CN108830120A - Rfid阅读器工作频率快速自适应调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，并公开了RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，RFID阅读器包括阅读器本体和射频天线；射频天线包括射频天线电阻R、电感L、电容C，该方法包括如下步骤：1)锁相环电路频率输出；2)射频天线工作；3)求相位差波形；4)相位差波形量化；5)电压反馈调节。本发明通过硬件反馈调节方法实现RFID工作频率根据环境变化快速自动调整到与射频天线谐振频率相同，相比软件调节方法响应速度加快，能更快速地应对快速动态变化的环境干扰，实现工作频率自适应调节。

Description

RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及RFID工作频率快速自适应调节方法。

背景技术

“无线射频识别技术”一般简称为RFID，是一种通过无线电讯号识别目标并读取相关数据的通讯手段。RFID技术运用场合千变万化，工作环境对RFID通讯影响较大，例如：石油开采的管道、地下盾构施工、工业生产线这些工作环境中，流动工作介质、金属干扰(如：泥浆、盾构机、钻井设备等)等成为影响RFID通讯的主要因素。环境干扰使RFID系统(其包括阅读器本体、射频天线和RFID标签)的射频天线阻抗发生改变导致射频天线谐振频率偏移原工作频率，RFID系统工作在非谐振区，射频天线发射功率降低，通讯效率大打折扣，甚至会导致通讯失败。此外，动态变化的环境因素(如：泥浆流动、盾构机旋转、钻头下探等)会导致射频天线谐振频率快速变化，如果RFID通讯设备不能及时响应频率变化，会导致稳定性下降，影响正常通讯。因此提出一种能克服环境动态干扰，快速自适应调节RFID工作频率的方法非常有意义。

现有的频率自适应方案主要是通过软件编程实现，采用高频芯片捕捉射频天线信号后通过软件进行一系列计算处理得到谐振频率，再通过软件调节射频芯片输出频率从而实现工作频率的调整。该方法信号处理和频率补偿操作都是由软件实现，存在软件处理时间，响应速度收到限制，在遇到快速动态变化的环境干扰时难以满足使用要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，通过硬件电路，自适应反馈调节射频天线的工作频率，使工作频率和动态变化的谐振频率始终保持一致，保证系统始终工作在谐振状态，射频天线发射功率最大，从而达到最佳通讯效果。

为实现上述目的，按照本发明，提供了RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，以用于克服环境干扰，所述RFID阅读器包括阅读器本体及与阅读器本体电连接的射频天线；所述阅读器本体包括锁相环电路，所述射频天线包括依次串联的电阻R、电感L和电容C，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)锁相环电路频率输出：利用锁相环电路输出频率与射频天线的谐振频率相同的方波信号，该方波信号作为初始频率信号输入到射频天线的两端；

2)射频天线工作：射频天线收到上述初始频率信号后，电感L两端产生同频率的正弦信号，该正弦信号与步骤1)的方波信号存在相位差，并且该正弦信号激起交变的磁场从而实现射频；

3)求相位差波形：通过相位求差电路得到方波信号与正弦信号的相位差波形；

4)相位差波形量化：通过均值滤波电路将相位差波形量化成模拟电压；

5)电压反馈调节：模拟电压作为反馈量输入锁相环电路，锁相环电路根据模拟电压的电压值调整输出的方波信号的频率，从而使锁相环电路、射频天线、相位求差电路和均值滤波电路共同形成一个电压-频率闭环反馈调节系统，进而实现RFID阅读器工作频率的反馈调节。

优选地，步骤1)中，锁相环电路初始输出的方波信号的频率与射频天线不受干扰时的谐振频率相同，该初始输出的方波信号的频率通过调整锁相环电路中振荡电容值和振荡电阻改变。

优选地，步骤2)中，射频天线达到谐振状态时该相位差为90度，当有环境因素影响，射频天线不能完全谐振，该相位差会偏离90度。

优选地，步骤3)中，所述相位求差电路包括过零比较电路和异或运算电路，电感两端的正弦信号经所述过零比较电路转换成同频率同相位的正半周期方波，再将该正半周期方波信号和锁相环电路输出的方波信号通过异或运算电路进行异或运算，从而得到相位差波形。

优选地，步骤4)中，模拟电压的反馈值U与相位求差电路的工作电压值VCC有关，当射频天线谐振状态时相位差为90度时，U＝0.5VCC，而且相位差在0度到180度之间时，模拟电压的反馈值U与相位差呈正比。

优选地，步骤5)中，当模拟电压的反馈值U<0.5VCC时，锁相环电路自动提高方波信号的频率；当模拟电压的反馈值U>0.5VCC时，锁相环电路自动降低方波信号的频率，以此方式，形成电压-相位的反馈调节机制，最终锁相环电路输出的方波信号的频率达到与射频天线的谐振频率相同的频率。

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，能够取得下列有益效果：

1)本发明通过硬件锁相环电路输出方波信号驱动射频天线工作，硬件电路处理得到方波信号和射频天线电感两端波形的相位差波形，相位差波形经均值滤波量化成模拟电压，模拟电压作为反馈值输入锁相环芯片，锁相环芯片根据电压值调整输出信号频率，以上过程形成一个闭环反馈调节回路，最终使工作频率与射频天线谐振频率保持相同，实现了在有环境干扰情况下RFID工作频率快速自适应调节，解决了流动工作介质、工作的金属设备等环境动态干扰对RFID谐振频率的影响。

2)本发明对信号处理和频率自适应调节全部采用硬件逻辑电路实现，没有软件处理环节，省去了软件处理时间，响应速度加快，能更快速地应对快速动态变化的环境干扰，实现工作频率自适应调节。此外，由于不需要用到高频芯片和软件编程，本方案还有成本低廉、简单易用的优点。综上，本发明在提高RFID通讯可靠性、工作效率、降低成本、易用性方面具有重大意义。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为低频的RFID系统工作原理图；

图3为本发明的串联RLC射频天线原理图；

图4为本发明串联RLC射频天线的阻抗三角形图；

图5为本发明的求相位差波形流程图；

图6为本发明的求相位差波形及量化原理图。

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，首先对低频的RFID系统(其包括阅读器本体、射频天线和RFID标签)工作原理、串联RLC射频天线电路谐振原理、环境干扰对RFID通讯的影响以及原理进行简单介绍。

低频的RFID系统采用电感耦合方式工作，如图2，阅读器射频天线将射频信号以无线电波的方式发射到空中，该电磁波可以被标签端带有的射频天线捕获，空间交变磁场在导线内产生电流变化从而产生感应电动势，该电动势的一部分用于驱动标签中的微功耗芯片工作。标签芯片开始工作后会对接收到的命令进行处理，再将自身携带的标签数据通过标签上的射频天线耦合到阅读器射频天线上实现数据的传输。阅读器实时采样自身射频天线上的信号，将得到的采样信号经逻辑电路解调后即可获得标签信息。

如图3，射频天线的基本原理是串联RLC电路，由电阻R、电感L、电容C串联构成，要实现的功能是将输入的方波ui转化成射频天线L上的正弦信号uo，通过该正弦信号激起空中交变的磁场从而达到射频的目的，串联RLC电路中各参数如下：

容抗X_C为：

感抗X_L为：

X_L＝2πfL (2)

阻抗Z为：

Z＝R+j(X_L-X_C)＝R+jX (3)

公式(1)和(2)中f为串联RLC电路中电流频率；公式(3)中j是计算电抗添加的复数单位，X为串联RLC电路的电抗，且有X＝X_L-X_C。Z、R、X三者矢量关系如图4，图4中表示该RLC电路的阻抗角，阻抗角公式为：

当感抗X_L大于容抗X_C时，大于0时电路显电感性；当感抗X_L小于容抗X_C时，小于0,电路显电容性；当感抗X_L等于容抗X_C时，电路中阻抗即不显容性也不显感性，只显示纯电阻性，此时阻抗Z＝R，阻抗角电流I＝I(max)即X_L＝X_C，射频天线工作在完全谐振的状态，此时阻抗值最小，射频天线上工作电流最大，产生的射频信号强度也最强，此时射频天线的谐振频率f₀为：

一般情况下环境干扰对RFID系统的影响集中在射频天线的电阻R、电感L、电容C这三个参数上。在实际应用中，射频天线的电阻R和电容C都采用的是贴片元件焊接在电路板上，环境对其影响很小，而射频天线电感L产生的交变的磁场会受环境中流动介质或是金属的影响，影响效果等效于原RFID系统在没有环境干扰的情况下，射频天线等效电感值L发生改变。

当射频天线受环境干扰时，射频天线的中的感抗X_L发生较大变化，导致X_C≠X_L，最终的结果是阻抗角电流I≠I(max)，射频天线谐振频率发生改变，新的谐振频率f'₀可以由公式(5)得到：

式中f'₀和L'分别为受到环境因素影响后新的谐振频率和新的等效电感值，如果射频天线的工作频率保持不变，即等于原来的谐振频率f₀，则RIFD系统工作在非谐振状态，射频天线的阻抗增大，射频天线上工作电流减小，产生的射频信号强度变弱，导致无法正常通讯。因此，要保证RFID正常进行，就需要动态调节射频天线工作频率，使工作频率与变化的谐振频率保持一致，这样RIFD系统工作在谐振状态，射频天线发射功率最大。

图1中，本发明的RFID频率自适应调节流程包括锁相环电路、射频天线驱动电路(未图示)、串联RLC射频天线、相位求差电路、相位差量化电路：其中，由于锁相环电路输出方波信号带负载能力较弱，该信号不适合驱动功率较大的射频天线，保险起见采用由4个mosfet组成的驱动电路将锁相环芯片输出的方波信号转化为同频率且能带负载的功率信号，由于该部分不属于该发明的核心内容，所以未在流程图中展示。下面结合附图介绍本发明的具体方法及原理。

(1)锁相环电路频率输出

RFID阅读器上电以后，锁相环电路在没有反馈电压的情况下会输出初始频率的方波，初始频率值由电路中的振荡电容值和振荡电阻值确定，(初始输出频率和频率调节范围设置方法参考锁相环芯片手册)为符合低频RFID通讯协议标准，一般调整初始频率为标准125KHz。该方波信号输入到射频天线驱动电路，驱动电路将方波信号转化为同频率且能带负载的功率信号输入到射频天线中；

(2)射频天线工作

射频天线受方波信号驱动，电感L两端产生与方波同频率的正弦信号，正弦信号激起空中交变的磁场从而实现射频。由于射频天线是由电阻R、电感L、电容C串联构成，对流经电路的电流存在阻抗，所以射频天线上的正弦信号相位滞后于方波信号，滞后相位的大小由串联RLC电路的阻抗参数决定，RFID系统工作在谐振状态时，容抗和感抗抵消，电路中只显示电阻性，相位差为90度，此时阻抗最小，流经射频天线的电流最大，射频信号强度最佳，通讯效果最好。

当存在环境干扰时，电感等效值发生改变，由公式(6)：

可知，射频天线谐振频率f₀随等效电感值L改变而改变，所以为了重新达到谐振状态，就必须调整工作频率和动态变化的谐振频率f'₀相等。

(3)求相位差波形

方波信号和射频天线电感两端正弦信号存在相位差，为了能高效快速得到两波形相位差信息，本发明采用硬件逻辑电路实现，处理流程参考图5，方波信号是指由锁相环芯片输出的方波，射频天线信号是指射频天线电感L两端的正弦波，射频天线信号输入过零比较电路，得到同频率、同相位的正半周期方波信号，正半周期方波信号和方波信号在逻辑电路中进行异或处理，两波形相位相同时异或电路输出为低电平，相位不同时异或电路输出为高电平，从而得到两波形的相位差波形。

(4)相位差波形量化

相位差波形通过均值滤波电路可以将相位差量化成模拟电压量。相位求差和量化的波形变可参考图6，由上至下第一个波形是锁相环输出的方波信号的波形，第二个波形是射频天线电感L两端的正弦波的波形，正弦波由过零比较得到第三个波形：与正弦波同频同相位的正半周期方波，方波信号与正半周期方波进行异或运算得到第四个波形即相位差波形，相位差波形通过均值滤波得到一个直流量，该直流量的电压大小就可以反映出相位差的大小。

射频天线处于谐振状态时，两信号相位差为90度，相位差波形为占峰比50％的方波，相位差量化得到的电压值为0.5VCC。若射频天线受环境影响，射频天线等效电感值减小，则谐振频率增加，阻抗角增大，方波信号和射频天线电感端信号相位差增加，最终会导致相位差量化电压值增大；同理，受环境影响等效电感值减小，则谐振频率减小，最终会使量化电压值减小。综上，量化电压值的大小随谐振频率变化同增同减。

(5)电压反馈调节

模拟电压作为反馈量输入锁相环电路，锁相环电路根据电压值大小调整输出方波的频率。射频天线谐振时，反馈值为2.5V，锁相环电路输出频率保持不变；若射频天线受环境干扰，反馈值高于2.5V，锁相环电路根据电压值增加输出方波频率，瞬时阻抗角可视为不变，方波信号和射频天线电感端信号相位差减小，反馈值减小(仍然高于2.5V)，减小后的反馈值重新输入锁相环电路，锁相环电路重新调节输出信号频率，经过多次反馈调节循环后，锁相环电路输出方波信号的频率(即射频天线工作的频率)和反馈电压会趋于稳定，最终工作频率重新和射频天线谐振频率相等，射频天线再次工作在谐振状态；若受环境干扰，电压值低于2.5V，电压反馈调节过程同理。

本发明提供RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，在有环境干扰，射频天线谐振频率偏离原工作频率的情况下，通过硬件电路实现电压-频率反馈调节机制，保证射频天线工作频率始终与谐振频率相同，即始终工作在谐振状态，发射功率最大，提高RFID标签读取成功率，实现受流动介质、金属设备等环境动态干扰后RFID工作频率能快速自适应调节，具有自适应响应速度快、成本低、简单易用的优点，在提高RFID通讯可靠性进而提高通讯效率方面具有重大意义。

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 (6)

1.RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，以用于克服环境干扰，所述RFID阅读器包括阅读器本体及与阅读器本体电连接的射频天线；所述阅读器本体包括锁相环电路，所述射频天线包括依次串联的电阻R、电感L和电容C，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)锁相环电路频率输出：利用锁相环电路输出频率与射频天线的谐振频率相同的方波信号，该方波信号作为初始频率信号输入到射频天线的两端；

2)射频天线工作：射频天线收到上述初始频率信号后，电感L两端产生同频率的正弦信号，该正弦信号与步骤1)的方波信号存在相位差，并且该正弦信号激起交变的磁场从而实现射频；

3)求相位差波形：通过相位求差电路得到方波信号与正弦信号的相位差波形；

4)相位差波形量化：通过均值滤波电路将相位差波形量化成模拟电压；

5)电压反馈调节：模拟电压作为反馈量输入锁相环电路，锁相环电路根据模拟电压的电压值调整输出的方波信号的频率，从而使锁相环电路、射频天线、相位求差电路和均值滤波电路共同形成一个电压-频率闭环反馈调节系统，进而实现RFID阅读器工作频率的反馈调节。

2.根据权利要求1所述的RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，其特征在于，步骤1)中，锁相环电路初始输出的方波信号的频率与射频天线不受干扰时的谐振频率相同，该初始输出的方波信号的频率通过调整锁相环电路中振荡电容值和振荡电阻改变。

3.根据权利要求1所述的RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，其特征在于，步骤2)中，射频天线达到谐振状态时该相位差为90度，当有环境因素影响，射频天线不能完全谐振，该相位差会偏离90度。

4.根据权利要求1所述的RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，其特征在于，步骤3)中，所述相位求差电路包括过零比较电路和异或运算电路，电感两端的正弦信号经所述过零比较电路转换成同频率同相位的正半周期方波，再将该正半周期方波信号和锁相环电路输出的方波信号通过异或运算电路进行异或运算，从而得到相位差波形。

5.根据权利要求1所述的RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，其特征在于，步骤4)中，模拟电压的反馈值U与相位求差电路的工作电压值VCC有关，当射频天线谐振状态时相位差为90度时，U＝0.5VCC，而且相位差在0度到180度之间时，模拟电压的反馈值U与相位差呈正比。

6.根据权利要求5所述的RFID阅读器工作频率快速自适应调节方法，其特征在于，步骤5)中，当模拟电压的反馈值U<0.5VCC时，锁相环电路自动提高方波信号的频率；当模拟电压的反馈值U>0.5VCC时，锁相环电路自动降低方波信号的频率，以此方式，形成电压-相位的反馈调节机制，最终锁相环电路输出的方波信号的频率达到与射频天线的谐振频率相同的频率。