CN103106415A - 用于环形轨道运输车快速定位的智能rfid读写器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于环形轨道运输车快速定位的智能RFID读写器，包括电源系统、嵌入式控制系统和射频收发系统，电源系统包括有DC-DC电源模块和至少一个稳压器；嵌入式控制系统包括有MCU主控制器、功放控制模块、输入输出硬件接口及多个通信接口；射频收发系统包括有RFID处理器、LC阻抗匹配网络、输出巴伦、π型滤波网络、功率放大器、环形器、输入巴伦、环路滤波器、高频开关和多路天线接口；RFID处理器通过数据总线与MCU主控制器连接。本发明通过将RFID读写器设计成由嵌入式控制系统和射频收发系统组成的插拔式组合体，实现了钢厂环形轨道运输车的灵活、快速和准确地定位，并有效减少了传感器的损耗，降低了定位的成本。

Description

用于环形轨道运输车快速定位的智能RFID读写器

技术领域

本发明涉及无线射频通信领域，特别是涉及一种适用于钢厂环形轨道运输车快速定位的智能型RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)读写器。

背景技术

钢铁企业现场工业环境恶劣，环形轨道运输车运行在高温、多粉尘、振动、油污、多电气设备相互干扰和部分露天的工况下，对于环形轨道运输车的位移检测一直是行业的难题。

传统的环形轨道运输车定位采用的是上电触发模式，即在移动的车辆上装载电刷，在轨道外侧保护栏杆上等间距的放置供电的触头，当车辆经过某一个触头时和电刷接触，对检测系统的IO口有一个脉冲上电情况，  检测系统据此判定现时的位置。这种定位技术的主要不足是接触测量定位容易损耗传感器件，引起设备老化故障，且维护费用高，而且车辆的自身振动和轨道的不平衡容易使检测设备接触不准或碰撞影响定位精度和设备寿命。

也有采用通用的RFID读写器对环形轨道运输车进行定位，但是通用型的RFID读写器不能适应特定工业现场的通信接口，且和L2层的通信需要复杂的二次编程完成。

而广域上的车辆定位技术虽然已经比较成熟了，例如全球定位系统(GPS)、蜂窝网无线定位、红外线定位和超声波定位技术等。但是，GPS和蜂窝网无线定位主要面向室外定位；红外线和超声波定位则延迟时间较长，同时需要布置较多价格昂贵的传感器，因此，这些定位技术也都无法用于钢铁工业现场这一特定范围内的车辆定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于环形轨道运输车快速定位的智能RFID读写器，它可以快速、灵活、准确地定位钢厂环形轨道运输车，并能有效减少传感器的损耗。

为解决上述技术问题，本发明的用于环形轨道运输车快速定位的智能RFID读写器，包括：

电源系统，用于向嵌入式控制系统和射频收发系统供电，包括有DC-DC电源模块和至少一个稳压器，所述稳压器与DC-DC电源模块连接；

嵌入式控制系统，用于根据工业现场环境控制RFID读写器与标签的通信，监控射频收发系统的功率；包括有MCU主控制器，分别与MCU主控制器连接的功放控制模块、输入输出硬件接口和通信接口；所述功放控制模块用于控制嵌入式控制系统对外输出的电压和电流；所述输入输出硬件接口和通信接口用于支持MCU主控制器与外部工业现场的通讯；

射频收发系统，用于实现UHF频段RFID读写器和标签的通信，包括有依次相连成环状通信链路的RFID处理器、LC阻抗匹配网络、输出巴伦、π型滤波网络、功率放大器、环形器和输入巴伦；还包括与所述RFID处理器连接的环路滤波器、与所述环形器连接的高频开关以及与所述高频开关连接的多路天线接口；所述RFID处理器通过数据总线与所述MCU主控制器连接。

本发明的用于环形轨道运输车快速定位的智能RFID读写器，具有下列优点和有益效果：

1.应用本发明的RFID读写器和无源标签配合进行环形轨道运输车辆的位置定位，是一种非接触测量，因此可以避免因摩擦引起的设备老化问题，并可有效规避由于车辆的自身振动和轨道的不平衡，使检测设备接触不准或碰撞影响定位精度的问题，从而可以延长定位装置的寿命。

2.本发明的RFID读写器采用MCU控制器和RFID处理器组成主从控制，MCU控制器负责事务性调度，RFID处理器专门负责UHF频段射频的收发控制，这种主从控制结构合理分配了各自的任务，有效提高了工作效率。

3.本发明采用模块化设计，将嵌入式控制系统和射频收发系统组成插拔式组合体，从而可以在这两个系统连接器接口定义不变的情况下方便地实现升级，更符合大规模应用PLC模块和外围设备的工业现场的灵活应用需要。

4.采用本发明的RFID读写器的射频识别系统跟上位机的通信可以采用多种接口方式，从而保证了通信效果和不同平台的适应性，降低了改造成本。

附图说明

图1是本发明实施例的RFID读写器结构示意框图。

图2是本发明实施例的RFID读写器中的电源系统结构示意框图。

图3是本发明实施例的RFID读写器中的嵌入式控制系统结构示意框图。

图4是本发明实施例的RFID读写器中的射频收发系统结构示意框图。

图5是应用本发明的RFID读写器定位钢厂环形轨道运输车的方法示意图。

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合图示的实施方式，详述如下：

本实施例的用于环形轨道运输车快速定位的智能RFID读写器，采用模块化组合系统，主要包括用于向嵌入式控制系统和射频收发系统提供稳定电压的电源系统、用于根据工业现场环境提供通信、控制、自检、监控和报警功能的嵌入式控制系统以及用于实现UHF频段RFID读写器和标签通信的射频收发系统。

如图1、2所示，电源系统包括：

DC-DC电源模块，采用安时捷公司生产的HDW20-24S05B3转换器，用于将支持工业现场的24V直流电源转换到RFID处理器所需要的5.3V电源供电；

3.3V稳压器，采用National Semiconductor公司生产的LM1117MPX-3.3稳压芯片，用于满足嵌入式控制系统和射频收发系统的电源需求；

3.5V稳压器采用MICREL公司生产的MIC29302BU大电流低压差稳压芯片，用于稳定地供给功率放大器芯片所需要的大电流；

2.5V稳压器采用TI公司生产的TPS77625稳压芯片，用于供给高速开关的电源需求；

各稳压器分别与DCDC模块连接。

如图1、3所示，嵌入式控制系统包括：

MCU主控制器，采用Silicon公司的C8051F340单片机，其流水线结构能够快速响应系统的指令；

USB接口，集成在MCU主控制器中，以减少电路板的体积；

ESD(静电放电)防护芯片，与USB接口连接，用于增强对USB接口的静电防护；本实施例中采用的是NXP公司的IP4220CZ6静电防护芯片；

UART接口，采用Ti公司生产的MAX3232CSE芯片，既能作为兼容工厂早期配置的计算机的一种辅助通信手段，同时也能通过Uart口进行程序的烧录；

Profibus-DP接口，采用VIPA公司的VPC3+C Profibus-DP的智能从站通讯协议芯片；

声光报警指示器，用于显示系统当前的运行状态和精确的定位故障原因；该声光报警指示器采用LED指示灯和蜂鸣器实现，LED指示灯的点亮组合用于指示系统的当前状态，蜂鸣器通过发声显示报警状态；

功放控制模块，采用AD公司生产的AD5172双通道数字电位计芯片，通过IIC总线对其进行写操作可以得到精确的模拟电压输出；

电压跟随器，连接在数字电位计芯片的后面，用于提高输出电流能力，以保证输出足够的电流给功放的控制电压端；

输入输出硬件接口，作为MCU主控制器和工厂外部24V电信号进行通信的接口。

如图1、4所示，射频收发系统包括：

RFID处理器，采用AustriaMicroSystems公司生产的AS3991芯片；

环路滤波器，与RFID处理器连接，用于和AS3991芯片内集成的压控振荡器组成915MHz的本振信号，给收发的UHF频段的射频信号提供基准；

LC阻抗匹配网络，用于将AS3991的输出阻抗匹配成标准的50欧姆特征阻抗传输，以满足工业数据传送高可靠性的要求；

输出巴伦，采用Johanson Technology公司的0900BL18B100芯片，用于把AS3991芯片输出的平衡信号转化成单端信号作为功率放大器的输入；

π型滤波网络，用于匹配输出巴伦和功放之间的传输信号阻抗，通过更换不同的容值使得传输阻抗接近或等于50欧姆特征阻抗，以满足工业数据传送高可靠性的要求；

功率放大器，采用SkyWorks公司生产的SKY65111-348LF芯片，其能够保证最大在28dbm处进行不失真放大；

环形器，采用Macom公司生产的MAFRIN0494环形器，对UHF频段的射频信号发送和接收进行隔离，防止泄露干扰，又对输入信号具有一定的带宽选择作用，筛选目标信号进入RFID处理器；

高频开关，分别与环形器和多路天线接口连接，用于决定最多容纳的天线接口数量；当多个天线都对准同一个方向时，能够减少单天线的盲区，降低误码率；本实施例采用SkyWorks公司生产的SKY14151-350LF芯片，对输入信号1分4，供后续接多根天线；

多路天线接口，既可以同时连接多个天线，天线的工作频率与读写器设定的频段相同，当都对准同一个方向时形成了多点的供电发射覆盖，能够减少单天线的盲区降低误码率并且有效延长对高速移动的RFID的感应，也可以选择连接某一路天线，其他的作为后备接口，读写器采用RSSI信号的强度，判断当前使用的是哪个天线接口，并点亮LED显示的通知用户，也可以事先选择好某个天线通道，通过点亮的LED指示灯引导用户接驳天线；

低噪声放大器，放置于射频信号接收端，用于限定输入信号的范围和纯度；

输入巴伦，采用Johanson Technology公司的0900BL18B100芯片，用于把环形器输出的单端信号转化成平衡信号作为AS3991的输入；

RFID处理器、LC阻抗匹配网络、输出巴伦、π型滤波网络、功率放大器、环形器、低噪声放大器和输入巴伦依次相连，并由输入巴伦与RFID处理器连接形成环状通信链路。

嵌入式控制系统的MCU主控制器与射频收发系统的RFID处理器通过数据总线相连。

上述智能RFID读写器是一个较为复杂的多模块系统协同工作系统，嵌入式控制系统可以根据外围任务的要求选配对应速度的MCU进行调度控制，并可以通过对射频收发模块的功率监测，实时改变功率放大器的控制电压，以达到最佳的匹配效果。它既可以单机独立使用，也可以作为主机和其下的RFID读写器节点进行数据交换。在应用该RFID读写器对钢厂环形轨道运输车进行快速定位时，为了实现其简单高效的控制，可以把事件的主流程归纳为状态之间的切换，如图5所示，RFID读写器上电，发射射频信号；带有无源标签的运输车在环形轨道上快速运行，当标签进入磁场，接收到RFID读写器发出的射频信号后，发送出存储在芯片中的产品信息；射频识别系统侦听到标签返回信息后，计算出运输车的位置，并把位置信息和其他相关信息传送到上位机。如果其中某一状态发生了故障，则射频识别系统收集相应的出错信息返回给上位机，以方便、迅速地定位故障源，减少停产损失。

Claims (9)

1.一种用于环形轨道运输车快速定位的智能RFID读写器，其特征在于，包括：

电源系统，用于向嵌入式控制系统和射频收发系统供电，包括有DC-DC电源模块和至少一个稳压器，所述稳压器与DC-DC电源模块连接；

嵌入式控制系统，用于根据工业现场环境控制RFID读写器与标签的通信，监控射频收发系统的功率；包括有MCU主控制器，分别与MCU主控制器连接的功放控制模块、输入输出硬件接口和通信接口；所述功放控制模块用于控制嵌入式控制系统对外输出的电压和电流；所述输入输出硬件接口和通信接口用于支持MCU主控制器与外部工业现场的通讯；

射频收发系统，用于实现UHF频段RFID读写器和标签的通信，包括有依次相连成环状通信链路的RFID处理器、LC阻抗匹配网络、输出巴伦、π型滤波网络、功率放大器、环形器和输入巴伦；还包括与所述RFID处理器连接的环路滤波器、与所述环形器连接的高频开关以及与所述高频开关连接的多路天线接口；所述RFID处理器通过数据总线与所述MCU主控制器连接。

2.根据权利要求1所述的RFID读写器，其特征在于，所述电源系统包括有3.3V稳压器、3.5V稳压器和2.5V稳压器。

3.根据权利要求1所述的RFID读写器，其特征在于，所述通信接口为USB接口、UART接口、Profibus-DP接口或其组合。

4.根据权利要求3所述的RFID读写器，其特征在于，所述USB接口集成在MCU主控制器中。

5.根据权利要求4所述的RFID读写器，其特征在于，所述USB接口连接有静电放电防护芯片。

6.根据权利要求1所述的RFID读写器，其特征在于，所述嵌入式控制系统还包括有用于指示嵌入式控制系统运行故障的报警指示器。

7.根据权利要求7所述的RFID读写器，其特征在于，所述报警指示器包括LED指示灯和蜂鸣器。

8.根据权利要求1所述的RFID读写器，其特征在于，所述功放控制模块包括数字电位计和电压跟随器，所述数字电位计用于控制嵌入式控制系统输出的模拟电压；所述电压跟随器连接在数字电位计后面，用于提高电流输出能力。

9.根据权利要求1所述的RFID读写器，其特征在于，所述环形器和输入巴伦之间还连接有低噪声放大器。

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