GHz半主动射频识别标签的工作流程图；
图6为本发明中微处理器的工作状态转换图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图3所示，本发明2.45GHz半主动射频识别标签包括微处理器(MCU)、ASK解调模块、小信号放大模块、双路选择模块、负载调制模块、电压检测电路、电源模块、天线模块，所述天线模块包括偶极子天线I和偶极子天线II。所述小信号放大模块和ASK解调模块相连接组成天线信号接收单元，双路选择模块与负载调制模块相连接组成标签信号发送单元，微处理模块分别与ASK解调模块、双路选择模块、电压检测电路相连接，同时，偶极子天线I的天线馈点a分别与负载调制模块、小信号放大模块、电压检测电路相连接，偶极子天线II的天线馈点b分别与双路选择模块、电压检测电路相连接。
为了更好的实现本实施例，以下对双路选择模块的结构以及其与本半主动射频识别标签的其他部件的连接做进一步说明。如图4示，所述双路选择模块由高速开关K1、高速开关K2及非门组成，其中高速开关K1的公共端与高速开关K2的公共端相连接组成双路选择模块的公共端4，该公共端4与天线馈点b相连接，高速开关K1的非公共端1与负载调制模块相连接，高速开关K2的非公共端2与小信号放大模块相连接，同时，高速开关K1的控制端与高速开关K2的控制端通过非门相连接组成双路选择模块的控制端3，该控制端3与微处理器的控制管脚相连接。
所述高速开关K1、高速开关K2可以采用高速电子开关，也可以采用高速三极管开关。
上述2.45GHz半主动射频识别标签的信号处理方法，具体包括如下步骤：
(1)电压检测电路检测是否有输入电压，若天线模块接收到阅读器发送的射频信号后，就在偶极子天线I和偶极子天线II产生电压，该电压输入电压检测电路与电压检测电路中的基准电压做比较，当该电压不大于基准电压时，电压检测电路不进行任何处理而继续检测是否有输入电压，而微处理器处于睡眠状态；当该电压大于基准电压时，电压检测电路发送唤醒信号到微处理电器，激发微处理器由原来的睡眠状态切换至空闲状态，并发送控制信号控制双路选择模块选通接收模式，即微处理器发送控制信号使高速开关K2闭合，使偶极子天线II的天线馈点b与小信号放大模块电路连通，然后微处理器由空闲状态切换到接收状态；
(2)由于射频信号从阅读器天线传输到半主动射频识别标签天线存在衰减，所以，双路选择模块选通接收模式后，双路选择模块经天线馈点a、双路选择模块两路接收射频信号并对接收的射频信号进行放大，放大后的射频信号经ASK解调模块解调出阅读器数据后，微处理器接收该阅读器数据；
(3)当微处理器接收阅读器数据完成后，微处理器由接收状态切换至协议处理状态，微处理器处理所接收到的阅读器数据，然后根据阅读器数据的处理结果判断是否需要发送数据，若不需要发送数据，则进行步骤(6)操作，若需要发送数据，则进入下一步工作阶段；
(4)当需要发送数据时，微处理器由协议处理状态切换至发送状态，微处理器向双路选择模块发送数据，双路选择模块根据所接收数据的数据位使负载调制模块与偶极子天线II的天线馈点b之间电路连通或断开，若数据的数据位为1，高速开关K1断开，使负载调制模块与偶极子天线II的天线馈点b之间电路断开，负载调制模块不通电，天线模块接收到的射频信号经天线模块全反射出去；若数据的数据位为0，高速开关K1闭合，使负载调制模块与偶极子天线II的天线馈点b之间电路连通，负载调制模块通电，天线模块接收到的射频信号被负载调制模块接收而没有射频信号经天线模块发射出去。以上即采用反向散射、负载调制方法把所需发送数据对应的射频信号发射出去；在本步骤操作中，由于微处理器处于发送状态，所以无论微处理器向双路选择模块发送数据的数据位为1或0，小信号放大电路和ASK解调模块都不进行接收射频信号的操作，此时的小信号放大电路和ASK解调模块闲置；
(5)微处理器根据需要按照步骤(4)操作向双路选择模块发送数据直至所需发射数据发射完毕，当微处理器向双路选择模块发送数据完毕后，进行步骤(6)操作；
(6)微处理器自动切换至空闲状态，然后启动定时模块开始计时，当计时时间到了定时模块预设的定时时间时，定时模块控制整个微处理器切换至睡眠状态。
由上述方法的各步骤可知，微处理器在整个半主动射频识别标签的信号处理方法中的工作状态在睡眠状态、空闲状态、接收状态、协议处理状态、发射状态之间进行转换，如图6所示。
上述方法中，步骤(6)所述启动定时模块的定时时间的大小可以根据用户的实际需要来进行设定。
如上所述，便可较好地实现本发明。
Claims (9)
1.2.45GHz半主动射频识别标签，其特征在于：包括微处理器、ASK解调模块、小信号放大模块、双路选择模块、负载调制模块、电压检测电路、电源模块、天线模块，所述天线模块包括第一偶极子天线和第二偶极子天线，所述小信号放大模块和ASK解调模块相连接组成天线信号接收单元，双路选择模块与负载调制模块相连接组成标签信号发送单元，微处理模块分别与ASK解调模块、双路选择模块、电压检测电路相连接，同时，第一偶极子天线的天线馈点(a)分别与负载调制模块、小信号放大模块、电压检测电路相连接，第二偶极子天线的天线馈点(b)分别与双路选择模块、电压检测电路相连接。
2.根据权利要求1所述2.45GHz半主动射频识别标签，其特征在于：所述微处理器的工作状态包括睡眠状态、空闲状态、接收状态、协议处理状态及发射状态。
3.根据权利要求1所述2.45GHz所述半主动射频识别标签，其特征在于：所述微处理器包括定时模块，当微处理器进入空闲状态时，定时器启动并开始计时，定时器预设的定时时间超时，则微处理器进入睡眠状态。
4.根据权利要求1所述2.45GHz半主动射频识别标签，其特征在于：所述双路选择模块由第一高速开关(K1)、第二高速开关(K2)及非门组成，其中第一高速开关(K1)的公共端与第二高速开关(K2)的公共端相连接组成双路选择模块的公共端，该双路选择模块的公共端与天线馈点(b)相连接，第一高速开关(K1)的非公共端与负载调制模块相连接，第二高速开关(K2)的非公共端与小信号放大模块相连接，同时，第一高速开关(K1)的控制端与第二高速开关(K2)的控制端通过非门相连接组成双路选择模块的控制端，该双路选择模块的控制端与微处理器相连接。
5.根据权利要求4所述2.45GHz半主动射频识别标签，其特征在于：所述第一高速开关(K1)、第二高速开关(K2)中的一个或两个为高速电子开关。
6.根据权利要求4所述2.45GHz半主动射频识别标签，其特征在于：所述第一高速开关(K1)、第二高速开关(K2)中的一个或两个为高速三极管开关。
7.一种2.45GHz半主动射频识别标签的信号处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)电压检测电路检测是否有输入电压，若天线模块接收到阅读器发送的射频信号后，就在第一偶极子天线和第二偶极子天线II产生电压，该电压输入电压检测电路与电压检测电路中的基准电压做比较，当该电压不大于基准电压时，电压检测电路不进行任何处理而继续检测是否有输入电压，而微处理器处于睡眠状态；当该电压大于基准电压时，电压检测电路发送唤醒信号到微处理电器，激发微处理器由原来的睡眠状态切换至空闲状态，并发送控制信号控制双路选择模块选通接收模式，即微处理器发送控制信号使第二高速开关(K2)闭合，使第二偶极子天线的天线馈点(b)与小信号放大模块电路连通，然后微处理器由空闲状态切换到接收状态；
(2)双路选择模块选通接收模式后，双路选择模块经天线馈点(a)、双路选择模块两路接收射频信号并对接收的射频信号进行放大，放大后的射频信号经ASK解调模块解调出阅读器数据后，微处理器接收该阅读器数据；
(3)当微处理器接收阅读器数据完成后，微处理器由接收状态切换至协议处理状态，微处理器处理所接收到的阅读器数据，然后根据阅读器数据的处理结果判断是否需要发送数据，若不需要发送数据，则进行步骤(6)操作，若需要发送数据，则进入下一步工作阶段；
(4)当需要发送数据时，微处理器由协议处理状态切换至发送状态，微处理器向双路选择模块发送数据，控制双路选择模块与负载调制模块采用反向散射、负载调制方法把所需发送数据对应的射频信号发射出去；
(5)微处理器根据需要按照步骤(4)操作向双路选择模块发送数据直至所需发射数据发射完毕，当微处理器向双路选择模块发送数据完毕后，进行步骤(6)操作；
(6)微处理器自动切换至空闲状态，然后启动定时模块开始计时，当计时时间到了定时模块预设的定时时间时，定时模块控制整个微处理器切换至睡眠状态。
8.根据权利要求7所述的2.45GHz半主动射频识别标签信号处理方法，其特征在于：步骤(6)所述启动定时模块的定时时间的大小根据用户的实际需要来进行设定。
9.根据权利要求7所述的2.45GHz半主动射频识别标签信号处理方法，其特征在于：步骤(4)所述控制双路选择模块与负载调制模块采用反向散射、负载调制方法把所需发送数据对应的射频信号发射出去，其具体操作如下：微处理器向双路选择模块发送数据后，双路选择模块根据所接收数据的数据位使负载调制模块与第二偶极子天线的天线馈点(b)之间电路连通或断开，若数据的数据位为1，第一高速开关(K1)断开，使负载调制模块与第二偶极子天线的天线馈点(b)之间电路断开，负载调制模块不通电，天线模块接收到的射频信号经天线模块全反射出去；若数据的数据位为0，第一高速开关(K1)闭合，使负载调制模块与第二偶极子天线的天线馈点(b)之间电路连通，负载调制模块通电，天线接收到的射频信号被负载调制模块接收而没有射频信号经天线模块发射出去。
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