CN104112107A

CN104112107A - 一种多天线rfid系统的天线轮换方法及装置

Info

Publication number: CN104112107A
Application number: CN201410303425.XA
Authority: CN
Inventors: 刘春江; 段璞; 黄新利; 夏立军
Original assignee: Invengo Information Technology Co Ltd
Current assignee: Invengo Information Technology Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN104112107B

Abstract

本发明涉及一种多天线RFID系统的天线轮换方法，包括如下步骤：通过在耦合器的直通端上连接标准负载和待测天线，并在连接所述标准负载和待测天线时分别发送设定功率P的纯载波，得到隔离端上的信号电压并依据其得到待测天线的反射率；按照所述得到的待测天线反射率，得到本次连接该待测天线的连接时间；实施与所述待测天线连接并维持得到的连接时间后，对下一个转换的天线执行上述步骤。本发明还涉及一种实现上述方法的装置。实施本发明的一种多天线RFID系统的天线轮换方法及装置，具有以下有益效果：提高了该系统的读卡效率。

Description

一种多天线RFID系统的天线轮换方法及装置

技术领域

本发明涉及RFID系统，更具体地说，涉及一种多天线RFID系统的天线轮换方法及装置。

背景技术

随着射频识别技术的快速发展，多天线RFID系统由于其更快速准确的识读能力，得到了广泛的应用，安全门禁，物流，交通领域等都大量使用着多天线RFID系统。一般来讲，多天线RFID系统是指在其读卡器上设置有多个天线，且在读卡过程中轮流通过这些天线发送或接收电磁波的系统；在这种系统中，天线的调用或使用方式决定了多天线RFID系统的工作效率。常见的多天线系统采用轮询方式工作，即读卡开始，每个天线固定工作一段时间，切换到下一个天线，循环工作到读卡结束。由于每个天线的工作时间固定，如果遇到天线异常会导致读卡效率不稳定；即如果一个天线异常，其不能读卡，但是该系统仍然回为其分配时间，通过其进行读卡，使得这段时间内读不到卡，进而带来读卡效率的低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述可能出现读卡效率低下的缺陷，提供一种读卡效率较高的多天线RFID系统的天线轮换方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多天线RFID系统的天线轮换方法，包括如下步骤：

A）通过在耦合器的直通端上连接标准负载和待测天线，并在连接所述标准负载和待测天线时分别发送设定功率P的纯载波，所述功率P对应的功率电压为V_p；同时，在耦合器的隔离端上分别测量当所述纯载波发送时的该隔离端上的信号电压V_r及V_t，其中, V_r是所述耦合器直通端连接所述待测天线时，在其隔离端测得的电压值，V_t是所述耦合器直通端连接所述待测天线时，在其隔离端测得的电压值;

B）依据上述得到的电压值V_p、V_r及V_t，根据公式(V_r-V_t)/V_p得到待测天线的反射率；

C）按照所述得到的待测天线反射率，得到本次连接该待测天线的连接时间；

D）实施与所述待测天线连接并维持得到的连接时间后，对下一个转换的天线执行上述步骤。

更进一步地，所述步骤A）中进一步包括如下步骤：

A1）使得耦合器的直通端与标准负载连接，控制功率放大器输出设定功率为P的纯载波信号，并输送到所述耦合器的输入端；

A2）在所述耦合器的隔离端测量其电压值，并存储该电压值为V_t;

A3）使得耦合器的直通端与即将要连接的待测天线连接，控制功率放大器输出设定功率为P的纯载波信号，并输送到所述耦合器的输入端；

A4）在所述耦合器的隔离端测量其电压值，并存储该电压值为V_r。

更进一步地，所述步骤A1）中通过控制串接在所述耦合器直通端和所述标准负载之间的天线开关使得所述耦合器直通端与所述标准负载连接；所述步骤A3）中通过控制串接在所述耦合器直通端和所述即将连接的待测天线之间的天线开关使得所述耦合器直通端与所述待测天线连接；所述即将要连接的待测天线和所述标准负载连接在所述天线开关单元的不同输出端口上，所述天线开关单元的输入端口与所述耦合器的直通端连接。

更进一步地，在所述步骤A2）和A4）中，通过功率分配器取得所述耦合器隔离端的输出信号，并通过功率-电压转换单元将其转换为电压值。

更进一步地，所述步骤A2）和A4）中，通过ADC采样单元将得到的电压值转换为数字信号并存储。

更进一步地，所述得到的比值和所述即将连接的待测天线的连接时间的关系为：使用最大连接时间T_max与得到的比值相乘，即T=T_max*(1-(V_r-V_t)/V_p)，将其再乘以一设定系数，得到所述待测天线的本次连接时间。此外，还可以使用查表方式设定，例如可以调整反射率超过一半的天线连接时间为0，提高天线轮询效率。

更进一步地，所述步骤A2）和A4）中，当得到电压值并存储后，还分别包括如下步骤：关闭功率放大器。

本发明还涉及实现上述的天线轮换方法的装置，包括：多个天线、天线开关单元、标准负载、耦合器、功率放大器、功率分配器和检测回路；其中，所述多个天线和标准负载分别连接在所述天线开关单元的输出端；所述耦合器的直通端与所述天线开关单元的输入端连接；所述耦合器的隔离端与所述功率分配器的输入端连接，所述功率分配器的两个输出端分别与所述检测回路和读卡器的接收回路连接；所述检测回路分别输出控制信号控制所述功率放大器和所述天线开关单元；所述功率放大器的输入端与所述读卡器的发送回路连接，所述功率放大器的输出端与所述耦合器的输入端连接。

更进一步地，所述检测回路包括依次连接的功率-电压转换单元、ADC采样单元、数据处理单元和控制单元；所述功率-电压转换单元的输入端与所述功率分配器的一个输出端连接，所述控制单元分别输出控制信号到所述功率放大器和所述天线开关单元。

更进一步地，所述功率-电压转换单元是功率-电压转换集成电路；所述数据控制处理单元在控制所述天线开关单元将功率放大器输出信号连接到任意一个天线之前，先控制所述天线开关单元分别与标准负载和该天线连接，同时控制功率放大器输出设定功率的纯载波信号，并在所述耦合器隔离端得到其上的电压值，根据所述两个电压值的差值与设定功率电压的比值，得到反射率(V_r-V_t) /V_p, V_r是所述耦合器直通端连接所述待测天线时，在其隔离端测得的电压值，V_t是所述耦合器直通端连接所述标准负载时，在其隔离端测得的电压值,V_p为设定功率P对应的电压值；该比值决定所述功率放大器输出端与该天线的连接时间。

实施本发明的一种多天线RFID系统的天线轮换方法及装置，具有以下有益效果：由于在每次连接一个天线之前都将连接该天线发送设定功率的纯载波时在耦合器隔离端得到的信号强度和连接标准负载发送设同样功率的纯载波是在耦合器隔离端得到的信号强度做差值，得到实际反射值，由于连接标准负载时在耦合器隔离端得到的是发射泄露的功率值，而发射功率完全被标准负载吸收，而连接待测天线时，由于天线具有一定的反射，因而在耦合器隔离端得到的是发射泄露的功率值与天线反射功率值的合，因而两次结果的差值为天线反射的绝对功率值，而该反射值最大不会超过发射设定功率值，因而用该差值与发射功率值作比较得到反射率的比值；然后依据得到的比值确定该天线的连接时间，对于系统而言，该天线的连接时间就是系统在一个天线循环中的该天线使用时间。如果一个天线异常，反射功率增大，其得到的比值必然增大，这样就可以将改天线的使用时间减小，甚至设置为0，这样就增加了其他正常天线的使用时间，提高了该系统的读卡效率。

附图说明

图1是本发明多天线RFID系统的天线轮换方法及装置实施例中该方法的流程图；

图2是所述实施例中电压比值取得的进一步流程图；

图3是所述实施例中装置的结构示意图；

图4是所述实施例中检测回路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明多天线RFID系统的天线轮换方法及装置实施例中，该方法包括如下步骤：

步骤S11 分别连接标准负载和待测天线，发送纯载波，分别得到耦合器隔离端的电压值：在本实施例中，该多天线RFID系统包括读卡器，而该读卡器包括多个天线，这些天线分别连接在天线开关单元上，该天线开关单元是个受控的单刀多掷开关，其输入的开关端连接在耦合器的直通端上，耦合器的输入端与功率放大器连接，功率放大器输出的载波信号通过其直通端、天线开关单元的输入开关端输出到该单刀多掷开关与输入端连接的开关端（这些端子上分别连接的是上述多个天线以及一个标准负载）；这些开关端（除输入端以外，即单刀多掷开关的刀的另一端的端子）除了分别连接上述多个天线外，还连接有一个标准负载。当天线开关单元在控制信号的作用下在各端子间转换时，该天线开关单元的输入端分别与上述各天线或标准负载连接。此外，上述耦合器的隔离端连接有一个功率分配器，该功率分配器包括一个输入端和两个输出端，其输入端与上述耦合器的隔离端连接，其两个输出端分别连接该读卡器的接收回路和检测回路（请参见图3）。在本步骤中，上述天线开关单元在控制信号的作用下，分别连接标准负载所在的端子和本次天线轮换中将要连接的天线所在的端子，并在每次连接时控制功率放大器输出设定功率为P的纯载波信号。由于标准负载的电阻值是已知的，所以只要功率P确定，其在直通端上的电压V_p就是已知的。在本实施例中，也可以认为上述电压V_p是纯载波信号功率P的另外一种表达方式，二者实际上在物理意义上是等同的。同时，在输出上述载波信号的时候，在耦合器的隔离端测量其上的电压。分别得到两个电压值。值得一提的是，上述在本次轮换中将要连接的天线就是待测天线；在连接标准负载和待测天线时输出的纯载波的功率是相同的。总的来讲，由于多天线RFID系统本身是要进行天线轮换的，而且在现有技术中，每次轮换使用天线的时间是固定的。当一个天线由于某种原因出现问题时，其在轮换中不能或不能很好地发出信号，也不能或不能很好地接收信号，导致该天线在轮换中不能起到应有的效果，即不能读卡，这样就使得花费在该天线连接的时间段是无效的，降低了整个系统的读卡效率。而在本实施例中，由于在连接一个天线之前使用步骤S11-13的方法判断该天线的状态（上述电压的比值在在绝大多数情况下准确地表示了天线的状态），并根据得到的状态进行连接该天线时间的设置，使得如果该天线出现问题时，可以减小或设置该天线的连接时间，直到设置该连接时间为0，使得连接时间可以向正常的天线倾斜，不会浪费连接时间，进而提高了整个系统的读卡效率，这是由于执行上述步骤S11-S13的时间较一个天线的平均连接时间短。在本实施例中，步骤S11-S13并不是只执行一次，而是在每次切换天线时都会执行。对于切换不同的天线，只是连接的天线不同而已。

步骤S12 得到反射率：在本步骤中，由于上述步骤中分别连接了不同的负载，且分别在连接不同的负载之时输出相同的纯载波信号并在耦合器的隔离端分别得到其电压值，在本步骤中，将得到的两个电压值以及表示设定的纯载波功率P的电压值V_p进行运算，得到一个电压比值，这个比值就是该待测天线的反射率。即在本步骤中，通过根据公式(V_r-V_t)/V_p得到待测天线的反射率。

步骤S13 根据得到的待测天线的反射率得到连接该待测天线的时间：在本步骤中，按照得到的反射率，得到本次连接待测天线（即该天线）的连接时间。也就是说，在本步骤中，根据上述得到的比值的结果分配本次该天线的工作时长为Tw，使得该天线工作Tw（即将该天线连接在上述耦合器的输入端的时间长度是Tw，或天线开关单元的刀连接在输入开关端和该天线连接的端子的时间长度是Tw）；在本实施例中，可以使用最大连接时间T_max与得到的比值相乘，即T=T_max*(1-(V_r-V_t)/V_p)，将其再乘以一设定系数，得到待测天线的本次连接时间Tw；此外，该比值与天线工作时间的对应关系是可以调节的。例如，当得到的反射率大于0.5时，天线工作时间可以配置为最短时间或者0，而其他情况仍然按照上述规定得到本次连接时间。这需要根据实际情况调节。当然，也可以计算好上述得到的数值或上述得到的反射率值与本次连接时间的对应关系，并将其存储在上述多天线RFID系统中的，在步骤中通过计算查表得到或不通过计算直接使用上一步骤中的反射率查表得到该待测天线的连接时间。

步骤S14 完成与该待测天线的连接之后对下一个待测天线执行上述步骤：在本步骤中，由于在前面的步骤中已经确定了本次轮换该天线（即待测天线）的连接时间，在步骤中，就是将该天线连接到上述耦合器的直通端，使得耦合器输入端的信号能够通过该天线发送出去或将该天线感应到的信号传输到上述耦合器的隔离端。值得一提的是，在上述连接过程中，该多天线RFID系统进行如现有技术中的使用该天线的读卡动作。也就是说，在该天线连接在耦合器的直通端口的时候，读卡器的读卡与现有技术中的操作并无不同。即上述步骤仅仅决定该天线轮换时的连接时间。

在上述步骤中，其取得电压比值的步骤又可以进一步划分如图2所示，包括：

步骤S21 耦合器的直通端与标准负载连接，功率放大器输出纯载波到耦合器的输入端：在本步骤中，天线开关单元在控制信号的作用下，使得耦合器的直通端与标准负载连接；然后，功率放大器输出设定功率的纯载波信号，该信号通过耦合器的输入端、耦合器的直通端以及上述天线开关单元被输送到上述标准负载上，由于是标准负载，其使得该标准负载与耦合器的阻抗是匹配的，其模拟了一个完全发射的情况。

步骤S22 测量耦合器隔离端的电压值，存储为Vt：在本步骤中，在上述步骤执行的同时，测量耦合器隔离端的电压值，得到该隔离端在全发射情况下的功率或电压，将其进行处理，得到电压值并将其存储为Vt；在本实施例中，在耦合器的隔离端上连接有一个功率分配器，该功率分配器的输入端连接在上述隔离端，其两个输出端分别连接在读卡器的接收回路和检测回路上，上述检测回路将输入的信号转换为电压值；在本实施例中，通过功率分配器取得所述耦合器隔离端的输出信号，并通过功率-电压转换单元将其转换为模拟电压值，并对其进行ADC处理，得到一个数字的、表示该隔离端口信号功率的电压值。这个电压值被存储在该检测回路中。此外，在执行完本步骤后，处于安全或减小电磁干扰或保护器件的目的，将上述功率放大器关闭，即该功率变压器不再输出纯载波信号；在后续的步骤中需要再次输出时，将再次打开该功率放大器，并输出相同功率的纯载波信号。

步骤S23 耦合器的直通端与待测天线连接，功率放大器输出纯载波到耦合器的输入端：在本步骤中，天线开关单元在控制信号的作用下，使得耦合器的直通端与待测天线（即在本次轮换中将要连接的天线）连接；然后，功率放大器输出设定功率的纯载波信号，该信号通过耦合器的输入端、耦合器的直通端以及上述天线开关单元被输送到上述待测天线上，由于是待测天线，其充分体现了该天线的实际情况。值得一提的是，在本步骤中，功率放大器输出的纯载波信号的功率与上述步骤S21中输出的功率是相同的。

步骤S24 测量耦合器隔离端的电压值，存储为Vr：本步骤与上述步骤S22大致上是相似的，除了处理的电压值不同，且在本步骤中得到的电压值存储为Vr之外，其他均大致与步骤S22相同。执行完本步骤后，同样会关闭功率放大器，以便于后续的天线开关单元的切换。此外，完成本步骤后，得到了两个电压值，可以执行上述步骤S13。

在本实施例中，上述方法是在如图3所示的装置上实现的，在图3中，该装置包括多个天线、天线开关单元、标准负载、耦合器、功率放大器、功率分配器和检测回路；其中，多个天线和标准负载分别连接在天线开关单元的输出端或开关端；耦合器的直通端（图3中标记为2的端子）与天线开关单元的输入端连接；耦合器的隔离端（图3中标记为4的端子）与功率分配器的输入端连接，功率分配器的两个输出端分别与检测回路和读卡器的接收回路连接；检测回路分别输出控制信号控制功率放大器和天线开关单元；功率放大器的输入端与读卡器的发送回路连接，功率放大器的输出端与耦合器的输入端（图3中标记为1的端子）连接。

图4是图3中检测回路的结构示意图，在图4中，该检测回路包括依次连接的功率-电压转换单元、ADC采样单元、数据处理单元和控制单元；功率-电压转换单元的输入端与功率分配器的一个输出端连接，控制单元分别输出控制信号到功率放大器和天线开关单元，输出到功率放大器的控制信号控制该功率放大器输出设定功率的纯载波信号或关闭，而输出到天线开关单元的控制信号控制该天线开关单元的切换。

在本实施例中，所述功率-电压转换单元是功率-电压转换集成电路；所述数据控制处理单元在控制所述天线开关单元将功率放大器输出信号连接到任意一个天线之前，先控制所述天线开关单元分别与标准负载和该天线连接，同时控制功率放大器输出设定功率的纯载波信号，并在所述耦合器隔离端得到其上的电压值，根据所述两个电压值及表示设定功率的功率电压值V_p，得到该待测天线的反射率，即(V_r-V_t)/V_p, 其中，V_r是当耦合器直通端连接待测天线且发送设定功率P的纯载波时，在其隔离端测得的电压值；V_t是当耦合器直通端连接标准负载且发送设定功率P的纯载波时，在其隔离端测得的电压值；该反射率决定功率放大器输出端与该待测天线的本次连接时间，并通过控制天线开关单元实现所述连接。

总之，在本实施例中，多天线RFID系统的天线转换方法采取如下步骤：读卡开始时，控制天线转换开关由天线切换至标准负载，使得发送功率标准负载处完全反射，通过耦合器的端口4隔离端输出后进入与接收回路并联的功率电压转换器件；控制功放开启发送一定功率纯载波，功率大小没有规定，因为用于计算比值，但是每次发送功率P是一定的，该功率P在上述直通端连接标准电阻时在直通端表现出来的电压为V_p；在采集功率-电压转换器件返回数据Vt并处理、记录后关闭功放；功率电压转换器件可以将功率转换为电压输出，经ADC采样器件采样后返回至数据处理单元中存储，该单元与控制模块在基带控制器中实现；然后，控制天线开关单元切换至当前轮换天线；同样地、控制功放开启发送同一功率纯载波，须同等功率经过相同的发送通道；在采集功率-电压转换芯片返回数据Vr并记录后关闭功放；根据公式计算两个电压的比并记录计算结果。在本实施例中，使用(V_r-V_t)/V_p确定反射率；之后，根据驻波比计算结果分配工作时长Tw，控制天线工作Tw。

在本实施例中，驻波比结果与天线工作时间的对应关系是可以调节并不固定的。举例说明，当前天线测得其对于标准电阻的反射率为0.5时，天线工作时间可以配置为最短时间或者0，根据实际情况调节。同时，在使用ADC采集功率-电压转换芯片输出电压时，使用多周期平均的方式采集，避免因单个采样点突变造成结果不准确。

在本实施例中，负责切换负载及多天线的天线开关由PIN管开关实现，负责分流进入功率检测通道与进入接收通道的功率分配器由100Ω精密电阻并联实现。在本实施例中，由于使用同一通路得到数据计算驻波比结果，且使用隔离度高的PIN管作为选择开关，有效防止功率泄露影响数据准确性，且使用100Ω精密电阻实现功分，使检测结果更准确，能实现准确性高的天线对于标准电阻的反射率。且计算该反射率所耗时间仅为天线切换，及数据采样时间，其占据时间非常短，其结果更具有实时性。因而本实施例中所述轮询方法，因其准确性实时性更好，能提高多天线工作效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种多天线RFID系统的天线轮换方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的多天线RFID系统的天线轮换方法，其特征在于，所述步骤A）中进一步包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的多天线RFID系统的天线轮换方法，其特征在于，所述步骤A1）中通过控制串接在所述耦合器直通端和所述标准负载之间的天线开关使得所述耦合器直通端与所述标准负载连接；所述步骤A3）中通过控制串接在所述耦合器直通端和所述即将连接的待测天线之间的天线开关使得所述耦合器直通端与所述待测天线连接；所述即将要连接的待测天线和所述标准负载连接在所述天线开关单元的不同输出端口上，所述天线开关单元的输入端口与所述耦合器的直通端连接。

4.根据权利要求3所述的多天线RFID系统的天线轮换方法，其特征在于，在所述步骤A2）和A4）中，通过功率分配器取得所述耦合器隔离端的输出信号，并通过功率-电压转换单元将其转换为电压值。

5.根据权利要求1所述的多天线RFID系统的天线轮换方法，其特征在于，所述步骤A2）和A4）中，通过ADC采样单元将得到的电压值转换为数字信号并存储。

6.根据权利要求1所述的多天线RFID系统的天线轮换方法，其特征在于，所述得到的比值和所述即将连接的待测天线的连接时间的关系为：使用最大连接时间T_max与得到的比值相乘，即T=T_max*(1-(V_r-V_t)/V_p)，将其再乘以一设定系数，得到所述待测天线的本次连接时间。

7.根据权利要求6所述的多天线RFID系统的天线轮换方法，其特征在于，所述步骤A2）和A4）中，当得到电压值并存储后，还分别包括如下步骤：关闭功率放大器。

8.一种实现如权利要求1所述的天线轮换方法的装置，其特征在于，包括：多个天线、天线开关单元、标准负载、耦合器、功率放大器、功率分配器和检测回路；其中，所述多个天线和标准负载分别连接在所述天线开关单元的输出端；所述耦合器的直通端与所述天线开关单元的输入端连接；所述耦合器的隔离端与所述功率分配器的输入端连接，所述功率分配器的两个输出端分别与所述检测回路和读卡器的接收回路连接；所述检测回路分别输出控制信号控制所述功率放大器和所述天线开关单元；所述功率放大器的输入端与所述读卡器的发送回路连接，所述功率放大器的输出端与所述耦合器的输入端连接。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述检测回路包括依次连接的功率-电压转换单元、ADC采样单元、数据处理单元和控制单元；所述功率-电压转换单元的输入端与所述功率分配器的一个输出端连接，所述控制单元分别输出控制信号到所述功率放大器和所述天线开关单元。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述功率-电压转换单元是功率-电压转换集成电路；所述数据控制处理单元在控制所述天线开关单元将功率放大器输出信号连接到任意一个天线之前，先控制所述天线开关单元分别与标准负载和该天线连接，同时控制功率放大器输出设定功率的纯载波信号，并在所述耦合器隔离端得到其上的电压值，根据所述两个电压值的差值与设定功率电压的比值，得到反射率(V_r-V_t) /V_p, V_r是所述耦合器直通端连接所述待测天线时，在其隔离端测得的电压值，V_t是所述耦合器直通端连接所述标准负载时，在其隔离端测得的电压值,V_p为设定功率P对应的电压值；该比值决定所述功率放大器输出端与该天线的连接时间。