CN105205513B - 一种基于自适应匹配技术的射频识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种基于自适应匹配技术的射频识别系统及方法，其特征在于设有主控MCU电路，发射功率调节模块，发射电路模块，射切换模块，50欧姆标准负载模块，发射电压检测模块，控制与信号模块，匹配模块，天线，电源模块，其中主控MCU电路分别与发射功率调节模块、发射电路模块、发射电压检测模块、电源模块、控制与信号模块相连接，发射电路模块的输出端与射频切换模块的输入端相连接，射频切换模块的输出端与50欧姆标准负载模块、匹配模块的输入端相连接，匹配模块的输出端与天线相连接，匹配模块的控制信号端与控制与信号模块相连接，发射电压检测模块的输入端与射频切换模块的信号输入端相连接。

Description

一种基于自适应匹配技术的射频识别系统及方法

技术领域

本发明涉及射频识别（RFID, Radio Frequency Identification）技术领域，尤其涉及一种用在需要天线匹配并具有可调器件的射频识别系统中的基于自适应匹配技术的射频识别系统及方法。

背景技术

目前的射频识 别系统一般包括读写器加天线的形式，读写器与天线通过传输线相连接，而读写器与天线之间连接的关键部分就是天线的匹配电路。

所谓匹配即信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系，输入端阻抗匹配时，传输线获得最大功率；在输出端阻抗匹配的情况下，传输线上只有向终端行进的电压波和电流波，携带的能量全部为负载所吸收。在阻抗失配的情况下，传输线上将同时存在反射波和应射波。从传输的角度来说，总是竭力避免阻抗失配现象的出现，因为反射波的出现，意味着传送到传输线终端的功率不能全部为负载所吸收。用来衡量匹配优良的参数为驻波比（VSWR），终端负载阻抗ＺL 和特性阻抗Ｚ0 越接近，反射系数R 越小，驻波比VSWR 越接近于１，匹配也就越好；相反的，阻抗匹配不好的话，VSWR远大于1。

在射频识别系统中的匹配便是指读写器与天线之间的阻抗匹配，只有读写器与天线之间的阻抗相匹配，天线才能辐射出足够多的能量，否则，读写器发射的能量不能全部通过天线辐射出去会导致设备性能下降，反射回去的能量甚至能烧坏读写器，给设备的寿命与稳定性带来非常不好的影响。

天线的匹配的基本原理是LC谐振，通过电容、电阻与天线的谐振，完成天线在读写器特定频率下的阻抗匹配，目前，由于电容的精度问题，不同的批次的电容存在容值误差，所以在匹配时都加入了可调电容进行误差补偿，即在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，使电子器件送出额定的输出功率至负载。这就叫做达到了匹配状态。然而，天线的性能参数并非是一成不变的，在不同的使用环境下天线的参数是不同的，例如天线如果靠近金属的话，其驻波比就会发生较大的变化，导致性能下降，甚至无法正常工作；另外在设备的运输途中，可调器件发生松动，也会导致驻波比偏离1较大，性能下降甚至无法正常工作。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出了一种运用程控可调电容的基于自适应匹配技术的射频识别系统及方法。

本发明可以通过以下措施达到:

一种基于自适应匹配技术的射频识别系统,设有主控MCU电路1，发射功率调节模块2，发射电路模块3，射频 切换模块4，50欧姆标准负载模块5，发射电压检测模块6，控制与信号模块7，匹配模块8，天线9，电源模块10，其中主控MCU电路1分别与发射功率调节模块2、发射电路模块3、发射电压检测模块6、电源模块10、控制与信号模块7相连接，发射电路模块3的输出端与射频切换模块4的输入端相连接，射频切换模块4的输出端与50欧姆标准负载模块5、匹配模块8的输入端相连接，匹配模块8的输出端与天线9相连接，匹配模块8的控制信号端与控制与信号模块7相连接，发射电压检测模块6的输入端与射频切换模块的信号输入端相连接，发射功率调节模块2的输出端与发射电路模块3的控制端相连接，电源模块10分别与主控MCU1、发射功率调节模块2相连接。

本发明所述电源模块10，用于为读写器工作提供电压及电流，使用DC-DC集成芯片，可以提供3.3V、5V等其他电压，为读写器的正常工作提供能量保证。

本发明所述主控MCU电路1，是读写器的控制中心，控制读写器的射频发射，控制功率调节模块的调节，控制与上位机的通信，控制射频切换模块的射频电路切换，控制天线的自适应匹配。

本发明所述发射功率调节模块2，发射功率调节是通过控制电源模块供给发射电路的电压来调节的，主要有开关电源芯片IC1型号为L5970，肖特基二极管D1，大功率电感L1与滤波电容C1组成的电源主电路，由数控电阻即数字电位器芯片IC2与R1组成电源的采样与反馈电路，与主控电路相结合，可以控制电源电路的发射电压。发射功率调节模块起到读写器发射功率调节的作用，发射功率是根据发射电压计算的，即发射功率与发射电压成正比关系，根据发射电压能计算出发射功率的值，相反的根据要求的发射功率也能计算出所要求的发射电压的值。发射功率调节模块受MCU的控制，是通过控制电源模块供给发射电路的电压来调节发射功率的。

本发明所述发射电路模块3是读写器的射频发射模块，主要作用是将小功率的调制信号进行功率放大。

本发明所述射频切换电路4的主要作用是对发射电路所发射的射频信号选择不同的负载进行切换，受MCU的控制，选择不同的射频通道。

本发明所述50欧姆标准负载模块5，是一个纯阻性负载，是一个大功率的50欧姆电阻，50欧姆的纯阻抗负载是读写器的理想负载，天线所要调到的理想参数也是50欧姆的纯阻性负载。该50欧姆标准负载为读写器提供一个基准电压，即根据接标准负载时的发射电压计算的发射功率为读写器所产生的功率。

本发明发射电压检测模块6，是由隔直电路，衰减电路，交直流转化电路与缓冲隔离电路组成，该电路采集读写器的发射信号，并通过隔直电路隔离直流信号，仅保留高频交流信号，，再经过衰减电路将高电压、高功率的的交流信号转化为较小幅值，较小功率的交流信号，在经过交直流转换电路将交流信号变成可以供单片机A/D引脚采集的直流信号。该模块的主要作用是检测接不同负载时的发射电压，该电路对发射电压进行衰减并处理成直流信号，将该信号输入到MCU的A/D进行采集，通过相应的计算得到输出电压的大小。

本发明在使用时,当使用环境的参数发生变化时，天线的参数可以进行相应的适应，使设备具有更强的环境适应性。自适应匹配技术通过反馈环节，使原本分立的读写器加天线形式，成为一个统一的整体。

本发明所述控制与信号模块7，匹配模块8，天线9共同构成了自适应匹配控制模块，匹配模块8中使用的程控可调电容受MCU1的控制，输出不同的电 容值接到匹配电路中，调节天线的匹配，控制与信号模块7即MCU与匹配模块8进行通信、反馈的途径；

其中匹配部分有串联电容C1,C7对称分布，并联电容C2,C3,C5,C6，并联电阻R1,R2,R3,R4，程控可调电容模块电路C7，程控可调电容补偿电容C4组成；并联电容C2,C3,C5,C6最终与天线（电感）谐振，主要调节谐振频率，串联电容C1,C7与并联电阻R1,R2,R3,R4共同调节天线的Q值、阻抗等参数，可调电容对参数进行补偿性调节；程控可调电容通过控制线与MCU相连接，MCU根据反馈的发射电压大小对应的调节程控可调电容的容值，进而调节实际发射电压大小，使实际发射电压大小与要求发射电压大小一致。控制程控可调电容C4的容值与程控可调电容初始化的容值相等，手动调试时采用C4进行调节，完成之后换用程控电容，上电之后程控电容初始化到C4的容值，随后进行实施案例三的调节步骤完成最终调节。

本发明还提出一种如上所述射频识别系统的自适应匹配方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：读写器上电初始化，包括初始化读写器获取默认的发射功率的值，获取默认程控电容C7的值；

步骤二：判断读写器是否是主动模式，若是被动模式，因被动模式无射频信号发射，所以不能确定发射电压大小，被动模式下等待上位机的指令，若是主动模式则先把射频信号切换到50欧姆负载端；

步骤三：负载切换到50欧姆负载端之后，检测现在的发射电压，与默认发射功率所对应的发射电压相比较，如果相差小于1V，则发射功率不用再调节，如果相差大于1V，则MCU根据发射电压控制发射功率大小，使默认发射功率与实际发射电压相差小于1V，则发射功率调节模块调节完成；

步骤四：射频信号切换到天线负载端，程控可调电容切换到默认值，默认值设为47pF，发射电压检测，该发射电压是负载为天线时的发射电压，该发射电压与默认功率所对应的发射电压相比较，如果相差小于3V，则匹配模块不用调节，如果相差大于3V，则MCU根据实际发射电压的大小来调节程控可调电容的值调节实际发射电压的大小，使默认发射功率与实际发射电压相差小于3V，反馈匹配模块调节结束。

本发明相对于现有技术具有以下优点:(1)增强设备的环境适应性，当环境发生变化引起天线的参数发生变化时，自适应匹配技术将对天线参数进行适应性调节，将天线性能自动调到该环境下最优的性能，增强了设备的环境适应性。(2)避免运输过程中由于振动导致的可调器件值发生变化，可调器件在运输过程中由于振动、搬运等因素会出现可调器件的值发生变化，进而导致天线性能参数改变，尤其是驻波比会发生较大的变化，则天线性能下降甚至无法正常使用，而运用程控可调电容器件对天线驻波比进行程控，避免了因为运输过程中由于振动导致的可调器件值发生的变化。(3)在读写器与天线之间加入了反馈环节，使原本分立的读写器与天线成为了有机整体，提升设备的智能化水平，更有利于日常的使用、维护与管理。

附图说明:

附图1是本发明的系统结构框图。

附图2是本发明中自适应匹配控制模块的电路图。

附图3是本发明中自适应匹配方法的流程图。

附图4是本发明中发射功率调节模块电路结构图。

附图5是本发明中发射电压检测模块电路结构图。

附图标记：主控MCU电路1、发射电路模块3、射切换模块4、50欧姆标准负载模块5、发射电压检测模块6、控制与信号模块7、匹配模块8、天线9、电源模块10、隔直电路11、衰减滤波电路12、交直流转换电路13、缓冲隔离电路14。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出了一种基于自适应匹配技术的射频识别系统,设有主控MCU电路1，发射功率调节模块2，发射电路模块3，射切换模块4，50欧姆标准负载模块5，发射电压检测模块6，控制与信号模块7，匹配模块8，天线9，电源模块10，其中主控MCU电路1分别与发射功率调节模块2、发射电路模块3、发射电压检测模块6、电源模块10、控制与信号模块7相连接，发射电路模块3的输出端与射频切换模块4的输入端相连接，射频切换模块4的输出端与50欧姆标准负载模块5、匹配模块8的输入端相连接，匹配模块8的输出端与天线9相连接，匹配模块8的控制信号端与控制与信号模块7相连接，发射电压检测模块6的输入端与射频切换模块的信号输入端相连接，发射功率调节模块2的输出端与发射电路模块3的控制端相连接，电源模块10分别与主控MCU1、发射功率调节模块2相连接。

本发明所述电源模块10，用于为读写器工作提供电压及电流，使用DC-DC集成芯片，可以提供3.3V、5V等其他电压，为读写器的正常工作提供能量保证。

本发明所述主控MCU电路1，是读写器的控制中心，控制读写器的射频发射，控制功率调节模块的调节，控制与上位机的通信，控制射频切换模块的射频电路切换，控制天线的自适应匹配。

本发明所述发射功率调节模块2，起到读写器发射功率调节的作用，发射功率是根据发射电压计算的，即发射功率与发射电压成正比关系，根据发射电压能计算出发射功率的值，相反的根据要求的发射功率也能计算出所要求的发射电压的值。发射功率调节模块受MCU的控制，是通过控制电源模块供给发射电路的电压来调节发射功率的。

本发明所述发射电路模块3是读写器的射频发射模块，主要作用是将小功率的调制信号进行功率放大。

本发明所述射频切换电路4的主要作用是对发射电路所发射的射频信号选择不同的负载进行切换，受MCU的控制，选择不同的射频通道。

本发明所述50欧姆标准负载模块5，是一个纯阻性负载，是一个大功率的50欧姆电阻，50欧姆的纯阻抗负载是读写器的理想负载，天线所要调到的理想参数也是50欧姆的纯阻性负载。该50欧姆标准负载为读写器提供一个基准电压，即根据接标准负载时的发射电压计算的发射功率为读写器所产生的功率。

如附图5所示，本发明发射电压检测模块6，是电压检测电路，检测接不同负载时的发射电压，设有依次串联的隔直电路11、衰减滤波电路12、交直流转换电路13、缓冲隔离电路14；该电路对发射电压进行衰减并处理成直流信号，将该信号输入到MCU的A/D进行采集，通过相应的计算得到输出电压的大小。

本发明在使用时,当使用环境的参数发生变化时，天线的参数可以进行相应的适应，使设备具有更强的环境适应性。自适应匹配技术通过反馈环节，使原本分立的读写器加天线形式，成为一个统一的整体。

本发明所述控制与信号模块7，匹配模块8，天线9共同构成了自适应匹配控制模块，匹配模块8中使用的程控可调电容受MCU1的控制，输出不同的容值接到匹配电路中，调节天线的匹配，控制与信号模块7即MCU与匹配模块8进行通信、反馈的途径；

其中匹配部分有串联电容C1,C7对称分布，并联电容C2,C3,C5,C6，并联电阻R1,R2,R3,R4，程控可调电容模块电路C7，程控可调电容补偿电容C4组成；并联电容C2,C3,C5,C6最终与天线（电感）谐振，主要调节谐振频率，串联电容C1,C7与并联电阻R1,R2,R3,R4共同调节天线的Q值、阻抗等参数，可调电容对参数进行补偿性调节；程控可调电容通过控制线与MCU相连接，MCU根据反馈的发射电压大小对应的调节程控可调电容的容值，进而调节实际发射电压大小，使实际发射电压大小与要求发射电压大小一致。控制程控可调电容C4的容值与程控可调电容初始化的容值相等，手动调试时采用C4进行调节，完成之后换用程控电容，上电之后程控电容初始化到C4的容值，随后进行调节步骤完成最终调节。

本发明还提出一种如上所述射频识别系统的自适应匹配方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：读写器上电初始化，包括初始化读写器获取默认的发射功率的值，获取默认程控电容的值，程控可调电容指下图2中的C7 。

步骤二：判断读写器是否是主动模式，若是被动模式，因被动模式无射频信号发射，所以不能确定发射电压大小，被动模式下等待上位机的指令，若是主动模式则先把射频信号切换到50欧姆负载端；

步骤三：负载切换到50欧姆负载端之后，检测现在的发射电压，与默认发射功率所对应的发射电压相比较，如果相差小于1V，则发射功率不用再调节，如果相差大于1V，则MCU根据发射电压控制发射功率大小，使默认发射功率与实际发射电压相差小于1V，则发射功率调节模块调节完成；

步骤四：射频信号切换到天线负载端，程控可调电容切换到默认值47pF，发射电压检测，该发射电压是负载为天线时的发射电压，该发射电压与默认功率所对应的发射电压相比较，如果相差小于3V，则匹配模块不用调节，如果相差大于3V，则MCU根据实际发射电压的大小来调节程控可调电容的值调节实际发射电压的大小，使默认发射功率与实际发射电压相差小于3V，反馈匹配模块调节结束。

本发明相对于现有技术具有以下优点:(1)增强设备的环境适应性，当环境发生变化引起天线的参数发生变化时，自适应匹配技术将对天线参数进行适应性调节，将天线性能自动调到该环境下最优的性能，增强了设备的环境适应性。(2)避免运输过程中由于振动导致的可调器件值发生变化，可调器件在运输过程中由于振动、搬运等因素会出现可调器件的值发生变化，进而导致天线性能参数改变，尤其是驻波比会发生较大的变化，则天线性能下降甚至无法正常使用，而运用程控可调电容器件对天线驻波比进行程控，避免了因为运输过程中由于振动导致的可调器件值发生的变化。(3)在读写器与天线之间加入了反馈环节，使原本分立的读写器与天线成为了有机整体，提升设备的智能化水平，更有利于日常的使用、维护与管理。

Claims (2)

1.一种基于自适应匹配技术的射频识别系统,其特征在于设有主控MCU电路，发射功率调节模块，发射电路模块，射频切换模块，50欧姆标准负载模块，发射电压检测模块，控制与信号模块，匹配模块，天线，电源模块，其中主控MCU电路分别与发射功率调节模块、发射电路模块、发射电压检测模块、电源模块、控制与信号模块相连接，发射电路模块的输出端与射频切换模块的输入端相连接，射频切换模块的输出端与50欧姆标准负载模块、匹配模块的输入端相连接，匹配模块的输出端与天线相连接，匹配模块的控制信号端与控制与信号模块相连接，发射电压检测模块的输入端与射频切换模块的信号输入端相连接，发射功率调节模块的输出端与发射电路模块的控制端相连接，电源模块分别与主控MCU、发射功率调节模块相连接；

所述发射功率调节模块设有开关电源芯片IC1型号为L5970，肖特基二极管D1，大功率电感L1与滤波电容C1组成的电源主电路，由数控电阻即数字电位器芯片IC2与R1组成电源的采样与反馈电路，与主控电路相结合以控制电源电路的发射电压；

所述50欧姆标准负载模块为50欧姆电阻，并将该50欧姆电阻加入到读写器中，作为读写器电路的一部分；

所述控制与信号模块，匹配模块，天线共同构成了自适应匹配控制模块，匹配模块中使用的程控可调电容受MCU1的控制，输出不同的容值接到匹配电路中，调节天线的匹配，控制与信号模块即MCU与匹配模块进行通信、反馈的途径；

其中匹配部分有串联电容C1,C7对称分布，并联电容C2,C3,C5,C6，并联电阻R1,R2,R3,R4，程控可调电容模块电路C7，程控可调电容补偿电容C4组成；并联电容C2,C3,C5,C6最终与天线谐振，主要调节谐振频率，串联电容C1,C7与并联电阻R1,R2,R3,R4共同调节天线的Q值、阻抗参数，可调电容对参数进行补偿性调节；程控可调电容通过控制线与MCU相连接，MCU根据反馈的发射电压大小对应的调节程控可调电容的容值，进而调节实际发射电压大小，使实际发射电压大小与要求发射电压大小一致，控制程控可调电容C4的容值与程控可调电容初始化的容值相，手动调试时采用C4进行调节，完成之后换用程控电容，上电之后程控电容初始化到C4的容值，随后进行调节步骤完成最终调节。

2.一种如权利要求1中所述射频识别系统的自适应匹配方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：读写器上电初始化，包括初始化读写器获取默认的发射功率的值，获取默认程控电容C7的值；

步骤二：判断读写器是否是主动模式，若是被动模式，因被动模式无射频信号发射，所以不能确定发射电压大小，被动模式下等待上位机的指令，若是主动模式则先把射频信号切换到50欧姆负载端；

步骤三：负载切换到50欧姆负载端之后，检测现在的发射电压，与默认发射功率所对应的发射电压相比较，如果相差小于1V，则发射功率不用再调节，如果相差大于1V，则MCU根据发射电压控制发射功率大小，使默认发射功率与实际发射电压相差小于1V，则发射功率调节模块调节完成；

步骤四：射频信号切换到天线负载端，程控可调电容切换到默认值，默认值设为47pF，发射电压检测，该发射电压是负载为天线时的发射电压，该发射电压与默认功率所对应的发射电压相比较，如果相差小于3V，则匹配模块不用调节，如果相差大于3V，则MCU根据实际发射电压的大小来调节程控可调电容的值调节实际发射电压的大小，使默认发射功率与实际发射电压相差小于3V，反馈匹配模块调节结束。