CN102663456A - 一种近距离有源射频识别系统 - Google Patents

一种近距离有源射频识别系统 Download PDF

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本发明公开了一种近距离有源射频识别系统,包括电子标签和读写器,电子标签处于被动工作模式,在休眠模式下,电子标签的微控制器处于挂起状态;当与读写器靠近,电子标签接收电路收到读写器发送的调幅信号时,将电子标签的微控制器唤醒;唤醒的电子标签的微控制器接收读写器发送的命令码,电子标签的微控制器接收命令码后,通过调节接收电路天线的阻抗改变天线的耦合系数,给读写器返回数据;读写器处于间歇工作状态,即以一定的时间间隔去寻卡,寻卡结束后进入休眠状态。本发明的读写器和标签读写器和电子标签体积较小,通信距离较远,在不更换电池或充电的情况下,能连续工作较长的时间。

Description

一种近距离有源射频识别系统
[技术领域]
[0001] 本发明涉及近距离射频识别技术,尤其涉及一种近距离有源射频识别系统。
[背景技术]
[0002] 传统近距离射频识别系统中的电子标签一般是无源的,常用的频率有125KHZ和13. 56MHz。电子标签通过读写器发射的载波获取能量并工作,读写器发射功率一般超过50毫瓦,识别距离一般在10厘米以内。也有能 识别到I米以上的,但要求读写器发射功率达到I瓦,并使用大型环形天线。
[0003] 现有的近距离射频识别系统中,电子标签不带电源,依靠读写器发射的电磁波获取能量,这就需要读写器的功率比较大,使用电池供电的读写器一般只能工作数天就必须更换电池或充电。在一些要求读写器由电池供电,而不能进行电池更换或充电操作的工作条件下,现有无源射频识别系统无法实现应用要求。而要求识别距离在几十厘米的情况下,传统的读写器无法满足小型便携的应用需求,功耗也更大。
[发明内容]
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种近距离有源射频识别系统,能够使读写器和电子标签在不更换电池或充电的情况下,能连续工作较长时间,而且,读写器和电子标签体积足够小,通信距离足够远。
[0005] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是,一种近距离有源射频识别系统,包括电子标签和读写器,电子标签和读写器包括各自的电源,电子标签处于被动工作模式,即平时处于休眠模式,在休眠模式下,电子标签的接收电路工作,电子标签的微控制器处于挂起状态;当与读写器靠近,电子标签接收电路收到读写器发送的调幅信号时,将电子标签的微控制器唤醒;唤醒的电子标签的微控制器接收读写器发送的命令码,电子标签的微控制器接收命令码后,通过调节接收电路天线的阻抗改变天线的耦合系数,给读写器返回数据;
[0006] 读写器处于间歇工作状态,即以一定的时间间隔去寻卡,寻卡结束后进入休眠状态。
[0007] 以上所述的近距离有源射频识别系统,所述的电子标签包括反向调制电路,电子标签的接收电路包括检波电路、放大电路和所述的天线,电子标签的微控制器协调电子标签整个电路的工作,处理和读写器之间的通信协议;电子标签的天线通过电磁耦合的方式从读写器接收信号;检波电路将天线接收的调制信号进行检波,分离出基带信号;放大电路将基带信号进行放大,输送到微控制器;反向调制电路由微控制器控制,通过改变天线的阻抗参数,形成反向调制,发送标签的信息。
[0008] 以上所述的近距离有源射频识别系统,所述的反向调制电路包括调制电阻,电子标签天线的一端接电子标签的检波电路,另一端接调制电阻的一端,调制电阻的另一端接电子标签微控制器的反向调制电路控制脚。[0009] 以上所述的近距离有源射频识别系统,所述的放大电路包括低通滤波电路、第一放大电路和第二放大电路,低通滤波电路的输出端接第一放大电路的输入端,第一放大电路的输出端接第二放大电路的输入端,第二放大电路的输出端接微控制器;所述的检波电路包括第一电阻、第二电阻、第一二极管和第二二极管,第一二极管的阳极通过第一电阻接电子标签的电源,第一二极管的阴极接第二二极管的阳极,第二二极管的阴极通过第二电阻接地;电子标签天线的信号输出端接第二二极管的阳极,低通滤波电路的输入端接第二二极管的阴极。
[0010] 以上所述的近距离有源射频识别系统,所述的第一放大电路由运算放大器及其外围电路组成,所述运算放大器的工作电流小于2微安;所述的第二放大电路是三极管放大电路,三极管放大电路包括第一直流偏置电阻和第二直流偏置电阻串联组成的直流偏置电路,直流偏置电路的一端接电子标签的电源,另一端接地;三极管放大电路三极管的基极接第一直流偏置电阻和第二直流偏置电阻的连接点,第一直流偏置电阻的阻值和第二直流偏置电阻阻值都大于I兆欧。
[0011] 以上所述的近距离有源射频识别系统,电子标签的工作流程如下:
[0012] I)电子标签的微控制器上电后,配置与电子标签放大电路连接的引脚为外部中断唤醒源,然后进入休眠模式;
[0013] 2)读写器发送的信号耦合到电子标签的天线上,经过电子标签的检波电路和放大电路后,首先在电子标签的微控制器中断脚上形成一个由高到低的电平变化,将电子标签的微控制器唤醒;
[0014] 3)电子标签的微控制器被唤醒后,接收中断脚上收到的信号,接收完毕后给予应答;
[0015] 4)电子标签的微控制器通过调节本身与反向调制电路连接引脚上高低电平的变化,改变电子标签天线的阻抗,从而形成和读写器天线不同的耦合系数,使读写器可以由此而接收标签应答的信息。
[0016] 以上所述的近距离有源射频识别系统,所述的读写器包括微控制器、天线、检波电路和放大电路,读写器的微控制器的I个引脚产生与天线谐振频率相同的方波信号,这I方波信号输送到天线,形成载波信号;读写器通过控制载波信号的有无来形成要传输的二进制信息数据,供电子标签接收。
[0017] 以上所述的近距离有源射频识别系统,所述的读写器包括无线传输电路和振动传感电路,无线传输电路将读写器读到的标签信息通过无线的方式传输出去;振动传感电路接读写器的微控制器,为读写器的微控制器提供唤醒信号。
[0018] 以上所述的近距离有源射频识别系统,读写器的天线一端接地,另一端除接检波电路外,还通过耦合电容接收微控制器输出的方波信号。
[0019] 以上所述的近距离有源射频识别系统,读写器的工作流程如下:
[0020] I)读写器的微控制器上电后,配置与振动传感电路连接的引脚为外部中断唤醒源,然后进入休眠状态;
[0021] 2)读写器的微控制器的唤醒方式包括,以固定的时间间隔定时唤醒和通过振动传感电路采集的外部突变信号唤醒;
[0022] 3)被唤醒的读写器微控制器首先发送载波信号,然后发送带数据信息的开关调制信号;
[0023] 4)数据发送完成后,读写器的微控制器接收读写器的放大电路输出的标签信号;接收到正确的标签数据后,开启无线传输电路,通过无线传输电路将标签数据传输出去;
[0024] 5)读写器的微控制器关闭无线传输电路,重新进入到休眠状态。
[0025] 本发明近距离有源射频识别系统的读写器和标签读写器和电子标签体积较小,通信距离较远,在不 更换电池或充电的情况下,能连续工作较长的时间。
[附图说明]
[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0027] 图I是本发明近距离有源射频识别系统实施例电子标签的原理框图。
[0028] 图2是本发明近距离有源射频识别系统实施例读写器的原理框图。
[0029] 图3是本发明近距离有源射频识别系统实施例电子标签微控制器及外围电路接线图。
[0030] 图4是本发明近距离有源射频识别系统实施例电子标签前端电路原理图。
[0031] 图5是本发明近距离有源射频识别系统实施例读写器微控制器及外围电路接线图。
[0032] 图6是本发明近距离有源射频识别系统实施例读写器无线传输电路原理图。
[0033] 图7是本发明近距离有源射频识别系统实施例读写器前端电路原理图。
[具体实施方式]
[0034] 本发明近距离有源射频识别系统实施例的电子标签的原理如图I、图3和图4所
/Jn o
[0035] 如图I所示,电子标签包括微控制器、天线、检波电路、放大电路、反向调制电路和电池。其中,微控制器协调整个电路的工作,处理和读写器之间的通信协议;天线通过电磁耦合的方式从读写器接收信号;检波电路将天线接收的调制信号进行检波,分离出基带信号;放大电路将基带信号进行放大,输送到微控制器;反向调制电路由微控制器控制,通过改变天线的阻抗参数,来形成反向调制,发送标签的信息。
[0036] 图3所示是电子标签的微控制器电路,微控制器U2采用低功耗的单片机STML101XX。微控制器的18、19两个引脚分别接反向调制电路的电阻R14和R18,电阻R14和R18再通过电阻R20接到天线上,微控制器U2通过引脚18、19上的高低电平变化调节天线的阻抗,形成和读写器天线的不同耦合系数,完成对读写器的反向调制。微控制器通过第10引脚接收天线传来的数据。
[0037] 图4是电子标签的模拟前端电路,包括天线、检波电路、第一级放大电路、第二级放大电路。
[0038] 天线由线圈LI和匹配电容C1、C4组成,谐振频率为125KHZ。D2是一个复合管(采用复合管BAV99),封装了两个二极管,其中一个通过电阻Rl连接到电源,另一二极管做检波用,输出接低通滤波电路。
[0039] 如图4所示,天线一端通过隔直电容C12与双二极管D2的第3脚连接,另一端接微控制器的反向调制输出端MATCH_C0NTR0L。双二极管D2第I脚通过电阻Rl接电源,电阻Rl与接地的电阻R2之间形成一个直流电压,为后面的运算放大器单电源供电提供了直
流偏置点。
[0040] 双二极管D2的第2脚接电容C3、电阻R4、电容C5形成的低通滤波电路,低通滤波的输出端接由运算放大器Ul及其外围电路组成的第一级放大电路。
[0041] 低功耗运算放大器Ul采用微功耗运算放大器AD8500,其工作电流小于2微安。双二极管Dl起保护作用,防止接收电压过高烧坏放大电路。
[0042] 信号通过第一级放大电路放大后经过隔置电容CS输入到由三极管Ql及其外围电路组成的第二级放大电路,三极管的直流偏置电阻R8和R9需取I兆欧以上的值,保证电路的低功耗。第二级放大电路输出端接微控制器U2的中断脚(第10引脚)。
[0043] 电子标签采用CR2032纽扣电池作为电源供电,其平均工作电流小于5微安。 [0044] 电子标签的工作流程如下:
[0045] 微控制器上电后,配置第10引脚(中断脚DATA)为外部中断唤醒源,然后进入休眠模式;
[0046] 读写器发送的信号耦合到天线上,经过检波放大电路后,首先在微控制器第10引脚上形成一个由高到低的电平变化,这一电平变化将微控制器唤醒;
[0047] 微控制器被唤醒后,接收第10引脚(中断脚DATA)上收到的信号,接收完毕后给予应答;
[0048] 微控制器通过调节18和/或19引脚上高低电平的变化,改变标签天线的阻抗,从而形成和读写器天线不同的耦合系数,形成高低电压的变化,读写器可以由此而接收标签应答的信息。
[0049] 当微控制器的18和19脚接地电平时,电阻R14和R18相当于接地,其电阻和天线形成匹配,当18和19脚配置为开漏输出高电平时,微控制器R14和R18相当于悬空,天线也失去了匹配电阻。18和19脚也可以只用一个。
[0050] 本发明近距离有源射频识别系统实施例的读写器如图5、图6和图7所示。
[0051] 读写器包括微控制器U3、天线、检波电路、放大电路、电池、无线传输电路和传感电路。如图2所示。读写器的微控制器的一个引脚产生一个与天线谐振频率相同的方波信号,这一信号输送到天线,形成载波信号;读写器通过控制载波信号的有无来形成要传输的二进制信息数据,供电子标签接收;(微控制器开启方波信号输出定义为二进制数1,关闭方波信号输出定义为二进制数0,把二进制序列按一定的速率发送出去)。读写器的检波电 路和放大电路与电子标签相应的电路相同;无线传输电路可以将读写器读到的标签信息通过无线的方式传输给主机;传感器电路可以为读写器提供唤醒信号。
[0052] 图5是读写器微控制器电路,微控制器采用低功耗的单片机STML101XX。微控制器第2脚输出125KHZ方波信号,通过方波信号的间断有无来形成开关调制信号;第10脚用作数据接收脚。微控制器第11脚接振动传感器SI,当读写器被操作员拿起使用时,SI触发微控制器开始工作。微控制器第13、14、15、16、17、18脚接无线传输电路。
[0053] 图6是读写器无线传输电路的原理图,无线传输电路由2. 4GHz无线收发芯片Nrf24L01及其外围电路组成,本实施例中,无线传输电路采用2. 4GHz平面倒F天线。
[0054] 图7是读写器的模拟前端电路,包括天线、检波电路、第一级放大电路和第二级放大电路。读写器的模拟前端电路和电子标签的模拟前端电路类似,不同点在于,读写器的天线一端接地,另一端除接检波电路外,还通过耦合电容C15接微控制器的125KHz输出信号。
[0055] 读写器的工作流程如下:
[0056] I.微控制器上电,配置第11引脚为外部中断唤醒源,并配置为内部上拉,然后进入休眠状态;
[0057] 2.采用两种方式将微控制器唤醒:一种是以固定的时间间隔定时唤醒;另一种是通过振动传感器采集的外部突变信号唤醒,当操作员拿起读写器时,振动传感器SI接通到地,形成低电平触发,唤醒微控制器;
[0058] 3.被唤醒的微控制器首先发2毫秒载波信号,然后发送带数据信息的开关调制信号;
[0059] 4.数据发送完成后,微控制器接收放大电路输出的标签信号; [0060] 5.如果接收到正确的标签数据,读写器开启Nrf24L01,通过无线传输电路将标签数据传输出去;
[0061] 6.微控制器关闭无线传输电路,重新进入到休眠状态。
[0062] 本发明可以用在自助加油站的扣费系统中,例如将读写器安装在加油站的油枪喷嘴上,电子标签安装在汽车油箱口附近。当喷嘴伸进油箱时,读写器读到电子标签序列号,将序列号通过无线传输到后台系统可以进行对应的扣费操作。
[0063] 本发明近距离有源射频识别系统以上实施例的电子标签和读写器都具有低功耗工作特性,电子标签静态工作电流不超过5 u A,读写器静态电流不超过10 y A。。电子标签采用200mAH的纽扣电池供电时,电池可使用5年以上,读写器采用2000mAH的锂电池供电时,电池可使用3年以上;电子标签直径可做到30mm以内,厚度不超过10mm,方便安装。读写器体积小于30mmX50mmX20mm,通信距离能达到200mm以上;通过无线传输数据,可以方便的安装在各种前端采集环境中。
[0064] 现有有源RFID系统一般是长距离应用,采用超高频或微波频段。本发明采用的是低频或高频频率,电磁耦合通信方式,和现有有源RFID系统相比,本发明具有距离可控,穿透性好的优点。

Claims (10)

1. 一种近距离有源射频识别系统,包括电子标签和读写器,电子标签和读写器包括各自的电源,其特征在于,电子标签处于被动工作模式,即平时处于休眠模式,在休眠模式下,电子标签的接收电路工作,电子标签的微控制器处于挂起状态;当与读写器靠近,电子标签接收电路收到读写器发送的调幅信号时,将电子标签的微控制器唤醒;唤醒的电子标签的微控制器接收读写器发送的命令码,电子标签的微控制器接收命令码后,通过调节接收电路天线的阻抗改变天线的耦合系数,给读写器返回数据; 读写器处于间歇工作状态,即以一定的时间间隔去寻卡,寻卡结束后进入休眠状态。
2.根据权利要求I所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于,所述的电子标签包括反向调制电路,电子标签的接收电路包括检波电路、放大电路和所述的天线,电子标签的微控制器协调电子标签整个电路的工作,处理和读写器之间的通信协议;电子标签的天线通过电磁耦合的方式从读写器接收信号;检波电路将天线接收的调制信号进行检波,分离出基带信号;放大电路将基带信号进行放大,输送到微控制器;反向调制电路由微控制器控制,通过改变天线的阻抗参数,形成反向调制,发送标签的信息。
3.根据权利要求2所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于,所述的反向调制电路包括调制电阻,电子标签天线的一端接电子标签的检波电路,另一端接调制电阻的一端,调制电阻的另一端接电子标签微控制器的反向调制电路控制脚。
4.根据权利要求2所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于,所述的放大电路包括低通滤波电路、第一放大电路和第二放大电路,低通滤波电路的输出端接第一放大电路的输入端,第一放大电路的输出端接第二放大电路的输入端,第二放大电路的输出端接微控制器;所述的检波电路包括第一电阻、第二电阻、第一二极管和第二二极管,第一二极管的阳极通过第一电阻接电子标签的电源,第一二极管的阴极接第二二极管的阳极,第二二极管的阴极通过第二电阻接地;电子标签天线的信号输出端接第二二极管的阳极,低通滤波电路的输入端接第二二极管的阴极。
5.根据权利要求4所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于,所述的第一放大电路由运算放大器及其外围电路组成,所述运算放大器的工作电流小于2微安;所述的第二放大电路是三极管放大电路,三极管放大电路包括第一直流偏置电阻和第二直流偏置电阻串联组成的直流偏置电路,直流偏置电路的一端接电子标签的电源,另一端接地;三极管放大电路三极管的基极接第一直流偏置电阻和第二直流偏置电阻的连接点,第一直流偏置电阻的阻值和第二直流偏置电阻阻值都大于I兆欧。
6.根据权利要求2所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于, 1)电子标签的微控制器上电后,配置与电子标签放大电路连接的引脚为外部中断唤醒源,然后进入休眠模式; 2)读写器发送的信号耦合到电子标签的天线上,经过电子标签的检波电路和放大电路后,首先在电子标签的微控制器中断脚上形成一个由高到低的电平变化,将电子标签的微控制器唤醒; 3)电子标签的微控制器被唤醒后,接收中断脚上收到的信号,接收完毕后给予应答; 4)电子标签的微控制器通过调节本身与反向调制电路连接引脚上高低电平的变化,改变电子标签天线的阻抗,从而形成和读写器天线不同的耦合系数,使读写器可以由此而接收标签应答的信息。
7.根据权利要求I所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于,所述的读写器包括微控制器、天线、检波电路和放大电路,读写器的微控制器的I个引脚产生与天线谐振频率相同的方波信号,这I方波信号输送到天线,形成载波信号;读写器通过控制载波信号的有无来形成要传输的二进制信息数据,供电子标签接收。
8.根据权利要求7所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于,所述的读写器包括无线传输电路和振动传感电路,无线传输电路将读写器读到的标签信息通过无线的方式传输出去;振动传感电路接读写器的微控制器,为读写器的微控制器提供唤醒信号。
9.根据权利要求I所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于,读写器的天线一端接地,另一端除接检波电路外,还通过耦合电容接收微控制器输出的方波信号。
10.根据权利要求8所述的近距离有源射频识别系统,其特征在于, 1)读写器的微控制器上电后,配置与振动传感电路连接的引脚为外部中断唤醒源,然后进入休眠状态; 2)读写器的微控制器的唤醒方式包括,以固定的时间间隔定时唤醒和通过振动传感电路采集的外部突变信号唤醒; 3)被唤醒的读写器微控制器首先发送载波信号,然后发送带数据信息的开关调制信号; 4)数据发送完成后,读写器的微控制器接收读写器的放大电路输出的标签信号;接收到正确的标签数据后,开启无线传输电路,通过无线传输电路将标签数据传输出去; 5)读写器的微控制器关闭无线传输电路,重新进入到休眠状态。
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