CN203933550U - 用于rfid有源射频识别系统中的自动调谐激励器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，包括自动调谐模块和地感线圈，自动调谐模块包括单片机、推挽式低频功放电路、推挽式低频功放电源输入控制电路、信号采样电路和自动调谐电容匹配电路；所述单片机上的PWM端口通过推挽式低频功放电路与信号采样电路连通，所述信号采样电路与所述单片机上的A/D端口连通，所述单片机上的IO端口与所述自动调谐电容匹配电路连通，所述推挽式低频功放电源输入控制电路与所述推挽式低频功放电路电连接，本实用新型的有益效果为：通过将原有的磁棒天线替换为地感线圈从而达到辐射距离远等效果，通过自动调谐克服了采用地感线圈在绕制过程中由于环境因素等影响导致电感值变化影响谐振频率的不足。

Description

用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器

技术领域

本实用新型涉及源射频识别系统领域，具体涉及一种用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器。

背景技术

125kHz低频激励器，为激励式RFID有源射频识别系统的重要组成部件，发射125KHz激励信号来激活处于休眠状态的激励标签，它具有激励区域调整功能，可实现激励区域分区控制和无缝覆盖。通过由有源RFID读写器、低频激励器和激励标签构成的激励式射频识别系统，可实现区域定位。

基于RFID有源射频识别系统中，目前市场上的125kHz低频激励器成熟产品中，对L、C谐振电路的L即电感一般选用的是小体积的磁棒天线或者磁棒天线级联的形式，磁棒天线受制于加工工艺、应用环境等因数，存在电感量的一致性较差，在大批量的应用环境中，需要针对每根磁棒天线不同的电感量来匹配电容，工作量较大。

在RFID有源射频识别系统中，不同的应用环境对125kHz低频激励器的激活距离有不同的要求，由于磁棒天线的体积小，其电磁场的辐射范围小，激励距离一般在2m～3m左右，不适合应用于激励距离较远的环境,并且磁棒天线属于单轴天线，对接收端的125KHz激励标签有严格的方向性要求，否则不能唤醒125KHz激励标签，严重制约了其工程应用。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术中采用磁棒天线或者磁棒天线级联的形式带来的需要针对每根磁棒天线不同的电感量来匹配电容，工作量较大；不适合应用于激励距离较远的环境等不足，提供一种用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器。

本实用新型采用以下技术方案：

一种用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，包括相互电连接的自动调谐模块和地感线圈，所述自动调谐模块包括单片机、推挽式低频功放电路、推挽式低频功放电源输入控制电路、信号采样电路和自动调谐电容匹配电路；所述单片机上的PWM端口通过推挽式低频功放电路与信号采样电路连通，所述信号采样电路与所述单片机上的A/D端口连通，所述单片机上的IO端口与所述自动调谐电容匹配电路连通，所述推挽式低频功放电源输入控制电路与所述推挽式低频功放电路电连接。

本技术方案中通过采用地感线圈来替代传统的磁棒天线，地感线圈就是一个振荡电路，它的构成为，在地面上先造出一个圆形的沟槽，直径大概1米，或者面积相当的矩形沟槽，再在这个沟槽中埋入两到三匝导线，这就构成了一个埋于地表的电感线圈，地感线圈作为一个电感与电容构成调谐电路。

地感线圈可以根据应用环境的不同绕制成不同的形状与尺寸，其最大特点是辐射距离远，电磁场为三锥形式辐射，对接收端的激励标签无方向性的要求。

由于地感线圈在绕制过程中，受制于绕制工艺水平的限制、导线老化、加之实际应用环境中，地表下埋设的各种电缆管线、钢筋、下水道盖等金属物质，这些都会对地感线圈的实际电感值产生很大影响，以及地感线圈自身的寄生电容存在，地感线圈的电感值与实际埋设好后的电感值两者会有较大的差异，如果针对不同的环境来单独调整谐振频率，将耗费巨大的人力、物力成本，所以通过本技术方案中的自动调谐模块克服上述的所有因数对地感线圈感值的影响，实现谐振的；频率保持在125KHz。

更进一步的技术方案是，所述地感线圈上连接有输出馈线，且所述地感线圈通过输出馈线与自动调谐模块连接，所述地感线圈为长方形，所述地感线圈的电感量为100uH-300uH。

更进一步的技术方案是，所述输出馈线长度不超过10m，所述输出馈线采用双绞线，所述双绞线为每1m绞合20次的双绞线。

本技术方案中通过保持地感线圈的电感量为100uH-300uH，从而使LC谐振电路处于最佳的工作状态，通过使用双绞线形式的输出馈线避免外界环境的干扰，使地感线圈电感值不稳定的不足。

更进一步的技术方案是，所述单片机为NPX公司的LPC1752处理器。

更进一步的技术方案是，所述推挽式低频功放电路由相互电连接的第一三级管和第二三级管组成。

更进一步的技术方案是，所述推挽式低频功放电源输入控制电路包括电流输出降压开关型集成稳压电路、第一可调电阻、第二可调电阻、第三可调电阻、第四可调电阻、第五可调电阻、第六可调电阻、第七可调电阻、第一晶体三级管、第二晶体三级管和第三晶体三级管，所述第一晶体三极管通过相互并联的第一可调电阻和第二可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通，所述第二晶体三极管通过相互并联的第三可调电阻和第四可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通，所述第三晶体三极管通过相互并联的第五可调电阻和第六可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通，所述电流输出降压开关型集成稳压电路的OUT管脚通过第七可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通。

更进一步的技术方案是，所述电流输出降压开关型集成稳压电路为LM2576HV_ADJ。

更进一步的技术方案是，所述信号采样电路包括运算放大器和功率电阻，所述运算放大器的第一管脚和第二管脚分别于功率电阻连通，所述运放放大器的第三管脚与单片机的A/D端口连通。

更进一步的技术方案是，所述自动调谐电容匹配电路包括由三个继电器组成的阵列开关，所述阵列开关与单片机的IO端口连通，所述阵列开关上连接有至少一组电容，所述一组电容包括若干并联的电容。

更进一步的技术方案是，所述地感线圈埋设在地表下。

本技术方案中地感线圈埋设的方法为，首先要用切路机在路面上切出槽来。在四个角上进行45度倒角，防止尖角破坏线圈导线。切槽宽度为5mm-10mm，深度30mm-50mm，切槽深度越浅越好,切槽内必须清洁无水或其它液体渗入。绕线圈时必须将线圈拉直，但不要绷得太紧并紧贴槽底。将线圈绕好后，将双绞好的输出馈线通过引出线槽引出，在地感线圈埋好以后，为了加强保护，可在线圈上绕一圈尼龙绳。最后用沥青或软性树脂将切槽封上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型中通过采用自动调谐模块后，可以适应任何工程应用环境对地感线圈的参数影响，包括系统本身的LC元器件老化等引起的电容值、电感值的变化，均能使谐振频率保持稳定；

2、本实用新型相对于传统125KHz激励器的激活距离在2m-4m左右的激活距离更远，激活距离在10m以上，并且长时间稳定可靠。

3、本实用新型通过控制加载在地感线圈上的125KHz信号的功率(信号幅度)的大小，从而对电阻标签的激活距离可自动控制。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器的电路原理图。

图2为本实用新型一种实施例的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器中的推挽式低频功放电路的电路原理图。

图3为本实用新型一种实施例的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器中的推挽式低频功放电源输入控制电路的电路原理图。

图4为本实用新型一种实施例的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器中的信号采样电路的电路原理图。

图5为本实用新型一种实施例的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器中的自动调谐电容匹配电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

如图1所示的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，包括相互电连接的自动调谐模块和地感线圈104，所述自动调谐模块包括单片机101、推挽式低频功放电路102、推挽式低频功放电源输入控制电路106、信号采样电路105和自动调谐电容匹配电路103；所述单片机101上的PWM端口通过推挽式低频功放电路102与信号采样电路105连通，所述信号采样电路105与所述单片机101上的A/D端口连通，所述单片机101上的IO端口与所述自动调谐电容匹配电路103连通，所述推挽式低频功放电源输入控制电路106与所述推挽式低频功放电路102电连接。

地感线圈104为长方形，两长边间距为0.5m-1m，长边的长度取决于实际应用环境，理论上只要125KHz的低频信号驱动功率足够大，地感线圈104可以绕制成无限长。

地感线圈104的匝数，为了使LC谐振电路处于最佳的工作状态，经测试，地感线圈104的电感量应保持在100uH～300uH之间。在地感线圈104电感量不变的情况下，地感线圈104的匝数与地感线圈104两条长边的长度(两条长边的间距设定为1m)之间的关系，根据实际测试后得出的数据见表1所示，两条长边的长度越小，匝数就越多。

地感线圈长边长度	地感线圈匝数
		3-6m	5-6匝
6-10m	3-4匝
		10-25m	2匝
25m以上	2匝

表1地感线圈两条长边的长度与地感线圈匝数的关系

地感线圈自动调谐的意义

在LC谐振电路中，电感(地感线圈)、电容、频率三种之间的关系如公式(1)。

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

由上式(1)标明，要固定谐振在某一频率点上，电感和电容的值必需稳定或者两者之间的互补关系一致。默认电容为一恒定值的情况下，唯一存在的变量即电感的感值。

自动调谐模块的工作原理如下：

自动调谐通过两个过程实现，分别如下：

信号采样，单片机101模拟产生一组100KHz-150KHz的低频信号，该信号通过推挽式低频功放电路102放大后连接一个大功率电阻RL(该功率电阻RL为低阻，用于匹配地感线104圈的阻抗，不消耗功率)，然后加载到地感线圈104上，由于谐振电流的存在，功率电阻RL两端的电压有一个幅度差，分别读出功率电阻RL两端的电压，通过一个运算放大器AD8061进行一个减法运算后将电压差值输送到单片机的A/D端口进行采样，由于在某一频率点谐振后的谐振电流最大，通过功率电阻RL体现出来的就是电阻两端电压的幅度最大，在100KHz～150KHz的低频信号范围内，采样最大值对应的频率点即最佳谐振频率点。

自动调谐，通过信号采样后，在100KHz～150KHz的低频信号范围内，采样最大值对应的最佳谐振频率点可能不是125KHz，根据式(1)得知，可以通过改变C(电容)的值来调整到125KHz。具体方法是通过阵列开关连接一组电容(一组电容总容值要求能完成在电感量一定的波动范围内、调谐频率在100KHz～150KHz范围内任何可能的组合情况下均能谐振)，然后通过单片机的IO端口分别对阵列开关的控制来决定连接一组电容参与调谐，最终使其调整到125KHz。在实际的工程应用中，该调谐可以根据环境的变化重复自动调谐。

根据本实用新型的一个实施例，所述地感线圈104上连接有输出馈线，且所述地感线圈104通过输出馈线与自动调谐模块连接，所述地感线圈104为长方形，所述地感线圈104的电感量为100uH-300uH，所述输出馈线长度不超过10m，所述输出馈线采用双绞线，所述双绞线为每1m绞合20次的双绞线，所述单片机101为NPX公司的LPC1752处理器。

如图2所示，所述推挽式低频功放电路102由相互电连接的第一三级管Q4和第二三级管Q7组成。

用两只三极管Q4，Q7构成推挽式低频放大电路102，Q4、Q7为一对管，其主要参与如频率响应、放大倍数、集电极漏电流等基本一致，当Q4工作在导通、放大状态时，Q7处于截止状态，当输入信号变化到另一个半周后，Q4进入截止，Q7处于导通、放大状态，Q4、Q7不断地进行交替导通放大和截止，分别放大输入信号的正半周和负半周，输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。

在推挽放大器电路102中，功放的输出最大幅度基本认为等同于电压的输入幅度，推挽功放的输出幅度可以通过控制输入电压大小的方式来控制其输出幅度。

如图3所示，所述推挽式低频功放电源输入控制电路106包括电流输出降压开关型集成稳压电路LM2576HV_ADJ、第一可调电阻R1、第二可调电阻R2、第三可调电阻R3、第四可调电阻R4、第五可调电阻R5、第六可调电阻R6、第七可调电阻R7、第一晶体三级管Q1、第二晶体三级管Q2和第三晶体三级管Q3，所述第一晶体三极管Q1通过相互并联的第一可调电阻R1和第二可调电阻R2与电流输出降压开关型集成稳压电路LM2576HV_ADJ的FB管脚连通，所述第二晶体三极管通Q2过相互并联的第三可调电阻R3和第四可调电阻R4与电流输出降压开关型集成稳压电路LM2576HV_ADJ的FB管脚连通，所述第三晶体三极管Q3通过相互并联的第五可调电阻R5和第六可调电阻R6与电流输出降压开关型集成稳压电路LM2576HV_ADJ的FB管脚连通，所述电流输出降压开关型集成稳压电路LM2576HV_ADJ的OUT管脚通过第七可调电阻R7与电流输出降压开关型集成稳压电路LM2576HV_ADJ的FB管脚连通.

LM2576HV_ADJ为一输出电压可调的DC/DC，在IO1输入为高电平时，第一晶体三级管Q1导通，IO2与IO3输入为低电平时，第二晶体三极管Q2与第三晶体三极管Q3处于截止状态，通过调整第七可调电阻R7与第一可调电阻R1、第二可调电阻R2的比例关系，实现12V的推挽功放输入电压VDD输出；通过调整第七电阻R7与第三可调电阻R3、第四可调电阻R4的比例关系，在IO2输入为高电平时，IO1与IO3输入为低电平时，实现24V的推挽功放输入电压VDD输出；通过调整第七可调电阻R7与第五可调电阻R5、第六可调电阻R6的比例关系，在IO3输入为高电平、IO1与IO2输入为低电平时，实现36V的推挽功放输入电压VDD输出。推挽功放输入电压VDD作为推挽低频功放电路102的输入电压，推挽功放输入电压VDD的大小与推挽低频功放电路102的输出幅度成正比，即推挽功放输入电压VDD大，则功放输出幅度大。从而通过对推挽功放输入电压VDD的控制来实现其输出幅度的大小。

在RFID有源射频识别系统中，推挽低频功放电路102输出幅度加载在地感线圈104上，加载的信号幅度大小与激励器对电子标签的激活距离成正比例关系，以此来实现对激励距离的控制，使其可以应用于对激活距离有特殊要求的场合。

为了进一步的提高自动调谐激励器的激活距离，本实用新型采用两个推挽低频功放电路102来驱动地感线圈104，即差分驱动，差分驱动的好处是加载在地感线圈104上的信号幅度增加一倍，激活距离大为增加。

如图4所示，所述信号采样电路105包括运算放大器AD8061和功率电阻RL，所述运算放大器AD8061的第一管脚-IN1和第二管脚+IN1分别于功率电阻RL连通，所述运放放大器AD8061的第三管脚VOUT1与单片机101的A/D端口连通。

单片机101预先产生一组100KHz～150KHz的低频信号通过功放后加载到功率电阻RL的两端，由于谐振电流的存在，功率电阻RL两端的电压信号幅度不同，分别记为V1、V2，计算V0＝V1-V2(默认V1>V2)，该计算通过一个运算放大器AD8061来实现。功率电阻RL两端的电压信号幅度差V0再通过一个检波电路后变成直流电压信号AD1，通过单片机的A/D端口读出AD1的值，并选取在100KHz～150KHz频率范围内AD1的最大值，记录对应的频率点即为最佳的谐振频率点。

如图5所示，所述自动调谐电容匹配电路103包括由三个继电器(优选的，所述三个继电器分别为U7、U8、U10、)组成的阵列开关，所述阵列开关与单片机101的IO端口连通，所述阵列开关上连接有至少一组电容，所述一组电容包括若干并联的电容(优选的，所述一组电容为三个电容C37、C38、C39并联组成)。

单片机101通过A/D端口来读出AD1的最大值，并记录对应的频率点后，默认该频率点偏离要求的125KHz，然后通过自动调谐电容匹配电路103实现125KHz的调谐。原理如下：单片机101分别用三个IO端口的口线控制三个继电器U7、U8、U10，一个IO口线(优选为，IO4、IO5、IO6)为高电平，则一组电容(优选的，所述一组电容为三个电容C37、C38、C39并联组成)加入调谐；三个IO口线均为高电平，则三组电容加入调谐，以此类推，通过三组电容与固定电容的排列组合，找出125KHz的频率谐振点。

根据本实用新型的一个实施例，所述地感线圈104埋设在地表下。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，包括相互电连接的自动调谐模块和地感线圈，所述自动调谐模块包括单片机、推挽式低频功放电路、推挽式低频功放电源输入控制电路、信号采样电路和自动调谐电容匹配电路；

所述单片机上的PWM端口通过推挽式低频功放电路与信号采样电路连通，所述信号采样电路与所述单片机上的A/D端口连通，所述单片机上的IO端口与所述自动调谐电容匹配电路连通，所述推挽式低频功放电源输入控制电路与所述推挽式低频功放电路电连接。

2.根据权利要求1所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述地感线圈上连接有输出馈线，且所述地感线圈通过输出馈线与自动调谐模块连接，所述地感线圈为长方形，所述地感线圈的电感量为100uH-300uH。

3.根据权利要求2所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述输出馈线长度不超过10m，所述输出馈线采用双绞线，所述双绞线为每1m绞合20次的双绞线。

4.根据权利要求1所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述单片机为NPX公司的LPC1752处理器。

5.根据权利要求1所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述推挽式低频功放电路由相互电连接的第一三级管和第二三级管组成。

6.根据权利要求1所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述推挽式低频功放电源输入控制电路包括电流输出降压开关型集成稳压电路、第一可调电阻、第二可调电阻、第三可调电阻、第四 可调电阻、第五可调电阻、第六可调电阻、第七可调电阻、第一晶体三级管、第二晶体三级管和第三晶体三级管，所述第一晶体三极管通过相互并联的第一可调电阻和第二可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通，所述第二晶体三极管通过相互并联的第三可调电阻和第四可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通，所述第三晶体三极管通过相互并联的第五可调电阻和第六可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通，所述电流输出降压开关型集成稳压电路的OUT管脚通过第七可调电阻与电流输出降压开关型集成稳压电路的FB管脚连通。

7.根据权利要求6所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述电流输出降压开关型集成稳压电路为LM2576HV_ADJ。

8.根据权利要求1所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述信号采样电路包括运算放大器和功率电阻，所述运算放大器的第一管脚和第二管脚分别于功率电阻连通，所述运算放大器的第三管脚与单片机的A/D端口连通。

9.根据权利要求1所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述自动调谐电容匹配电路包括由三个继电器组成的阵列开关，所述阵列开关与单片机的IO端口连通，所述阵列开关上连接有至少一组电容，所述一组电容包括若干并联的电容。

10.根据权利要求1所述的用于RFID有源射频识别系统中的自动调谐激励器，其特征在于：所述地感线圈埋设在地表下。