CN106203584A - 一种恶劣工况下rfid天线阻抗自适应调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，该方法实现主要包括以下步骤：输入信号采集、相位差测量、相位差判断、电容补偿、读写标签判断、频率补偿。输入信号采集主要采集RFID射频芯片和天线端信号，对采集到的信号进行相位差测量及判断，由电容补偿选择出满足相位差要求的电容，实现射频前端天线阻抗匹配。在相位差满足要求的情况下，读写标签仍然失败时，频率补偿通过改变射频芯片发射频率来实现射频前端天线阻抗匹配。本发明主要解决低频RFID通讯时高温、高压、泥浆介质、金属环境等恶劣工况对RFID天线阻抗的影响，在提高RFID通讯可靠性进而提高RFID通讯效率方面具有重大意义。

Description

一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法。
背景技术
RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)是一种通过无线电讯号识别目标并读取相关数据。一般的RFID系统包括RFID标签和读写器，其中RFID标签作为命令携带者，读写器作为命令读取者。低频RFID系统中读写器与标签通过电磁感应进行能量与数据的传递，低频RFID技术由于具有无线识别、防水、防磁、耐高温、使用寿命长、标签信息更改自如、成本低等优点，目前在石油开采、进出管理、工具识别、电子闭锁防盗等领域应用广泛，大大提高了工作的可靠性以及效率，不过RFID作为电磁场通信，其工作环境对RFID通讯会产生一定的影响，特别是在例如油井开采中金属管道、饱和盐水、泥浆、高温等恶劣工况下，RFID天线阻抗将发生改变，导致射频前端阻抗不匹配，对RFID通讯的影响更加巨大，大多情况会导致通讯失败，因此复杂多变环境及恶劣工况对RFID通讯的鲁棒性和环境不敏感性提出了挑战。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题，提出一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，针对不同的井下复杂环境及恶劣工况影响，自动调节射频前端阻抗，使其达到谐振状态，发射功率最大，保证RFID标签读写成功。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，RFID读写器射频前端包括RFID射频芯片、天线电感L、电容C、电阻R，其中天线电感L、电容C、电阻R组成串联RLC谐振电路，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)输入信号采集
采集RFID读写器射频前端信号，将RFID射频芯片发射的方波信号与天线端发射的正弦波信号作为输入信号；
(2)相位差测量
将两输入信号进行调理后，测量出两输入信号间的相位差；
(3)相位差判断
将测得的相位差与天线端达到谐振状态时的理想相位差做比较，并将比较结果作为电容阵列补偿大小的依据；
如果测得的相位差与理想相位差不符，则进入步骤(4)；
如果测得的相位差与理想相位差相符，则直接进入步骤(5)；
(4)电容补偿
电容C包括可变电容C变，通过可变电容C变，的调节来补偿恶劣工况造成的相位偏移，使测得的相位差与理想相位差相符，然后进入步骤(5)；
(5)读写标签判断
测得的相位差与理想相位差相符后，读写器读写RFID标签，并将读写成功与否作为是否进行频率补偿的依据；
如果读写RFID标签失败，则进入步骤(6)；
如果读写RFID标签成功，则自适应调节过程结束；
(6)频率补偿
读写器读写RFID标签失败，进入频率补偿过程，射频芯片的发射频率以步骤(1)中的发射频率为基础进行调整，直到调整至标签读写成功，自适应调节过程结束。
进一步地，步骤(2)中，调理过程是将天线端的正弦信号经过过零比较器转换成方波信号；
进一步地，所述步骤(2)中，相位差测量是将调理后的方波信号与射频芯片发射的方波信号输入FPGA中，先将两信号进行异或处理，再通过FPGA高速时钟计数来得到两个方波信号的时间差ΔT，则两信号相位差θ＝2πfΔT，其中f为射频芯片发射频率。
进一步地，所述步骤(3)中，
当测得的相位差在范围内即判定为测得的相位差与理想相位差相符，其中R总为谐振电路总阻抗，r为天线电感L的寄生电阻。
进一步地，步骤(4)中，电容C还包括基础电容C0；可变电容C变为与基础电容C0并联的电容阵列，该电容阵列包括多个并联的固定电容以及与多个固定电容一一对应串联的交流电子开关，C＝C0+C变；
步骤(4)中，FPGA根据步骤(3)的相位差比较结果来输出开关控制信号，交流电子开关控制每一个固定电容是否接入电路，其阻抗调节过程如下，
FPGA每扫描一组固定电容组合，测得的相位差就变化一次，交流电子开关全部断开时C变最小，交流电子开关全部接通时C变最大；如此从小到大改变C变电容值，从而改变电容C的大小，直到测得的相位差与理想相位差相符。
进一步地，步骤(4)中，多个固定电容的容值各不相同。
进一步地，所述步骤(6)中，射频芯片发射频率自动以步骤(1)中的发射频率为基础进行变化，直至发射频率等于射频前端固有频率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得如下有益效果：
输入信号采集主要采集RFID射频芯片和天线端信号，对采集到的信号进行相位差测量，并对相位差是否满足进行判断，电容补偿选择出满足相位差要求的电容，实现射频前端天线阻抗匹配；在相位差满足要求的情况下，读写标签仍然失败时，频率补偿通过改变射频芯片发射频率来实现射频前端天线阻抗匹配。通过以上两级自动调节机制，实现了恶劣工况下RFID天线的阻抗自适应调节，解决RFID通讯时高温、高压、泥浆介质、金属环境等恶劣工况对RFID天线阻抗的影响，在提高RFID通讯可靠性进而提高RFID通讯效率方面具有重大意义。
附图说明
图1为本发明的恶劣工况下RFID通讯自适应调节方法流程图；
图2为本发明的RFID工作原理示意图；
图3为本发明的串联RLC谐振电路原理示意图；
图4为本发明的相位测量原理图；
图5为本发明的电容阵列示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明总体的方法流程。在介绍本方法之前，首先对RFID工作原理及恶劣工况对读写器射频前端影响、串联RLC谐振电路进行简单介绍。
参见图2，RFID工作原理为读写器射频前端与电子标签射频前端间通过电磁感应原理实现数据与能量的交换与传递。RFID读写器射频前端包括射频芯片、电阻R、电容C，天线电感L，其中天线电感L、电容C、电阻R组成串联RLC谐振电路。
参见图3，电路包括电阻R、电容C、电感L，
其中电容阻抗
电感阻抗为ZL＝jωL+r，r为天线电感寄生电阻；
电路谐振理论固有频率
在理论条件下，r＝0，串联RLC电路谐振时，电路阻抗虚部为0，此时且电路中电流达到最大，电感L发射功率最大，因此，RFID通讯成功通常发生在谐振状态下。
实际上，r是存在的，故实际中的理想相位差θ0为当射频前端串联RLC电路谐振时：
其中u1为天线端信号电压，
u2为射频芯片发射信号电压，
R总为谐振电路总阻抗，
L为螺线管天线电感，
r为螺线管天线寄生电阻；
由于实际中r的值很小，当测得的相位差在范围内天线即可发射足够的功率使得读取成功，故测得的相位差在此范围内即可判定为测得的相位差与理想相位差相符。
由于天线电感L环境敏感性强，易受干扰，恶劣工况影响下，天线电感L会衰减从而引起天线阻抗发生改变，导致射频前端阻抗不匹配，实际固有频率相比于f0发生偏移。而RFID射频芯片的初始发射频率f是依据f0进行设置，故f0发生偏移会使系统处于失谐状态，天线发射功率降低，导致标签读写失败。
因此，要保证标签正常读写，就需要动态调整补偿射频前端阻抗的变化，使RFID读写器射频前端实时处于谐振状态。
在本发明的优选实施例中，RFID读写器包括主控MCU芯片(未图示)、RFID射频芯片、螺线管天线；其中主控MCU芯片用于下达指令，调节RFID射频芯片发射频率f。
下面结合附图1～4介绍本发明的具体方法及原理。
(1)输入信号采集
采集RFID读写器射频前端信号，采集RFID读写器射频前端包括RFID射频芯片和天线端，将RFID射频芯片发射的方波信号与天线端发射的正弦波信号作为输入信号；预估f0在125k附近，故初始输入时，MCU控制信号发射源的频率在8MHz，经过转换后，RFID射频芯片采用f＝125k低频段。
(2)相位差测量
先采集RFID射频芯片发射的125k方波信号以及天线电感端信号，对两信号进行相位差测量，参见图4所示的相位测量原理图，主要包括两输入信号，过零比较器，外部输入时钟，FPGA内部倍频、异或处理以及计数处理。
过零比较器将天线端输入正弦信号转化为方波信号，外部输入时钟经FPGA内部倍频后产生高频时钟；将调理后的方波信号与射频芯片发射的方波信号输入FPGA中，先将两信号进行异或处理，再通过FPGA高速时钟计数来得到两个方波信号的时间差ΔT，则两信号相位差θ＝2πfΔT，其中f为射频芯片初始发射频率。
(3)相位差判断
将测得的相位差θ＝2πfΔT与天线端达到谐振状态时的理想相位差θ0
做比较，并将比较结果作为电容阵列补偿大小的依据；
如果测得的相位差在范围内，则进入步骤(4)；
如果测得的相位差不在范围内，则直接进入步骤(5)。
(4)电容补偿
电容C包括基础电容C0、可变电容C变，可变电容C变为与基础电容C0并联的电容阵列，C＝C0+C变。该电容阵列包括7个并联的固定电容C1～C7以及与C1～C7一一对应串联的7个交流电子开关。
FPGA根据步骤(3)的相位差比较结果来输出开关控制信号，交流电子开关控制每一个固定电容是否接入电路，其阻抗调节过程如下：
FPGA每扫描一组固定电容组合，测得的相位差就变化一次，交流电子开关全部断开时C变最小，交流电子开关全部接通时C变最大；用0代表关，1代表开，C1～C7的电路接入状态控制信号就可以用二进制指定集0000000～1111111来表达，共有27＝128组值。如此从小到大进行扫描，改变C1～C7的组合方式，从而C变电容值，进而改变电容C的大小，直到测得的相位差进入的范围内，即与理想相位差θ0相符。
本实施例中选取的7个特定的不同容值的固定电容C1～C7通过组合，使得电容C的容值能以大约50pF的分辨率离散可调，分辨间隔和范围基本满足补偿因恶劣环境而产生的变化的要求。
(5)读写标签判断
测得的相位差θ与理想相位差θ0相符后，读写器读写RFID标签，并将读写成功与否作为是否进行频率补偿的依据；
如果读写RFID标签失败，则进入步骤(6)；
如果读写RFID标签成功，则自适应调节过程结束；
(6)频率补偿
由于相位差满足即表明射频前端此时固有频率f0接近射频芯片发射的f＝125kHz信号，读写器读写RFID标签失败，说明受周围恶劣环境影响，此时固有频率f0与f的差值已经影响到了RFID标签的正常读写，故需要频率补偿过程，调节f的大小以重新恢复f与f0的对应关系。MCU控制信号发射源的频率在8MHz频率周围以0.1MHz步进调整，从而使射频芯片的发射频率以步骤(1)中的f＝125k为基础，在125k周围进行步进精细调整，直到重新达到f＝f0，标签读写成功，此时自适应调节过程结束。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.通过电容补偿、频率补偿，两级自动调节机制实现射频前端天线阻抗匹配，保证天线电感实时处于最大谐振状态，拥有最大发射功率，确保RFID标签读取成功率。实现了恶劣工况下RFID天线的阻抗自适应调节，解决RFID通讯时高温、高压、泥浆介质、金属环境等恶劣工况对RFID天线阻抗的影响，在提高RFID通讯可靠性进而提高RFID通讯效率方面具有重大意义。
2.采用多个固定电容结合开关通断进行组合，响应快速高效，易于控制，精确度高，并且固定电容受环境影响小，系统稳定性高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，其特征在于，RFID读写器射频前端包括RFID射频芯片、天线端；天线端包括天线电感L、电容C、电阻R，天线电感L、电容C、电阻R组成串联RLC谐振电路，该方法包括如下步骤：
(1)输入信号采集
采集RFID读写器射频前端信号，将RFID射频芯片发射的方波信号与天线端发射的正弦波信号作为输入信号；
(2)相位差测量
将两输入信号进行调理后，测量出两输入信号间的相位差；
(3)相位差判断
将测得的相位差与天线端达到谐振状态时的理想相位差做比较，并将比较结果作为电容阵列补偿大小的依据；
如果测得的相位差与理想相位差不符，则进入步骤(4)；
如果测得的相位差与理想相位差相符，则直接进入步骤(5)；
(4)电容补偿
电容C包括可变电容C变，通过可变电容C变，的调节来补偿恶劣工况造成的相位偏移，使测得的相位差与理想相位差相符，然后进入步骤(5)；
(5)读写标签判断
测得的相位差与理想相位差相符后，读写器读写RFID标签，并将读写成功与否作为是否进行频率补偿的依据；
如果读写RFID标签失败，则进入步骤(6)；
如果读写RFID标签成功，则自适应调节过程结束；
(6)频率补偿
读写器读写RFID标签失败，进入频率补偿过程，射频芯片的发射频率 以步骤(1)中的发射频率为基础进行调整，直到调整至标签读写成功，自适应调节过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，其特征在于：步骤(2)中，调理过程是将天线端的正弦信号经过过零比较器转换成方波信号。
3.根据权利要求2所述的一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，其特征在于：所述步骤(2)中，相位差测量是将调理后的方波信号与射频芯片发射的方波信号输入FPGA中，先将两信号进行异或处理，再通过FPGA高速时钟计数来得到两个方波信号的时间差ΔT，则两信号相位差θ＝2πfΔT，其中f为射频芯片发射频率。
4.根据权利要求3所述的一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，其特征在于：所述步骤(3)中，
当测得的相位差在范围内即判定为测得的相位差与理想相位差相符，其中R总为谐振电路总阻抗，r为天线电感L的寄生电阻。
5.根据权利要求4所述的一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，其特征在于：步骤(4)中，电容C还包括基础电容C0；可变电容C变为与基础电容C0并联的电容阵列，该电容阵列包括多个并联的固定电容以及与多个固定电容一一对应串联的交流电子开关，C＝C0+C变；
步骤(4)中，FPGA根据步骤(3)的相位差比较结果来输出开关控制信号，交流电子开关控制每一个固定电容是否接入电路，其阻抗调节过程如下，
FPGA每扫描一组固定电容组合，测得的相位差就变化一次，交流电子开关全部断开时C变最小，交流电子开关全部接通时C变最大；如此从小到大改变C变电容值，从而改变电容C的大小，直到测得的相位差与理想相位差相符。
6.根据权利要求5所述的一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，其特征在于：步骤(4)中，多个固定电容的容值各不相同。
7.根据权利要求5所述的一种恶劣工况下RFID天线阻抗自适应调节方法，其特征在于，所述步骤(6)中，射频芯片发射频率自动以步骤(1)中的发射频率为基础进行变化，直至发射频率等于射频前端固有频率。
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