CN1236407C - 自动调谐扫描的邻近阅读器 - Google Patents

Abstract

用于射频识别(RFID)系统的邻近阅读器(10)使用微处理器(12)和峰值检测器(20)进行编程以用于确定和存储用于调谐电容器(22)的最佳天线阻抗，以便在振荡器(18)产生并由天线(14)辐射的多个工作频率中的每个频率实现峰值天线谐振。天线谐振在加电时达到峰值并在操作期间周期性地补偿环境失调影响。读出器(10)扫描多个频率以更有效地搜索失谐识别标记。

Description

自动调谐扫描的邻近阅读器

                    发明背景

发明领域

本发明涉及射频识别系统(RFID)的领域，并特别涉及RFID邻近阅读器的改进。

已有技术

射频识别(RFID)系统包括：无源系统和带电池的有源标记(tag)，在该无源系统中，ID标记电路由阅读器辐射的能量驱动。由于ID标记的启动需要来自阅读器的足够的RF场强，所以无源ID系统的工作范围往往较小。典型的无源邻近阅读器工作范围较小，阅读器和ID标记之间约为二英尺或更小。在邻近系统的选择中，工作范围往往是一个重要的标准，通常希望在更大一些的范围内检测ID标记，如五英尺远，以便在确定阅读器单元的位置时具有更大的灵活性，或者能以单个阅读器覆盖更大的区域。

无源ID系统中的阅读器具有RF频率发生器和调谐天线电路以建立阅读器单元附近的射频场。无源ID标记没有频率发生器，相反，它通过加载阅读器的辐射场与阅读器通信，模式是由阅读器检测并解码为ID标记数据。ID标记包括应答器(transponder)集成电路，它由源于阅读器的RF场的能量驱动。标记应答器所需的能量由在阅读器的发射频率调谐至峰值谐振的标记天线电路接收。阅读器/ID标记系统的有效工作范围部分是由阅读器辐射并由标记接收RF能量的效率来确定的。这就要求标记和阅读器二者的谐振天线电路的精确调谐。但实际上，环境因素和制造公差会使其偏离这种理想情况。

在现有的无源邻近识别系统中，无论是阅读器还是识别标记往往都在单一共用射频上操作，通常是125kHz。阅读器周围的金属和电介质材料以及温度和湿度的变化均会影响阅读器中的天线电路的调谐，从而会低于RF场的最佳辐射并使从阅读器到标记的能量传递(power transfer)减少。也就是说，对于给定灵敏度的ID标记来说，在标记应答器将由阅读器减弱的发射启动之前，必须把该标记放在离阅读器更近的位置上。标记的调谐天线电路同样受到环境因素和制造公差的影响，这二者使标记的峰值谐振偏离阅读器的工作频率而降低了标记性能。如果标记调谐是失谐(off frequency)，则邻近系统的工作范围会由于标记灵敏度降低和阅读器RF场加载的减小而被再次减小。使用高精度元件可提高标记性能，但如此精度会很贵。5％公差的部件远比1％公差的部件便宜，10％公差的部件会更便宜。由于常要使用大量的ID标记，所以希望标记的单位成本尽可能低。

为了适应邻近阅读器和ID标记的失谐漂移(off-frequencydrift)，目前的作法是在阅读器中使用低-Q天线电路。低-Q谐振回路具有更宽的频率响应，但代价是在天线电路的中心频率的灵敏度降低。更宽的响应允许阅读器只在较低的系统性能即较低的灵敏度下检测失谐标记，因此，在被检测之前，标记必须与阅读器更近。

目前对能够在更大范围内检测无源ID标记并尤其能够更可靠地检测失谐ID标记的更有效的邻近阅读器的需求不断增加。

发明概述

本发明通过提供一种改进的邻近阅读器来满足上述需要，该阅读器具有消除对阅读器天线电路调谐的环境影响的自动调谐能力和改进失谐ID标记检测的频率扫描能力。改进的阅读器可使用高-Q天线电路，以便以更高的灵敏度检测失谐标记。较宽的频带可在扫描范围比使用宽带低-Q天线电路可能要大的较高灵敏度下被扫描，从而显著地提高整个系统的性能。

根据本发明，用于射频识别系统的邻近阅读器具有：频率发生器，用于产生一个中心频率和一些边频；天线电路，被连接用于辐射中心频率和边频以询问应答器标记；与天线电路连接的微处理器，用于接收和解码应答器标记信息；天线谐振调谐电路，包括天线电路中的可选调谐阻抗和用于选择调谐阻抗值的调谐程序，以便在中心频率和边频中的每一个频率基本上优化天线电路的电抗。所选值被存储在存储器中以便由频率扫描程序参考。可选阻抗可包括一些由微处理器可寻址的二进制加权的电容，并且在用以使所选电容接入天线电路的扫描程序的控制下，阻抗值可存储为由微处理器可寻址的地址表。优选地，一旦阅读器初始加电就执行调谐程序，之后，该程序周期性地进行定期检测并补偿任何因环境因素而引起的天线电路的峰值谐振的变化。

频率扫描程序用于执行频率扫描序列，包括在边频和中心频率中的每个频率按顺序接通频率发生器以增加失谐应答器标记的询问范围。边频是在中心频率任一侧的充分包括邻近识别系统作为目标的失谐ID标记的频带上进行选择的。扫描程序还用于在微处理器一检测到来自应答器标记的响应就中断频率扫描序列并且用于在完成响应时重新开始扫描序列。

在本发明的一种形式中，频率发生器是基于微处理器内部的晶控时钟的频率合成器，并包括由调谐程序装置控制的时钟分频器以用于设置希望的中心频率和边频。在本实施例中，调谐程序和扫描程序通过微处理器的频率合成控制设置希望的工作频率。天线电路的阻抗被调节以在每个希望的工作频率获得谐振峰值，并且每个希望的频率与实现峰值谐振所需的天线阻抗值相关存储在存储器中。

在本发明的另一种形式中，天线谐振调谐电路包括：峰值检测电路，用于修改频率发生器的输出频率以获得天线电路的峰值谐振；和调谐程序，用于选择可选阻抗的值以有效地把输出频率变为希望的频率，这样，天线电路的电抗可在希望的频率得以优化。在本实施例中，微处理器和调谐程序用于测量输出频率并用于存储与希望频率相关的阻抗值。希望的频率可包括多个频率，在此情况下，调谐程序用于以对应于多个频率中的每个频率的开关地址的形式存储诸如电容值的阻抗值的表。多个频率包括阅读器的中心频率和边频。频率发生器和峰值检测器可位于微处理器之外的公用集成电路设备上。

尽管希望在一个特定的邻近阅读器中执行自动调谐和频率扫描这两个特征，但也可考虑分开执行这两个特征，因为每个特征均可单独改善阅读器单元的性能。

附图描述

图1是表示改进的阅读器的第一设计方案的框图；

图2是包括自动调谐和频率扫描序列的流程图；且

图3是表示改进的阅读器的第二设计方案的框图。

优选实施例描述

参考附图，图1是根据本发明第一实施例改进的邻近阅读器的示意框图。一般由数字10表示的阅读器包括：数字处理器12；天线线圈14；主调谐电容器16，与天线线圈并联形成谐振天线电路；包括天线振荡器18和峰值检测电路20的频率发生器。射频是由处理器12通过分割处理器的晶控时钟频率如1MHz而合成的。该合成频率输出经频率控制线24连接，以用于驱动作为缓冲器操作的驱动振荡器18。振荡器18的输出驱动天线振荡回路。峰值检测器20包括模-数转换器，该转换器把天线电路中的峰值RF电压转换为处理器12的数字输入26。RF输出频率通过处理器12中运行的软件来确定并可根据需要在软件的控制下偏移。

电容阶梯(ladder)22包括四个辅助电容器C1-C4。每个电容器通过处理器12可分别寻址的相应开关S1-S4并联加入主调谐电容器16中。电容器C1-C4的值被二进制加权，如以1，2，4，8的比例，这样，通过闭合适当组合的开关S1-S4，则可把以等于Cx的增量可选的辅助电容值0到15Cx的总共十六个不同电容值并联加入谐振天线电路中。

处理器12在包括图2的流程图所示的自动调谐或调谐程序和频率扫描程序的所存程序指令的控制下运行。自动调谐程序在加电时运行并包括初级校准程序，利用该程序，谐振天线电路在阅读器的希望的主工作频率被调谐至峰值谐振。在本序列中，天线电路在希望的工作RF频率如125kHz被调谐至谐振。

这是一个连续的逼近处理，其中电容被调节以在当前频率如125kHz获得谐振峰值。天线线圈和主调谐电容器的初始值被选择，以便在开关S1-S4断开的电路原始情况下天线振荡回路的峰值谐振频率是上面的希望工作频率。通过在振荡回路中增加并联电容，峰值谐振频率被变换为希望的频率。这是通过下面的步骤实现的，即以一系列迭代的形式，在处理器12的软件控制下闭合适当组合的开关S1-S4，增加电容量，直至在希望的频率检测到RF电压峰值为止。

谐振峰值通过软件监视峰值检测电路20的A/D转换器的数字输出来检测。该峰值可通过测量在电容下降之前逐渐增加时的增加RF电压来检测。当检测到下降时，在下降之前的最后一阶增加的电容量被减去，实际上就返回了一阶，从而使天线电路恢复到峰值电压。天线电路现在则被校准以在主或中心频率谐振，从而使在希望频率的阅读器的RF场强最大。

本发明的第二方案试图补偿由阅读器10检测的ID标记的频率响应的不准确性。如前所述，ID标记具有谐振天线电路，为了最佳的系统性能，它应当在阅读器单元的工作频率进行峰值谐振。ID标记的失谐操作可由瞬时环境影响如温度变化或接近金属物体而临时产生，或者是由制造ID标记时使用的元件公差产生的永久后果。失谐标记通常在略微偏离系统的希望工作频率的频率达到峰值，并且通常仍可由在希望工作频率运行的邻近阅读器检测。但是，由于标记的天线电路在不是阅读器发射频率的频率谐振，所以可读出这些标记的检测范围减小。这就要求在达到足够的RF场强以启动标记应答器之前把标记放得与阅读器天线更近一些。

为了解决此问题，存储了一种由处理器12运行的频率扫描程序。扫描特征的实施方案需要选择一些边频，这些边频通常以一定的间隔位于阅读器的中心工作频率的上面和下面。边频被选择以覆盖将包括失谐ID标记的可能峰值频率的足够的频带。标记总体的峰值频率通常遵循钟形统计分布曲线。大多数标记将在它们希望的工作频率附近结组，而不断减少的标记将不断远离此频率。因此，对于125kHz的标准中心频率而言，可在中心频率之下选择121kHz和123kHz的边频以及中心频率之上的127kHz和129kHz的边频，以用于8kHz的扫描频带。被调谐至略低于121kHz和高于129kHz的标记也可利用减小的灵敏度读出，但更好的灵敏度应当是以125kHz的单频操作的传统邻近阅读器的情况下的灵敏度。这些频率仅仅是作为例子给出，也可以选择不同的频率和更多或更少的边频。

通过使用低-Q天线电路，阅读器可在多个频率操作，而不必进行阅读器天线电路的调谐的相应调节。此实施方案在检测失谐标记时仍然比传统单频阅读器有优势，因为扫描处理在多个频率搜索标记以找出每个特定标记的最佳响应频率。尽管如此，这个实施方案还是会在偏离天线电路的峰值谐振频率的这些频率中的一些频率产生低于最佳RF发射的场强。为了克服这个问题，自动调谐序列被扩展为包括：确定使天线电路在每个要扫描的频率即中心频率和边频进行峰值谐振所需的辅助电容值。为此，这些频率被存储为自动调谐程序指令的一部分，并且自动调谐序列针对每个频率而执行。在中心频率和边频的整个调谐过程的结果是匹配每个频率的电容值的数据表。此表存储在处理器的存储器中并由扫描程序寻址以在扫描序列期间保持天线谐振。

频率扫描序列涉及在中心频率和所选边频中的每个频率按顺序询问标记，而不是在单个阅读器工作频率进行传统的询问。扫描在每个频率执行。执行每次扫描的步骤是：通过所存的数据表，合成特定频率并闭合相应的开关组合，等待一个用以稳定的简短频率周期并收听ID标记的响应。如果在适当的收听窗口内标记响应由处理器12确认，则扫描序列被停止，直到完成标记响应为止。如果在预置的时间间隔之后处理器12没有接收和解码有效的信号，则可认为完成了标记响应。如果在分配的收听窗口内未接收到有效的标记响应，或在完成有效的标记响应之后，另一个扫描在存储的数据表上的下一个频率执行。在阅读器10的正常操作期间，在表中的所有边频和中心频率间循环连续运行连续的扫描，而只会被天线电路的周期性重调打断。

在本发明的优选形式中，中心频率天线校准序列在阅读器的操作期间被周期性重复，如每十秒钟，以便补偿可能会影响阅读器天线电路调谐的阅读器的环境变化。在重新校准期间，在上次校准期间所需的辅助电容值与当前校准所需的辅助电容进行比较。如果这些值相等，则可以断定没有出现影响天线调谐的环境变化，并在此时结束重新校准序列。另一方面，如果发现辅助电容值已改变，则重新校准序列继续，以再次调谐要扫描的每个边频的峰值天线谐振。

重新校准序列由处理器12在非常短的时间如10毫秒内执行，并且通常不会干扰ID标记检测，这是因为标记存在于阅读器的邻近场中的时间通常远比校准时间要长。结果，尽管阅读器的环境发生变化，包括诸如人或车辆在阅读器附近经过的只有几秒的短期变化以及诸如天气变化的长期变化，但在希望的工作频率的阅读器的辐射信号强度基本上被最大化。

在执行频率扫描序列期间，只需启动开关S1-S4而按顺序把每个存储的电容值接入天线电路中并设置适当的输出频率就可以实现频率扫描。相应输出频率的设置非常快并且不会在扫描序列中引入明显的延迟。通常，每个频率被扫描约5-10毫秒。所有被选频率的整个频率扫描循环在远少于ID标记在邻近阅读器的检测场中的典型存在时间的时间周期内完成，这样一般不会由于扫描处理而丢失ID标记的读出。

在图1的实施例中，数字处理器12被要求合成阅读器的输出频率，以执行峰值检测，并执行与以传统方式编码阅读器输出相关的其它所有数据处理，以用于询问ID标记并通过标记响应解码数据。由于较重的处理负载，所以选择高性能的微处理器作为处理器12。目前优选的器件是AT90S4414 RISK处理器。

图3是本发明第二实施例的框图。阅读器30利用商用集成电路TEMEC U2270。此IC组合射频振荡器和峰值检测电路，并自动将其输出频率调节至天线电路的峰值谐振频率。在此没有对频率输出的外部控制，为此，频率发生器和峰值检测器在图3中所示为单个块32。IC32具有被连接用于驱动天线电路的RF频率输出34和也与天线电路连接以用于测量天线振荡回路中的RF信号的振幅的RF电压检测输入36。IC32还具有与数字处理器40的定时器连接的频率反馈线38，以用于通过确定输出波形边沿与边沿之间的时间来测量IC32的输出频率。

在邻近阅读器中传统上使用IC32，特别是使用TEMEC U2270器件，但在传统阅读器中，输出频率最初由制造商通过调节可变天线线圈或电容器来设置，以匹配ID标记被调谐到的频率。但在之后，阅读器易受环境的影响，环境影响可使其偏离其原始频率设置。例如，如果阅读器安装在非常大的金属块附近，则天线电路的谐振频率会变化。这将使IC32偏离其输出频率以匹配天线电路的新谐振频率，并且传统的阅读器继续在偏离ID标记频率的这个新频率上操作。其结果就是明显降低阅读器的灵敏度并使系统性能下降。

而在图3的新阅读器30中，处理器40保持了对IC电路32的输出频率的积极控制。这是通过下面的步骤实现的：即如上所述测量输出频率，并通过控制天线电路的峰值谐振频率迫使IC32调节其输出频率。这最后一个目标是通过启动电容阶梯22的开关S1-S4把适当的辅助并联电容加到天线电路中而实现的。与第一所述实施例的情况一样，天线电路最初被设置为在较高的频率谐振并且辅助电容通过闭合适当的开关S1-S4来添加，直到天线电路的峰值响应移动到希望的频率为止。这将由处理器40通过测量将遵循天线电路的峰值谐振频率的IC32的频率输出来检测。也就是说，IC32的输出频率通过偏移天线电路的谐振频率而间接控制。

在本发明的这个第二实施例中，天线峰值谐振和输出频率均只需利用开关S1-S4选择相应的辅助电容值就能被设置为希望的频率。因此，阅读器30通过闭合适当组合的这些开关可被完全调谐至特定的频率。阅读器30的初级校准涉及找出将使IC32输出阅读器的希望工作频率的辅助电容值，这将在处理器40适当的程序设计的控制下进行。类似地，可针对一些要被扫描的附加边频校准阅读器，以搜索失谐的ID标记。边频校准类似于中心频率校准。以开关地址形式对应于这些频率中的每个频率的辅助电容值被存储在由扫描程序存取的表中，该程序的目的与结合第一实施例所述的频率扫描程序的目的相同。除了只需根据存储的表设置开关S1-S4就能够设置频率并且不必存储其它频率数据之外，此第二实施例中的频率扫描程序基本上与结合上述第一实施例所述的程序相同。

在此实施例中，大部分RF频率发生和处理是由IC32执行的，从而允许选择较低功率的微处理器设备用作处理器40。目前优选的微处理器是ATMEL 89C55设备，它是8051微处理器的变体。同一设备的其它密切相关的变体可从其它几个半导体制造商处获得。

在两个所述实施例之任一实施例中的天线电路自动调谐和频率扫描程序的详细实施方案可有明显的不同，同时仍然能够实现上述目的。在此不需要详细的程序信息或列表，因为这种程序设计不会超出掌握和熟悉在现有邻近阅读器系统中使用的微处理器的传统程序设计人员所拥有的普通技术的范围。

所述和所示的本发明特定实施例只是为了便于理解和作为实例的目的。在不背离下面的权利要求所定义的本发明范围的情况下，本专业技术人员将会理解所述实施例的许多变化、替代和改进。

Claims (17)

1.一种用于射频识别系统的邻近阅读器，其中识别标记具有应答器电路，该电路由阅读器在标记的谐振频率的射频发射来驱动以引起编码响应，该阅读器具有：频率发生装置，用于产生一个中心频率和多个彼此隔开且与所述中心频率分开的离散边频；天线电路，被连接用于以一个序列辐射所述中心频率和所述边频中的每个频率以询问应答器标记；以及与所述天线电路连接的微处理器，用于接收和解码通过在所述中心频率和所述边频中的任意一个单个频率下加载由所述天线电路辐射的射频场而传送的应答器标记信息；天线谐振调谐装置，包括所述天线电路中的可选阻抗和与所述序列同步操作的调谐程序装置，用于选择对应于所述中心频率和所述离散频率的每个频率的所述阻抗的离散值以在所述中心频率和所述边频中的每个频率优化所述天线电路的最大辐射信号的电抗，从而尽可能增加发射器的工作范围并用于存储由所述调谐程序装置参考的所述值，其中所述天线谐振调谐装置包括峰值检测电路，被连接用于测量所述天线电路两端的射频电压并向所述微处理器提供峰值检测输出，并且所述微处理器用于修改所述发生器的输出频率以获得天线电路的峰值谐振，并且所述调谐程序装置用于选择所述阻抗的值以有效地把所述输出频率变为希望的频率，这样，所述天线电路的电抗可在所述希望的频率得以优化。

2.根据权利要求1的读出器，其中所述可选阻抗是可由所述微处理器寻址的多个电容，并且所述阻抗值被存储为表示所述电容的地址的表。

3.根据权利要求2的读出器，其中所述电容被二进制加权。

4.根据权利要求1的读出器，其中一旦读出器初始加电就执行所述调谐程序装置以补偿环境对天线电路谐振的影响。

5.根据权利要求4的读出器，其中所述调谐程序装置在读出器的操作期间以周期性间隔来执行，以使天线电路的电抗被重调以补偿在读出器操作期间环境变化对天线电路的谐振的影响。

6.根据权利要求1的读出器，还包括扫描程序装置，用于执行扫描序列，包括通过所述边频和中心频率中的每个频率按顺序切换所述频率发生器，从而改善失谐应答器标记的询问范围。

7.根据权利要求6的读出器，其中所述扫描程序装置还用于在所述微处理器一检测到来自应答器标记的响应就中断所述扫描序列并用于在完成所述响应时重新开始所述扫描序列。

8.根据权利要求1的读出器，其中所述微处理器和所述调谐程序装置用于测量所述输出频率并用于存储与所述希望频率相关的所述阻抗值。

9.根据权利要求8的读出器，其中所述希望的频率包括多个隔开的离散频率，并且所述调谐程序装置用于存储与所述多个离散频率对应的阻抗值的表。

10.根据权利要求9的读出器，其中所述多个频率包括所述中心频率和所述边频。

11.根据权利要求1的读出器，其中所述频率发生器在所述微处理器之外并包括共用集成电路设备上的所述峰值检测电路。

12.根据权利要求1的读出器，其中所述频率发生器在所述微处理器内部并包括晶控时钟和由所述调谐程序装置控制的时钟分频器，以用于设置所述中心频率和所述边频。

13.一种用于射频识别系统的邻近阅读器，该阅读器具有：频率发生装置，用于产生输出频率；天线电路，被连接用于在所述输出频率辐射射频场，其时间周期要足以接收和解码通过在所述输出频率下加载所述射频场而传送的应答器标记的编码响应；与所述天线电路连接的微处理器，用于接收和解码应答器标记信息；扫描程序装置，用于通过彼此分开的多个离散频率按顺序切换所述输出频率，并在所述每个离散频率等待一个预定的收听时间，以便足以在所述离散频率中的所述每个频率接收和确认应答器标记响应，从而改善用于较宽松的频差容限的应答器标记的询问。

14.根据权利要求13的邻近读出器，还包括天线谐振调谐装置，该装置包括所述天线电路中的可选阻抗和用于在所述多个频率中的每个频率选择和存储所述阻抗的值的调谐程序装置，和用于在所述输出频率中的一个相应频率把每个所选阻抗值连接到所述天线电路的装置，从而在所述离散频率中的每个频率优化所述天线电路的电抗并尽可能增加发射器的工作范围。

15.一种用于射频识别系统的邻近阅读器，该阅读器具有：频率发生装置，用于产生一个中心频率和多个彼此隔开的离散边频；天线电路，被连接用于辐射所述中心频率和所述边频以询问应答器标记；与所述天线电路连接的微处理器，用于接收和解码应答器标记信息；在所述天线电路中的可寻址可变调谐电容和调谐程序装置，用于寻址所述调谐电容并电连接至所述天线以检测所述天线电路中的所述电容的不同电容值的射频信号振幅，建立表示电容值的地址的表，以在所述中心频率和离散边频中的每个频率产生最佳信号振幅，峰值检测电路，被连接用于测量所述天线电路两端的射频电压并向所述微处理器提供峰值检测输出，并且所述微处理器用于修改所述发生器的输出频率以获得天线电路的峰值谐振，并且其中所述调谐程序装置用于选择所述调谐电容的值以有效地把所述输出频率变为中心频率和边频之一以便所述天线电路的电抗可在所述频率得以优化，从而优化读出器的工作范围。

16.根据权利要求15的读出器，其中所述微处理器和所述调谐程序装置用于确定所述输出频率的定时周期以测量输出频率，并用于存储与等于中心频率和边频中的每个频率的输出频率相关的所述调谐电容的值的表。

17.根据权利要求15的读出器，还包括扫描程序装置，用于执行扫描序列，包括通过所述边频和所述中心频率中的每个频率按顺序切换所述频率发生器，从而改善失谐应答器标记的询问范围。

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