CN102819518A - 一种射频识别总线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频识别总线系统。在原有RFID读写器和感应天线之间，增加若干主控制器、中继放大器和子控制器，形成射频识别总线系统，使用控制信号按照时分多路的方式轮询选通指定感应天线，保证同一时间段内，射频读写信号只与一个感应天线连通工作，此时段该感应天线完成射频读写操作。本发明在现有射频识别系统的基础上，使众多感应天线形成阵列，扩大了射频识别的覆盖范围，提高了读写器的利用率，并且解决了多个感应天线读写冲突和射频信号长距离衰减的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种总线控制系统，尤其是射频识别总线(RFID Bus)系统。
背景技术
射频识别系统通常由电子标签、读写器和上位机三部分构成。一些种类的读写器与天线集成，一个读写器驱动一个天线。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。要实现对大量分布于业务范围区域内的电子标签进行快速的读取，前人做了很多相关的研究工作并获得了成果。
然而，这些方案仍然具有不足之处，例如射频开关可实现切换，但其数量仍然只能非常有限的扩展；射频识别信号没有专门的总线，需要不同的协议转换器进行转换才能实现与主体系统的对接；单个读写器的作用范围有限，不能实现大规模应用场合的覆盖；如果需要实现大规模覆盖，则需要多个读写器，成本将非常高。
因此，需要设计出一种射频识别总线系统，能够克服现有技术存在的上述一个或多个问题。
发明内容
本发明目的是提供一种射频识别信号的扩展和控制系统，将一个RFID读写器的读写范围扩展到理论上任意多个RFID电子标签所辖区域，提高RFID读写器的使用范围和效率，形成读写系统并加入业务逻辑，实现具体的业务应用。
为了实现上述目的，本发明提供了一种射频识别总线系统，包括：
至少一个感应天线阵列，每个感应天线发送射频信号给附近的RFID标签以激活RFID标签，并接收从RFID标签发出的反射载波信号；
至少一个子控制器链，每个子控制器连接至感应天线阵列之一，提供发射射频信号给该感应天线阵列中的感应天线，并从感应天线接收反射载波信号；
至少一个中继放大器链，每个中继放大器连接至子控制器链之一，根据发/收控制信号，放大发射射频信号并提供放大的发射射频信号给该子控制器链，或者从其接收反射载波信号并放大；
至少一个主控制器，每个主控制器连接至中继放大器链之一，向该中继放大器链提供发/收控制信号和发射射频信号，并从其接收放大的反射载波信号；
RFID读写器，连接到至少一个主控制器，向其传输基于读写指令的发射射频信号及发/收控制信号，并从其接收放大的反射载波信号；
上位控制计算机，分别与RFID读写器和至少一个主控制器连接，向RFID读写器发出读写指令，从RFID读写器获取RFID读写和识别结果，以及向主控制器发出轮询指令，
其中，利用射频连接线缆依次连接RFID读写器、主控制器、中继放大器链、子控制器链和感应天线阵列，并提供信号传输，
其中，每个主控制器根据来自上位控制计算机的轮询指令生成切换控制信号，并经由射频连接线缆传输至相应的中继放大器链和子控制器链，
其中，根据切换控制信号，每个主控制器选通与之连接的中继放大器链中的一个中继放大器，该中继放大器选通与之连接的子控制器链中的一个子控制器，并且该子控制器选通与之连接的感应天线阵列中的一个感应天线，从而执行对感应天线的轮询。
所述射频识别总线系统，其中每个主控制器包括射频切换发生模块，用以生成切换控制信号。
所述射频识别总线系统，其中每个中继放大器根据发/收控制信号，确定下一射频传输时间段内射频识别总线上传输的是发射射频信号(Tx)还是反射载波信号(Rx)，如果为射频发射信号(Tx)，则选通功率放大装置(PA)将发射射频信号放大以在下一射频传输时间段传输给子控制器；如果为反射载波信号(Rx)，则选通低噪声放大装置(LNA)将反射载波信号放大以在下一射频传输时间段传输给主控制器。
所述射频识别总线系统，其中每个中继放大器链支持菊花链级联，以及/或者每个子控制器链支持菊花链级联。
所述射频识别总线系统，其中，在没有射频信号发射和接收时，主控制器、中继放大器、子控制器及感应天线阵列逐级检测连接状况，显示给上位控制计算机。
所述射频识别总线系统，其中，RFID读写器与主控制器之间还经由射频连接线缆传输发/收同步控制信号，以同步RFID读写器与主控制器的操作。
所述射频识别总线系统，其中，射频连接线缆提供对中继放大器和子控制器的直流供电。
以上发明的连接结构中，去掉中继放大器，改由主控制器直接连接子控制器，可以构成本发明系统的另一种连接方式，除中继放大的特征，其他系统特征保留。
附图说明
图1为所述射频识别总线系统的拓扑结构图；
图2为所述射频识别总线系统除去中继放大器的简化拓扑结构图；
图3为所述射频识别总线系统的传输信号原理图；
图4为所述射频识别总线系统的轮询读写过程流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新点、达成目的与功效更易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
读写器和感应天线可以以有线的方式连接的，所以读写器天线的部署范围能够随连接线缆的增长而扩展，同时也使一个读写器带多个天线并通过电子方式进行射频切换成为可能。根据本发明实施例，可以通过时分多路的方式，保证同一时间段内，天线阵列有且只有一个天线与读写器连接工作，避免读写器碰撞。此外，可通过在读写器与天线之间，增加功率放大装置来解决远距离射频功率衰减问题。因此，根据本发明实施例的射频识别总线系统包含轮询切换装置和射频放大装置，前者使多个天线形成天线阵列，极大地增加每个读写器所能连接天线的个数；后者弥补随连接线缆增长而造成的射频信号衰减，扩展天线的部署范围。
图1为本发明的系统实施例一的总体拓扑图，从图中可以看到射频识别总线系统的逐级架构：
(1)最左边为单通道RFID读写器，可对射频信号进行读写；
(2)在RFID读写器右侧紧邻的是一个主控制器，前端连接RFID读写器的一路读写接口，后端可分为五路选通输出；
(3)在主控制器右侧紧邻的是中继放大器，如果系统为中继放大器寻址留出8位编码，理论上每1路主控制器输出侧可寻址255个中继放大器进行菊花链级联；
(4)在中继放大器上方紧邻的是子控制器，如果系统为子控制器寻址留出8位编码，理论上每个中继放大器的输出侧可寻址255个子控制器；
(5)在子控制器后端输出侧连接的是感应天线，每个子控制器可连接十路感应天线，感应天线是整个总线系统的末端。
图2为本发明的实施例二的拓扑结构图，由于减少了中继放大器，系统中射频信号不能得到中继放大，其他功能保留。从图中可以看到此简化的射频识别总线系统的逐级架构：
(1)最左边为单通道RFID读写器，可对射频信号进行读写；
(2)在RFID读写器右侧紧邻的是一个主控制器，前端连接RFID读写器的一路读写接口，后端可分为五路选通输出；
(3)在主控制器右侧紧邻的是子控制器，如果系统为子控制器寻址留出8位编码，理论上每1路主控制器输出侧可寻址255个子控制器；
(4)在子控制器后端输出侧连接的是感应天线，每个子控制器可连接十路感应天线，感应天线是整个总线系统的末端。
图3的射频识别总线系统的传输信号原理图描述了射频识别总线系统内部模块的连接关系，其中：
(1)RFID读写器包含电源模块和读写器模块，负责接收上位控制计算机的读写指令，并通过射频口输出给主控制器，选通感应天线实现读写操作；
(2)主控制器包括电源模块、射频切换发生模块、主控切换开关，其中射频切换发生模块接收上位控制计算机的切换指令，转化为能够在主控制器、中继放大器和子控制器执行的电子切换指令，逐级驱动各级切换开关依次选通指定的感应天线，实现轮询读写操作；
(3)中继放大器包括Tx/Rx信号识别模块、PA放大模块和LNA放大模块，其中Tx/Rx信号识别模块解调来自射频连接线中当前的发/收控制信号，如果当前为Tx发射信号时，选通PA放大模块对射频发射信号进行放大，如果当前为Rx接收信号时，选通LNA放大模块对反射载波信号进行放大；
(4)子控制器包含子控切换开关，解调来自射频线缆的切换控制信号，选通指定的感应天线，如果系统为子控制器寻址留出8位编码，理论上每个中继放大器的输出侧可寻址255个子控制器；子控制器的供电通过射频线缆提供直流供电；
(5)在射频线缆中，射频信号包括正向的射频发射信号和反向的反射载波信号；
(6)在射频线缆中，发/收控制信号、切换控制信号和直流供电均为向输出端正向传递。
下面结合图1所示系统结构，参照图4对射频识别总线系统工作流程的示例进行详细描述。这里，假设单通道RFID读写器，五路选通输出的主控制器，系统为中继放大器寻址留出8位编码，从而255个中继放大器进行菊花链级联，并且系统为子控制器寻址留出8位编码，从而255个子控制器进行菊花链级联。此外，每个子控制器可连接十路感应天线。这些具体的数目仅仅是示例，本领域技术人员可以根据业务需要选择其他数目。
S01.上位控制计算机将读写指令发送给RFID读写器，将包含选择指定感应天线参加轮询读写及轮询参数的切换控制指令发送给主控制器，例如，上位控制计算机向第一个主控制器下达轮询命令：轮询其第一个输出端的第一个中继放大器的第二个子控制器的第4到第8个天线，以及第二个中继放大器的第三个子控制器的第1到第5个天线，一共轮询10个天线，
切换控制指令的格式：“00-x00-x00-00”，具体为8条轮询指令，分别为：
01-x01-x02-04，01-x01-x02-05，01-x01-x02-06，01-x01-x02-07，01-x01-x02-08，
01-x02-x03-01，01-x02-x03-02，01-x02-x03-03，01-x02-x03-04，01-x02-x03-05，
其中每条轮询指令中：
前二位十进制数字代表选通主控制器的第一输出端，主控制器有五个输出端，从“01”到“05”，
以x开头的第一组十六进制数代表中继放大器的地址，以上面指令为例，每组可寻址255个中继放大器，即可以同时在这一层级排列255个中继放大器，每个中继放大器均分配一个互不相同的8位地址码，从“x01”到“xFF”，
以x开头的第二组十六进制数代表子控制器的地址，以上面指令为例，每组可寻址255个子控制器，即可以同时在这一层级排列255个子控制器，每个子控制器均分配一个互不相同的8位地址码，从“x01”到“xFF”，
最后二位十进制数字代表感应天线的地址，每组可寻址10个感应天线，从“01”到“10”；
轮询参数表示为“x01-200”，代表轮询一遍，并且每个天线读写操作的间隔时间为200ms；
S02.RFID读写器将上位控制计算机的读写指令转化为射频信号和发/收控制信号，传输给主控制器，发起射频识别的读写操作；
S03.主控制器接收到上位控制计算机的切换控制指令，通过射频切换发生模块，转化为具体可在主控制器、中继放大器和子控制器执行的切换控制信号，连同发/收控制信号，通过主控切换开关选通正确输出通道，一起传输给指定的中继放大器，
按照示例，首先执行第一条指令：“01-x01-x02-04”，主控制器切换第一个输出通道“01”，并且解析“x01”选通第一个中继放大器；
S04.中继放大器解调发/收控制信号，如果当前为Tx发射信号，则通过PA放大射频发射信号，然后继续解调切换控制信号，驱动切换开关选通子控制器，向子控制器发送切换控制信号，
按照示例，解析“x02”选通第二个子控制器；
S05.子控制器解调切换控制信号，驱动切换开关选通感应天线，
按照示例，解析“04”定位到选通的第二个子控制器的第4个感应天线上；
S06.RFID读写器在下一个时间段传输发射射频信号，经由主控制器、中继放大器PA、子控制器到达指定感应天线，通过感应天线无线发射射频信号来激活电子标签；感应天线再无线接收电子标签返回的反射载波信号进行回传；
S07.子控制器接收感应天线传回的反射载波信号，向RFID读写器方向回传；
S08.中继放大器接收感应天线传回，经由子控制器的反射载波信号，向RFID读写器方向回传；
S09.如S04描述的，中继放大器不断解调发/收控制信号，如果当前的发/收控制信号为Rx接收信号时，中继放大器通过LNA放大反射载波信号，向主控制器传回反射载波信号；
S10.主控制器接收感应天线传回，经由子控制器和中继放大器放大的反射载波信号；
S11.最后，RFID读写器接收感应天线传回的反射载波信号，实现此次对指定感应天线覆盖下的电子标签的读写操作；
S12.判断当前轮询任务是否完成，如果没有完成，切换到下一指令，继续选通下一个感应天线进行轮询读写操作，直到本轮次所有轮询任务结束，
按照示例，第一个主控制器接下来在下一时间段内再执行下一条轮询指令“01-x01-x02-05”，如此循环往复，直至执行完最后一条轮询指令“01-x02-x03-05”，，并且完成了对应的RFID读写操作，这一组轮询指令执行完成，射频识别总线系统重新处于待命状态。
本发明所述的射频识别总线系统的有益效果是：
(1)将一个RFID读写器的作用范围扩大到理论上任意多个射频感应天线的覆盖范围，大大降低了RFID系统的使用成本；
(2)在使用范围扩大的情况下，利用中继放大避免射频信号衰减，保证足够的系统射频信号强度，以确保电子标签通过系统获取足够的激活能量；
(3)系统除RFID读写器和主控制器需要电源供电外，其他设备通过射频线取电，方便系统实施；
(4)系统在安装实施过程中，可在RFID未读写的情况下自行诊断总线连接情况，避免安装错误。
以上对本发明所述的射频识别总线系统进行了详细介绍，并对实例的具体实施方式进行了阐述。对本行业的技术人员，依据本发明的方法及核心思想，在具体实施及应用范围均会有改变之处，本发明的说明书不应理解为对本发明的限制。本发明要求保护范围由所附权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种射频识别总线系统，包括：
至少一个感应天线阵列，每个感应天线发送射频信号给附近的RFID标签以激活RFID标签，并接收从RFID标签发出的反射载波信号；
至少一个子控制器链，每个子控制器连接至感应天线阵列之一，提供发射射频信号给该感应天线阵列中的感应天线，并从感应天线接收反射载波信号；
至少一个中继放大器链，每个中继放大器连接至子控制器链之一，根据发/收控制信号，放大发射射频信号并提供放大的发射射频信号给该子控制器链，或者从其接收反射载波信号并放大；
至少一个主控制器，每个主控制器连接至中继放大器链之一，向该中继放大器链提供发/收控制信号和发射射频信号，并从其接收放大的反射载波信号；
RFID读写器，连接到至少一个主控制器，向其传输基于读写指令的发射射频信号及发/收控制信号，并从其接收放大的反射载波信号；
上位控制计算机，分别与RFID读写器和至少一个主控制器连接，向RFID读写器发出读写指令，从RFID读写器获取RFID读写和识别结果，以及向主控制器发出轮询指令，
其中，利用射频连接线缆依次连接RFID读写器、主控制器、中继放大器链、子控制器链和感应天线阵列，并提供信号传输，
其中，每个主控制器根据来自上位控制计算机的轮询指令生成切换控制信号，并经由射频连接线缆传输至相应的中继放大器链和子控制器链，
其中，根据切换控制信号，每个主控制器选通与之连接的中继放大器链中的一个中继放大器，该中继放大器选通与之连接的子控制器链中的一个子控制器，并且该子控制器选通与之连接的感应天线阵列中的一个感应天线，从而执行对感应天线的轮询。
2.如权利要求1所述的射频识别总线系统，其中每个主控制器包括射频切换发生模块，用以生成切换控制信号。
3.如权利要求1所述的射频识别总线系统，其中每个中继放大器根据发/收控制信号，确定下一射频传输时间段内射频识别总线上传输的是发射射频信号(Tx)还是反射载波信号(Rx)，如果为射频发射信号(Tx)，则选通功率放大装置(PA)将发射射频信号放大以在下一射频传输时间段传输给子控制器；如果为反射载波信号，则选通低噪声放大装置(LNA)将反射载波信号放大以在下一射频传输时间段传输给主控制器。
4.如权利要求1所述的射频识别总线系统，其中每个中继放大器链支持菊花链级联，以及/或者每个子控制器链支持菊花链级联。
5.如权利要求1所述的射频识别总线系统，其中，在没有射频信号发射和接收时，主控制器、中继放大器、子控制器及感应天线阵列逐级检测连接状况，显示给上位控制计算机。
6.如权利要求1所述的射频识别总线系统，其中，RFID读写器与主控制器之间还经由射频连接线缆传输发/收同步控制信号，以同步RFID读写器与主控制器的操作。
7.如权利要求1所述的射频识别总线系统，其中，射频连接线缆提供对中继放大器和子控制器的直流供电。
8.一种射频识别总线系统，包括：
至少一个感应天线阵列，每个感应天线发射射频信号给附近的RFID标签以激活RFID标签，并接收从RFID标签发出的反射载波信号；
至少一个子控制器链，每个子控制器连接至感应天线阵列之一，提供发射射频信号给该感应天线阵列中的感应天线，并从感应天线接收反射载波信号；
至少一个主控制器，每个主控制器连接至子控制器链之一，向该子控制器链提供发/收控制信号和发射射频信号，并从其接收放大的反射载波信号；
RFID读写器，连接到至少一个主控制器，向其传输基于读写指令的发射射频信号及发/收控制信号，并从其接收放大的反射载波信号；
上位控制计算机，分别与RFID读写器和至少一个主控制器连接，向RFID读写器发出读写指令，从RFID读写器获取RFID读写和识别结果，以及向主控制器发出轮询指令，
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