CN103033683B - 基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统及方法，属于RFID技术领域。该检测系统包括无源RFID电子标签谐振频率检测设备、待测RFID标签和控制计算机。所述无源RFID电子标签谐振频率检测设备包括FPGA系统平台硬件模块、信号处理模块和网络通信模块。本系统结构简单、成本较低、能准确检测无源RFID电子标签的谐振频率，为电子标签的设计、生产、检验、维护提供了有效的手段。

Description

基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统及方法，属于RFID技术领域。

背景技术

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID）是一种非接触式自动识别技术，利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别目标的自动识别。RFID技术因其在信息管理自动化方面的突出优势而备受关注，近年来发展十分迅速。作为一种先进的自动识别技术，RFID具有存贮容量大、安全性高、穿透力强、识别距离远、识别速度快、使用寿命长、可读写、环境适应性强、防水防磁等特点，同时，由于芯片本身的高额成本和其高技术含量的特点，使芯片本身就具有防伪功能，而且还可以应用适当复杂度的加密技术，如RSA、DES等，实现安全管理。这些优点使得其应用前景非常广阔，可以广泛应用于工业制造、商业供应链管理、公共交通管理、商品防伪、身份识别、动物识别、门禁管理以及安全和军事物流等众多领域。特别适合于诸如物流管理、零售业等电子供应链管理的应用。可以乐观预计，在不久的将来 RFID 将很有可能成为应用最为广泛的自动识别技术。

射频识别系统属于无线电应用的范畴，因此其使用不能干涉到其他系统的正常工作。工业、科学、医疗使用的频率范围(ISM)通常是局部的无线电通信频段，因此通常情况下，无线射频识别使用的频段也是ISM频段。对于135KHz以下的低频频段，也可以自由使用射频识别系统，因为低频穿透能力较强，但传播距离很近，而且传播的数据速率也较低。无源RFID电子标签的频率范围包括低频段(30kHz--300kHz)和中高频段(3MHz--30MHz)。低频段的RFID系统主要是通过电感藕合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和电子标签线圈间存在着变压器耦合作用，通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。场区域能够很好的被定义，但是场强下降得太快。典型工作频率有125kHz和133kHz，除了金属材料影响外，能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离，低频产品有不同的封装形式。中高频段的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。典型工作频率有6.78MHz和13.56MHz，除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。

由于无源RFID电子标签被完全密封，对直接测量其电器参数造成了困难，而谐振频率作为能够反映电子标签天线端口部分电气参数的重要指标，被广泛用于设计或生产参考。但到目前为止，对于谐振频率的测量方法，业界尚无统一标准。同时各环节在提及谐振频率的时候，往往忽略其测量方法以及明确的误差范围，因此电子标签测量领域，谐振频率这一参数的准确性长期被忽视。以符合ISO14443标准的电子标签为例，协议规定了通信用载波频率为13.56MHz，但对电子标签本身的谐振频率未规定标准值，因此，客观上造成了目前流通的电子标签谐振频率的多样性。目前，根据电子标签的形态，常用的谐振频率的测量方法主要有两种：1、电桥或阻抗分析仪测量，通过测量出电子标签的电气参数值，然后利用公式计算谐振频率，这种方法只能在生产过程或者拆解标签的情况下进行并且误差较大。2、频谱分析仪/矢量信号发生器或网络分析仪测量。这种测量方法可以直接测试密封的标签，但需要这些价格贵体积大的高精度仪器支持，并且需要良好的电磁测试环境，在应用场合上受到了很大的限制。

线性调频(Chirp)信号是指频率随时间线性改变的正弦波信号，频谱带宽较大，具有良好的自相关性，多用于雷达系统。Chirp扩频以其较强的抗干扰、低功耗低时延、抗多径效应等能力，开始吸引更多的关注。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种高效、便捷、低成本的基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统及方法，能够快速准确的测定电子标签的谐振频率，为电子标签的设计、生产、检验、维护提供了有效的手段。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统，包括无源RFID电子标签谐振频率检测设备、待测RFID标签和控制计算机，发送环形天线和接收环形天线分别和无源RFID电子标签谐振频率检测设备相连接，构成其发送和接收数据的对外接口，待测RFID标签固定在无源RFID电子标签谐振频率检测设备外壳上，无源RFID电子标签谐振频率检测设备与控制计算机的连接是通过高速以太网传输线物理通信链路相互连接。

所述高速以太网传输线是百兆或者千兆以太网。

所述的待测RFID标签的工作频率为低频段：30KHz-300KHz，中高频段：3MHz-30MHz。

所述的无源RFID电子标签谐振频率检测设备包括FPGA系统平台硬件模块、信号处理模块和网络通信模块，信号处理模块和网络通信模块分别与FPGA系统平台硬件模块双向连接。

所述FPGA系统平台硬件模块工作频率至少120MHz。

所述的FPGA系统平台硬件模块包括FPGA处理器及其支持电路、存储器模块电路、电源模块电路、复位及硬件初始化模块电路、时钟模块电路和JTAG调试接口模块电路，其中JTAG调试接口模块电路和存储器模块电路分别与FPGA处理器及其支持电路双向连接，电源模块电路、复位及硬件初始化模块电路和时钟模块电路分别与FPGA处理器及其支持电路连接。

所述网络通信模块包括100/1000M以太网接口电路。

所述的信号处理模块包括信号产生模块和信号采集模块，信号产生模块包括DA信号产生电路、输出匹配电路和发送天线，信号采集模块包括AD信号采集电路、输入匹配电路和接收天线，DA信号产生电路输出Chirp信号，并依次通过输出匹配电路及发送天线发射到空间中，AD信号采集电路和输入匹配电路对响应的Chirp信号通过接收天线进行采集。

所述信号处理模块DA信号产生电路刷新速率至少能达到125MSPS，精度10bit，AD信号采集电路采样速率至少250MSPS，精度12bit。

采用基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测方系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化无源RFID电子标签谐振频率检测设备，运行FPGA系统平台硬件模块，加载信号处理模块和网络通信模块驱动，建立无源RFID电子标签谐振频率检测设备和控制计算机间的网络通信连接；

步骤2：根据待测RFID标签的工作频率，在控制计算机端设定Chirp信号的初始信号参量，包括周期，频率变化范围以及初始相位，将设定好的信号参量通过网络通信接口传递给无源RFID电子标签谐振频率检测设备完成信号设定；

步骤3：无源RFID电子标签谐振频率检测设备通过DA信号产生电路输出Chirp信号，并通过信号产生部分的输出匹配电路及天线发射到空间中并经过待测RFID标签；

步骤4：将经过待测RFID标签响应的Chirp信号通过信号采集部分的天线、输入匹配电路及AD信号采集电路采集到无源RFID电子标签谐振频率检测设备；

步骤5：无源RFID电子标签谐振频率检测设备对采集的时域数据经过初步处理后，将数据组帧通过网络通信模块传输给控制计算机进行频域分析；

步骤6：控制计算机根据频域分析的结果得到待测RFID标签的工作频率，如果需要提高频率测量的精度，可以根据待测RFID标签的工作频率重新设定Chirp信号的周期和频率变化范围，重复步骤2-6；如果精度达到，可以在控制计算机输出测量的结果。

本发明的有益效果如下：

提供了一套完整的无源RFID标签谐振频率的检测系统，不需要使用其他任何专用设备，不仅降低了整套系统的成本，而且也提高了系统的便携性，只需要一个标签谐振频率检测设备以及一台装有配套软件的控制计算机即可。

附图说明

图1为基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统示意图。

图2为无源RFID电子标签谐振频率检测设备的结构框图。

图3为基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测方法流程图。

图4为检测方法产生的Chirp信号频谱图。

图5为检测方法在待测RFID标签正确响应时的Chirp信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

如图1所示，基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统示意图，系统架构包括三个部分：无源RFID电子标签谐振频率检测设备、待测RFID标签和控制计算机。发送环形天线和接收环形天线分别和无源RFID电子标签谐振频率检测设备相连接，构成其发送和接收数据的对外接口，待测RFID标签通过无源RFID电子标签谐振频率检测设备外壳上的绝缘夹具固定，高速以太网传输线是无源RFID电子标签谐振频率检测设备和控制计算机的物理通信链路。本系统中的待测RFID标签的工作频率为低频段(30KHz-300KHz)和中高频段(3MHz-30MHz)。电子标签谐振频率检测设备产生Chirp信号通过发送环形天线辐射到空中，其中Chirp信号的参数可以通过控制计算机经过高速以太网传输线进行设置，以控制检测内容和方式。再通过无源RFID电子标签谐振频率检测设备使用接收环形天线将经过待测RFID标签的响应Chirp信号采集处理，并传输至控制计算机分析得到待测RFID标签的谐振频率。

如图2所示，无源RFID电子标签谐振频率检测设备的硬件框图主要包括三大部分：FPGA系统平台硬件模块、信号处理模块和网络通信模块。其中FPGA系统平台硬件模块分别包括了FPGA处理器及支持电路、存储器模块电路、电源模块电路、复位及硬件初始化电路、时钟模块电路和JTAG调试接口模块电路组成。FPGA处理器及支持电路是整个设备的核心，整个程序的算法和逻辑操作全部在FPGA处理器中完成。由于整个系统的数据量较大，存储器模块电路为系统运行过程中存储Chirp信号的数字波形、网络传输的数据等。电源模块电路为FPGA处理器及支持电路提供低纹波且功率适合的多电压输出，满足FPGA处理器及支持电路的核心、外设和端口的不同电压需要。复位及硬件初始化电路提供了系统的上电复位、欠压复位和开门狗复位等提高电路可靠性和稳定性的措施。时钟模块电路为整个系统提供高稳定性的时钟输出，在保证FPGA处理器及支持电路高精度工作的同时，也保证了信号处理模块产生和采集信号的稳定性，这点对于射频信号处理的系统尤为重要，也是保证准确测量待测RFID标签谐振频率的关键因素。JTAG调试接口模块电路组成提供程序固件烧写以及程序调试的接口，作为调试和升级设备固件的接口在设备中保留。

信号处理模块包括了DA信号产生电路、输出匹配电路、AD信号采集电路和输入匹配电路。信号处理模块在正常运行前需要经过FPGA处理器及支持电路的初始化配置。DA信号产生电路接收来自FPGA处理器及支持电路的Chirp信号的数字数据，将其转化为模拟的电压信号，并通过输出匹配电路将信号的偏置电压、信号幅度、输出阻抗等调节到适合发送的状态，并通过发送环形天线辐射到空中，这里发送环形天线的形状并不局限于环形天线，同样适用于接收环形天线。当发送环形天线和接收环形天线之间的夹具上固定了待测RFID标签，经过待测RFID标签的响应Chirp信号通过接收环形天线接收进入输入匹配电路，输入匹配电路将信号的偏置电压、信号幅度、输入阻抗等调节到适合AD信号采集电路采样的模拟信号，AD信号采集电路将模拟信号转化为数字数据传输给FPGA处理器及支持电路。

网络通信模块包括了100/1000M以太网接口电路。网络通信模块在正常运行前需要经过FPGA处理器及支持电路的初始化配置。100/1000M以太网接口电路提供了无源RFID电子标签谐振频率检测设备和控制计算机的双向通信的高速接口。100/1000M以太网接口电路主要用于传输命令帧和数据帧。通信涉及的通信协议和数据格式在FPGA处理器及支持电路和控制计算机之间确定，需保证通信的可靠性和鲁棒性。100/1000M以太网接口电路要求高速以太网传输线必须使用合适的物理连接线。

如图3所示，基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测方法流程图，包括以下步骤：

步骤1：初始化无源RFID电子标签谐振频率检测设备，运行FPGA系统平台硬件模块，加载信号处理模块和网络通信模块的驱动，建立无源RFID电子标签谐振频率检测设备和控制计算机之间的网络通信连接；

步骤2：根据待测RFID标签的标称工作频率，在控制计算机设定Chirp信号的初始信号参量，包括周期，频率变化范围(f0,f1)以及初始相位，将设定好的信号参量通过高速以太网传输线传递给无源RFID电子标签谐振频率检测设备完成信号设定。如果待测RFID标签的标称工作频率不预知，可将频率变化范围(f0,f1)设为最大范围；

步骤3：无源RFID电子标签谐振频率检测设备通过DA信号产生电路输出模拟的Chirp信号，并通过信号产生部分的输出匹配电路及发送环形天线发射到空间中并经过待测RFID标签；

步骤4：将经过待测RFID标签响应的Chirp信号通过信号采集部分的接收环形天线、输入匹配电路及AD信号采集电路采集到无源RFID电子标签谐振频率检测设备；

步骤5：无源RFID电子标签谐振频率检测设备对采集的时域数据经过初步处理后，将数据组帧通过网络通信模块传输给控制计算机进行频域分析；

步骤6：控制计算机根据频域分析的结果得到待测RFID标签的工作频率，如果需要提高频率测量的精度，可以根据待测RFID标签的工作频率重新设定Chirp信号的周期和频率变化范围(f0,f1)，重复步骤2-6。如果精度达到，可以在控制计算机输出测量的结果。

如图4所示，为检测方法产生的Chirp信号频谱图，该频谱图在控制计算机计算得到，横坐标为Chirp信号的频率轴，纵坐标为Chirp信号对应的信号强度。在这个实施例中，Chirp信号的初始参数分别设定为周期1ms、频率变化范围(10MHz, 20MHz)以及初始相位0度。周期时间设定为1ms考虑有足够的时间采集，并且含有足够多的点数；频率变化范围设定为(10MHz, 20MHz)考虑在这个实施例中待测RFID标签的标称频率为13.56MHz，Chirp信号的频率范围初始设定可以大一些，后续检测可以再缩小频率范围；初始相位设定为0度考虑使信号中不产生其他的干扰频率分量。

如图5所示，为检测方法在待测RFID标签正确响应时的Chirp信号频谱图，该频谱图在控制计算机计算得到，横坐标为响应Chirp信号的频率轴，纵坐标为响应Chirp信号对应的信号强度。从图中可以看出，待测RFID标签在13MHz和14MHz之间产生了谐振，使得Chirp信号在待测RFID标签的谐振频率处产生了一个波峰。控制计算机通过频谱计算分析可以得到待测RFID标签初步的谐振频率范围，如果需要进一步的结果，可以通过重新设定Chirp信号的参数重复整个检测方法得到更精确的标签谐振频率值。

Claims (1)

1.一种采用基于Chirp信号的无源RFID电子标签谐振频率检测系统的检测方法，该方法所采用的检测系统，包括无源RFID电子标签谐振频率检测设备、待测RFID标签和控制计算机，发送环形天线和接收环形天线分别和无源RFID电子标签谐振频率检测设备相连接，构成其发送和接收数据的对外接口，待测RFID标签固定在无源RFID电子标签谐振频率检测设备外壳上，无源RFID电子标签谐振频率检测设备与控制计算机的连接是通过高速以太网传输线物理通信链路相互连接；

所述高速以太网传输线是百兆或者千兆以太网；

所述的待测RFID标签的工作频率为低频段：30KHz-300KHz，中高频段：3MHz-30MHz；

所述的无源RFID电子标签谐振频率检测设备包括FPGA系统平台硬件模块、信号处理模块和网络通信模块，信号处理模块和网络通信模块分别与FPGA系统平台硬件模块双向连接；

所述FPGA系统平台硬件模块工作频率至少120MHz；

所述的FPGA系统平台硬件模块包括FPGA处理器及其支持电路、存储器模块电路、电源模块电路、复位及硬件初始化模块电路、时钟模块电路和JTAG调试接口模块电路，其中JTAG调试接口模块电路和存储器模块电路分别与FPGA处理器及其支持电路双向连接，电源模块电路、复位及硬件初始化模块电路和时钟模块电路分别与FPGA处理器及其支持电路连接；

所述网络通信模块包括100/1000M以太网接口电路；

所述的信号处理模块包括信号产生模块和信号采集模块，信号产生模块包括DA信号产生电路、输出匹配电路和发送天线，信号采集模块包括AD信号采集电路、输入匹配电路和接收天线；DA信号产生电路输出Chirp信号，并依次通过输出匹配电路及发送天线发射到空间中，AD信号采集电路和输入匹配电路对响应的Chirp信号通过接收天线进行采集；

所述信号处理模块DA信号产生电路刷新速率至少能达到125MSPS，精度10bit，AD信号采集电路采样速率至少250MSPS，精度12bit；

其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

步骤1：初始化无源RFID电子标签谐振频率检测设备，运行FPGA系统平台硬件模块，加载信号处理模块和网络通信模块驱动，建立无源RFID电子标签谐振频率检测设备和控制计算机间的网络通信连接；

步骤2：根据待测RFID标签的工作频率，在控制计算机端设定Chirp信号的初始信号参量，包括周期，频率变化范围以及初始相位，将设定好的信号参量通过网络通信接口传递给无源RFID电子标签谐振频率检测设备完成信号设定；

步骤3：无源RFID电子标签谐振频率检测设备通过DA信号产生电路输出Chirp信号，并通过信号产生部分的输出匹配电路及天线发射到空间中并经过待测RFID标签；

步骤4：将经过待测RFID标签响应的Chirp信号通过信号采集部分的天线、输入匹配电路及AD信号采集电路采集到无源RFID电子标签谐振频率检测设备；

步骤5：无源RFID电子标签谐振频率检测设备对采集的时域数据经过初步处理后，将数据组帧通过网络通信模块传输给控制计算机进行频域分析；

步骤6：控制计算机根据频域分析的结果得到待测RFID标签的工作频率，如果需要提高频率测量的精度，根据待测RFID标签的工作频率重新设定Chirp信号的周期和频率变化范围，重复步骤2-6；如果精度达到，在控制计算机输出测量的结果。