CN103034826A

CN103034826A - 一种可控可扩展的紧凑型天线轮询设备

Info

Publication number: CN103034826A
Application number: CN201210525539XA
Authority: CN
Inventors: 李秀萍; 吉翔
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明提出了可控可扩展的紧凑型天线轮询设备。该设备能够将大量的天线同时连接在发射机的某一个射频端口上并实现天线的可控轮询，以实现分时驱动各天线轮询工作。本发明在发射机和天线之间串入一个天线轮询设备，通过设备内的控制芯片产生可控的周期性脉冲宽度调制(PWM)信号来驱动多个开关的周期性导通与断开，使各轮询端口分时导通，从而实现了一个发射机对多个天线的可控轮询。该设备在天线增益满足工作需求的情况下，可以根据需求进行轮询端口的二维扩展，实现大量天线的可控轮询。该发明可应用于仓库、图书馆乃至档案的RFID管理系统中，能够最大限度减少读写器的个数，从而大幅度降低系统成本。

Description

一种可控可扩展的紧凑型天线轮询设备

技术领域

本发明一般涉及发射机的多天线复用技术和天线全覆盖技术，特别涉及可以驱动大量天线进行可控可扩展的轮询端口紧凑式放置的天线轮询设备。

背景技术

天线全覆盖技术是一种能够使天线在指定范围内进行无空洞覆盖的技术。通常可以使用多个发射机驱动多个天线以空间互补的方式实现指定空间内的无空洞的天线全覆盖。在某些应用场合中，为了减少发射机数量而降低系统部署成本，人们往往使用天线轮询复用的技术。这种方式能够使用少量甚至一个发射机来驱动多个天线进行轮询，并且能实现同一位置或不同位置下的天线的全覆盖。例如在RFID仓库管理系统中，使用一个读写器以天线轮询的方式驱动大量读写器天线进行轮询工作完成对不同位置大量货物的周期性盘点，从而直接大幅度降低整个RFID管理系统的部署成本。而一般的读写器的天线负载能力都在一个到四个之间，并且随着天线个数的增加读写器碰撞问题和功率限制问题也趋于明显。

为了解决这个问题，我国公开的专利申请(专利号为200810056342)提出了一种天线轮询切换设备。该设备通过时分多路(TDMA)方式来访问各个天线端口。这样不仅扩展了发射机端口，同时也有效避免了发射机碰撞和发射功率问题。其核心实现方法是通过555定时器产生周期性方波驱动三八译码器各个输出来控制机械开关的周期性导通与断开，从而实现了简单，低成本的八端口天线轮询。

在某些需要大量轮询天线，快速切换的应用场合，例如在RFID系统中，一个读写器轮询一百个天线进行大范围周期性货物的盘点，上述设备便会产生以下主要的四个问题。一是大量天线轮询级联时的频率不能精确协调问题，因为每个级联的轮询设备的时钟的是各自独立的，通过人为调节可调电阻来使各级联设备达到频率的协调是不可靠的，这必定会存在频率的偏差，那么随着时间的推移偏差效果逐渐显现出来，从而导致了轮询逻辑的混乱，所以这种进行级联独立的设备进行大量天线轮询的方法是不可靠的。二是在超高频UHF频段下射频开关支路会对超高频UHF频段信号功率产生衰减，而上述发明是基于高频(HF)RFID系统的，并没有对开关的具体拓扑结构做设计。三是大量天线轮询时的轮询速率问题，因为上述发明所选取的是机械开关，其开关速率通常在0.3ms左右，这在大量天线高速轮询时是不适用的，并且在UHF频段，机械开关的寄生效应也非常明显。最后是对轮询设备的可控问题，分散独立的模块级联无法做到对整体天线轮询的同一管理和控制。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述发明中的四个问题，提出了一种工作在UHF频段下，大量轮询天线集中式管理并且可以根据需求对天线端口进行扩展的高速天线轮询设备。从而实现使用一个读写器便可以实现大范围大数量的不同位置的电子标签的周期性盘点。

本发明的原理是在读写器和天线之间增加一轮询设备，通过设备中的控制芯片发送PWM信号来控制射频二极管的周期性导通与断开，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，从而使各个天线分时工作。

本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，主要包括轮询控制主板和多个天线轮询单板两大部分。

轮询控制主板包括中央控制模块、驱动模块、发射机端接口、发射机端阻抗匹配网络、控制开关阵列模块、主控板与天线轮询单板射频接口、主控板与天线轮询单板的控制信号接口、电源模块和RS232串口模块等；

天线轮询单板包括天线端接口，天线端阻抗匹配网络，主控板与轮询单板射射频信号接口，主控板轮询单板基带控制信号接口和控制开关阵列模块；开关可使用继电器开关、微波射频PIN二极管开关、MEMS机电开关等；控制开关阵列模块可使用总线型拓扑结构和树形拓扑结构。

轮询控制主板包括中央控制模块、驱动模块、发射机端接口、发射机端阻抗匹配网络、控制开关阵列模块、主控板与天线轮询单板射频接口、主控板与天线轮询单板的控制信号接口、电源模块和RS232串口模块等；其中中央控制模块用于产生天线轮询所需要的PWM控制脉冲；驱动模块与中央控制模块相连，用于驱动开关阵列工作；发射机端接口用于与发射机的一个射频端口相连；发射机端阻抗匹配网络用于发射机与轮询设备射频输入信号的阻抗匹配；控制开关阵列模块为射频输入信号向各个天线轮询单板周期性分发信号提供了射频通道，同时也受控于中央控制模块；主控板与天线轮询单板射频接口用于主控板与天线轮询单板之间的射频信号连接；主控板与天线轮询单板的控制信号接口用于主控板与天线轮询单板基带控制信号的连接；电源模块为整个主控制板和轮询单板提供所需电源；RS232串口模块用于通过计算机对天线轮询端口进行控制，实现对轮询端口的控制与监控。

天线轮询单板包括天线端接口，天线端阻抗匹配网络，主控板与轮询单板射射频信号接口，主控板轮询单板基带控制信号接口和控制开关阵列模块；其中天线端接口用于与多个天线相连；天线端阻抗匹配网络用于天线端射频输出信号的阻抗匹配；主控板与轮询单板射频信号接口和基带控制信号接口分别用于传送主控板PWM控制信号和由控制主板上开关阵列送来的射频信号；轮询单板上的开关阵列模块为射频信号的在各个天线端口的轮询提供射频通路，同时也受控于中央控制模块。

开关模块中所使用的开关可以为继电器开关、微波射频PIN二极管开关、MEMS机电开关等；控制开关阵列模块可使用总线型拓扑结构和树形拓扑结构。

本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其扩展端口的实现方法是通过轮询控制主板并行控制轮询单板，各天线轮询单板通过主控板插槽与主控板垂直连接的方式进行单板的固定和基带控制信号的传输，而射频信号通过轮询单板与主控板上对应的接口进行相连。

本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，可以使用计算机通过设备的串口对轮询速率、所需轮询端口位置和数量及轮询端口状态进行控制和管理。

本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，轮询控制主板可以通过板上的插槽对轮询单板进行横向扩展。

本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，每个天线轮询单板通过增加树形开关阵列枝节的个数来进行天线端口的纵向扩展。

本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其中央控制处理模块提供两组通用数字接口(GPIO)用来输出PWM控制信号，第一组所需GPIO的个数Z决定控制主板上可以扩展的最大轮询单板个数M，Z＝M；第二组所需GPIO的个数W决定各轮询单板最大轮询端口个数N，W＝N-1+log_z N；所以设备能够提供的天线轮询端口总数目为M×N，需要总的GPIO数量为Z+W。

本发明的优点在于该设备不仅可以将大量轮询接口放置于同一设备内，而且可以实现可控可扩展的天线轮询。在仓库、图书馆、档案馆等RFID管理系统中，该设备在满足发射功率需求的前提下，极大限度的减少了读写器的使用数目，降低了RFID系统的部署成本，并且拥有良好的稳定性和可控性。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备进行详细描述。

图1是本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备一个实施例的结构示意图。其中1为轮询控制主板，2为多个天线轮询单板，11为中央控制模块，12为读写器端接口，13为读写器端阻抗匹配网络，14为驱动模块，15为总线型控制开关阵列模块，16为RS232串口模块，17为电源模块，18为主控板与轮询单板射频接口，19为主控板与轮询单板控制信号接口，21为树形控制开关阵列模块，22为天线端口阻抗匹配网络，23为天线端接口，24为轮询板与主控板间的射频接口，111为主控制芯片，141为正相驱动芯片，142为反相驱动芯片，161为RS232串口电平转换芯片，162为设备与计算机的控制接口。

图2是本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备轮询单板上的控制开关阵列结构示意图。其中23为天线端接口，24为轮询板与主控板间的射频接口，211为PIN射频开关二极管，VD1到VD8树形结构末级控制信号端，VDA和

为树形次级控制信号端，VDB和

为树形初级控制信号端。

图3是本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备主控板上的射频开关阵列结构示意图。其中12为读写器端射频接口，18为主控板与轮询单板射频接口，151为PIN射频开关二极管，VM1到VM5是总线型支路控制信号端，

到

是总线型总线各级控制信号端。

图4是本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备部分天线端口轮询时序图。其中S1、S2分别是对第一块轮询板和第二块轮询板轮询时控制端信号的时序图，VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6、VD7、VD8是每个轮询板上轮询端口的控制信，VDA、VDB是轮询单板上的树形开关阵列支路控制信号，VM1、VM2是轮询主板上的总线型开关阵列支路控制信号。

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用于档案馆RFID管理系统中的超高频(UHF)可控可扩展的紧凑型天线轮询设备实施结构示意图。该设备使得仅用一个读写器便完成四十八个天线的轮询访问，实现了不同档案柜中档案的周期性盘点。该设备由轮询控制主板1和多个天线轮询单板2组成。其中轮询控制主板包括中央控制模块11、读写器端接口12、读写器端阻抗匹配网络13、驱动模块14、总线型控制开关阵列模块15、RS232串口模块16、电源模块17、主控板与天线轮询单板射频接口18和主板板与天线轮询单板的控制信号接口19，中央控制模块主要由中央控制芯片111组成，驱动模块又分正相驱动模块141和反向驱动模块142组成，RS232串口模块又分为串口驱动芯片161和设备控制与计算机的接口162组成。天线轮询单板包括树形控制开关阵列模块21、天线端阻抗匹配网络22、天线端接口23和主控板与轮询单板间的射频信号接口24组成。

如图1所示，本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备的工作方式为，读写器的一个射频端口通过同轴电缆与轮询控制主板1上的端口12进行相连，各天线通过同轴电缆与各轮询单板的每一个天线端口23进行相连。轮询控制主板1与各天线轮询单板2的连接方式为，通过主控板与轮询单板控制信号接口19提供的指状型总线插槽将各轮询单板垂直连接并固定，通过主控板上的射频接口18与各单板上的射频接口24间的同轴线相连来进行射频信号的传输。

主控板1主要由中央处理模块11来进行整个设备的轮询控制，中央处理模块11使用德州仪器公司的微控制处理芯片MSP430F4152，其共有五十六个通用数字接口(GPIO)，除去两个GPIO接口用于串口通信，则在不扩展其他功能和不进行I/O口扩展的情况下最大可以使用五十四个GPIO进行轮询控制，如果每个单板轮询八个端口，需要十个GPIO接口，那么控制芯片极限情况下可以负载四十四块轮询单板，共可以轮询三百五十二个天线。这里作为一个简单易用的实例的实施方式，这里使用六个GPIO来支持六块轮询单板的扩展，使用另外十个GPIO实现每个单板八个天线端口的轮询，为了简化图示，轮询单板上仅画出了四个端口。驱动模块14包含正相驱动芯片74LVH162245和反相位驱动芯片74LV04D。74LVH162245与74LV04D直接连接GPIO来提供其驱动能力，74LV04D主要用于为同一GPIO控制接口提供反向输出逻辑。总线型射频开关控制阵列主要为由读写器送往各个轮询单板的射频信号提供通路并提供各个单板的轮询控制提供控制接口。RS232串口模块16包括接口电平转换芯片MAX323和串口接口162，主要为控制模块提供串口电平的转换和为计算机控制设备提供接口。电源模块17为控制模块11、RS232串口模块16和驱动模块14提供3.3V电源。

轮询单板2主要为树形开关控制阵列模块21，其通过接受从主控板送来的射频信号后为射频信号提供了必要的轮询通路和轮询控制接口。阻抗匹配网络22为一电阻、电容和电感组成的等效网络。

本发明所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，可以通过计算机串口控制MSP430F4152来改变GPIO端口PWM脉冲宽度来改变轮询速率。改变控制PWM脉冲的有无来实现对特定轮询端口的访问和屏蔽。

图2所示是轮询单板树形射频开关控制模块结构图，轮询单板通过端口24接受射频信号，通过树形拓扑的方式向各个天线端口23周期性分发。211是所使用的PIN射频二极管开关，型号是infineon公司的BA63-05W，其在UHF频段导通时的衰减只有0.1dB，截止时的衰减达到20dB以上，开关开启速率为75ns。所有的控制信号端为高电平时二极管导通，其中VDA与

是一对互反的控制信号，VDB与

也是一对互反的控制信号。树形拓扑间的通路用微带线实现，为减小高频损耗，每个T型节点处射频信号的通路不能同时被打开。为了简化说明，图示所示的每个开关应有各自的直流通道偏置通路，射频扼流电感和隔直电容。

图3所示是主控板总线型射频开关控制阵列模块图，主控板通过端口12连接到读写器的射频端口，射频信号通过总线通路分别送往各个主控板与轮询单板的射频接口18。151使用的是是BA63-05W射频开关二极管，为了简化图示，这里依然没有给出偏置电路，射频扼流电感和隔直电容。VM1、VM2、VM3、VM4、VM5分别与

是互反的信号端。他们用于控制射频信号向各个轮询单板的周期分发。同样，每个节点的射频开关不允许同时导通。

图4所示是设备进行端口轮询时的部分时序图。S1、S2分别是对第一块轮询板和第二块轮询板轮询时控制端信号的时序图。信号处于高电平时其控制的PIN二极管为导通状态，并且为了简化图示，其VDA、VDB、VM1、VM2的反向控制逻辑信号没有给出。本发明所述的逻辑控制信号均由MSP430内部的定时器完成精确定时并输出相应的PWM控制信号进行控制，所以不仅可以根据需求改变轮询的速率，也可以通过编程改变其逻辑顺序或屏蔽某个轮询端口。

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

1.一种可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其特征在于：包括轮询控制主板和多个天线轮询单板；轮询控制主板包括中央控制模块、驱动模块、发射机端接口、发射机端阻抗匹配网络、控制开关阵列模块、主控板与天线轮询单板射频接口、主控板与天线轮询单板的控制信号接口、电源模块和RS232串口模块等；天线轮询单板包括天线端接口，天线端阻抗匹配网络，主控板与轮询单板射射频信号接口，主控板轮询单板基带控制信号接口和控制开关阵列模块；开关可根据系统工作频率用微波射频PIN二极管开关或MEMS机电开关等；控制开关阵列模块可使用总线型拓扑结构和树形拓扑结构。

2.如权利要求1所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其特征在于：其扩展端口的实现方法是通过轮询控制主板并行控制轮询单板，各天线轮询单板通过主控板插槽与主控板垂直连接的方式进行单板的固定和基带控制信号的传输，而射频信号通过轮询单板与主控板上对应的接口采用同轴线等方式连接，是一种大量天线进行紧凑型放置的方案。

3.如权利要求1所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其特征在于：计算机可以通过设备的串口对轮询速率、所需轮询端口位置和数量及轮询端口状态进行控制和管理。

4.如权利要求1所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其特征在于：轮询控制主板可以通过板上的插槽对轮询单板进行横向扩展，并且采用总线型的开关阵列减小信号传输损耗。

5.如权利要求1所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其特征在于：每个天线轮询单板通过增加树形开关阵列枝节的个数来进行天线端口的纵向扩展，并且树形开关阵列的拓扑结构有效的避免了T形节点处开路枝节带来的传输损耗。

6.如权利要求1所述的可控可扩展的紧凑型天线轮询设备，其特征在于：其中央控制处理模块提供两组通用数字接口(GPIO)用来输出PWM控制信号，第一组所需GPIO的个数Z决定控制主板上可以扩展的最大轮询单板个数M，Z＝M；第二组所需GPIO的个数W决定各轮询单板最大轮询端口个数N，W＝N-1+log2N；所以设备能够提供的天线轮询端口总数目为M×N，需要总的GPIO数量为Z+W。