|
摘要：在當今的現代化社會(huì )，科技發(fā)展迅速，物品向小型化、微型化發(fā)展已經(jīng)成為一種必然[1]。本設計通過(guò)在指定的物品上掛載標簽，采用UHF射頻卡讀寫(xiě)器作為控制核心對目標標簽加以識別與讀取，配合鏈接MSP430處理器[2]及自制的圓極化天線(xiàn)，實(shí)現了物品的定位功能，并通過(guò)配合使用GSM模塊，以短消息的方式告知主人物品的位置及安全信息。標簽的信息可通過(guò)PC機鍵盤(pán)輸入進(jìn)行更改。UHF射頻卡讀寫(xiě)器中的防碰撞算法保證了標簽讀取的抗干擾性和穩定性[3]，自制天線(xiàn)的高增益和優(yōu)良性能為有效搜索范圍提供了保障。 1 原理分析與硬件電路圖 1.1 整體原理結構圖 按圖1所示，整個(gè)系統由UHF射頻讀寫(xiě)器與天線(xiàn)、GSM模塊、MSP430處理器、屏顯設備及輸入設備相連接而成。有效地實(shí)現了物品——系統——用戶(hù)的緊密聯(lián)接，從而達成了設計功能要求。 1.2 天線(xiàn)部分 1.2.1 天線(xiàn)的設計原理 根據腔模理論，微帶貼片天線(xiàn)用帶線(xiàn)或同軸探針激勵時(shí)，電磁場(chǎng)在貼片和接地板間建立。矩形貼片可當成一個(gè)等效的開(kāi)路邊界的諧振腔，它四周為理想磁壁，周壁磁場(chǎng)等于零; 上下壁為理想電壁[4]。 貼片形狀結構的不同會(huì )導致天線(xiàn)性能的迥異，在方形貼片對角線(xiàn)上像波導拐彎那樣切掉一個(gè)45°的角。該分離單元就可以使饋電場(chǎng)形成兩個(gè)空間正交簡(jiǎn)并模的諧振頻率發(fā)生分離。為實(shí)現圓極化, 這兩個(gè)模必須達到幅值相等、相位相差90°。相等幅值可以通過(guò)適當選擇饋電位置實(shí)現，需選取饋電點(diǎn)選取位于切角貼片中心線(xiàn)上。90°相移的產(chǎn)生有兩個(gè)因素，一個(gè)是饋電點(diǎn)位置，另一個(gè)是分離單元的尺寸。由腔模理論知微帶貼片天線(xiàn)激勵�？傻刃橐徊⒙�(lián)的RLC 諧振電路[5]。為了使電子標簽在各個(gè)位置都能被識別，設計采用圓極化天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)的圓極化帶寬近似與其Q值成反比，因此為了得到寬頻帶的圓極化微帶天線(xiàn)，我們選擇空氣作為介質(zhì)，既節約了成本也降低了天線(xiàn)的損耗，并且也能保證天線(xiàn)擁有良好的圓極化特性。用4個(gè)輔助支撐柱配合金屬探針固定貼片，保證了貼片平整穩固的同時(shí)，讓金屬探針起到更好的饋電作用。通過(guò)仿真、測試，可以最終選定天線(xiàn)的特性及優(yōu)化其性能。 1.2.2 天線(xiàn)的結構及尺寸 本設計天線(xiàn)為圓極化貼片天線(xiàn)，具體設計要求和參數性能如表1所示。 1.3 UHF射頻讀寫(xiě)器模塊 1.3.1 UHF射頻讀寫(xiě)器基本原理 UHF系統結構如圖3所示，讀寫(xiě)器作為整個(gè)系統的重要組成部分，其基帶處理性能的優(yōu)劣將直接影響讀寫(xiě)器性能的優(yōu)劣。 讀寫(xiě)器通過(guò)射頻信號與標簽進(jìn)行通信，完成信息交換。在 UHF RFID 系統中，一般讀寫(xiě)器先發(fā)送一條命令給電子標簽，標簽收到命令后進(jìn)行應答響應。標簽根據命令返回有用數據信息給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器對標簽返回信號處理后再傳回上位機。 本設計中的UHF主要實(shí)現了以下幾個(gè)功能： (1)讀寫(xiě)器與電子標簽進(jìn)行通信。讀寫(xiě)器向電子標簽發(fā)送命令，電子標簽根據命令進(jìn)行響應，返回有用數據。 (2)讀寫(xiě)器與上位機進(jìn)行通信。讀寫(xiě)器通過(guò)特定接口與上位機相連接，如RS-232、USB、RJ45 等。上位機向讀寫(xiě)器發(fā)送控制命令，控制讀寫(xiě)器對標簽的操作。讀寫(xiě)器將標簽返回的信息傳回給上位機。 (3)讀寫(xiě)器可以完成對多個(gè)標簽的讀寫(xiě)功能，實(shí)現了防碰撞處理。 (4)讀寫(xiě)器具有數據校驗的功能。能夠對數據的正確性進(jìn)行判斷。 1.3.2 UHF射頻讀寫(xiě)器的硬件部分 射頻模塊是讀寫(xiě)器射頻信號處理模塊，設計要解決的主要問(wèn)題是抑制干擾，正確進(jìn)行信號收發(fā)，射頻模塊的主要任務(wù)如下： (1)根據協(xié)議要求發(fā)射一定功率的射頻信號，激活工作區域內的無(wú)源標簽并為其正常工作提供能量; (2)將待發(fā)射的編碼信號調制到射頻,把數據和命令傳送給標簽; (3)接收標簽返回的射頻信號并進(jìn)行下變頻處理; (4)控制頻率綜合器進(jìn)行跳頻處理。本次設計中的UHF采用AS3992 射頻芯片，AS3992支持 PM 調制和AM 調制，這樣射頻芯片在 I/Q 兩路信號自動(dòng)選擇時(shí)不會(huì )出現通信的盲點(diǎn)，而且射頻芯片還自帶 A/D 轉換電路，可以用于測量讀寫(xiě)器的發(fā)射功率。 對于讀寫(xiě)器的射頻發(fā)射電路部分，AS3992 可以采用低功率線(xiàn)性輸出模式或低功率差分輸出模式，我們采用低功率線(xiàn)性輸出模式。通過(guò)外部的功率放大器，將輸出功率放大到 23dBm-30dBm 之間。AS3992 射頻發(fā)射電路主要由耦合匹配電路、功率放大電路、差分轉單端電路、濾波電路和定向耦合電路構成[6]。輸出匹配電路將解耦、差分轉單端電路、匹配電路作為整體由匹配電路輸出，輸出匹配電路如圖4所示，功率放大電路如圖5所示。 UHF RFID 讀寫(xiě)器可以使用兩個(gè)天線(xiàn)，將接收和發(fā)送分開(kāi)或者使用一個(gè)天線(xiàn)但需要射頻隔離電路，考慮到使用射頻隔離電路可以降低設計成本，所以采用了定向耦合器作為收發(fā)隔離電路，具體電路如圖6所示。 RFID 讀寫(xiě)器從功能模塊上劃分為射頻模塊和基帶模塊，缺少任何一個(gè)模塊都不能構成完整的讀寫(xiě)系統�；鶐K主要功能如下： (1)控制標簽與讀寫(xiě)器間的數據交換; (2)執行單標簽識別和防沖撞算法; (3)與上位機軟件進(jìn)行通信，并執行從上位機軟件發(fā)來(lái)的命令; (4)控制讀寫(xiě)器和標簽間的身份驗證; (5)控制頻率步進(jìn)和發(fā)射信號功率。 基帶模塊由微處理器、通信接口電路、電源電路及輔助電路等部分組成�；鶐K總體框圖，如圖7所示。 1.4 GSM模塊 在本次設計中，MSP430F149單片機通過(guò)RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令控制GSM模塊實(shí)現各種無(wú)線(xiàn)通信功能。通過(guò)GSM模塊與MSP430F149單片機的配合使用，我們可以將重要的信息在第一時(shí)間以短信的方式發(fā)送給用戶(hù)，如果標簽所標記的物件超出我們設定的安全范圍，用戶(hù)的手機將收到GSM模塊發(fā)送的報警提醒信息，達到了防止失竊的目的;物品丟失后，用戶(hù)也能收到包含丟失物品名稱(chēng)、丟失具體時(shí)間等信息的短信，方便用戶(hù)找回失物。 1.5 PC輸入導致顯示模塊 通過(guò)PC鍵盤(pán)輸入，可以編寫(xiě)或修改電子標簽所標記的物品信息，設置保護物品的安全范圍，在實(shí)現尋物目的時(shí)，可以設定尋物范圍，方便用戶(hù)進(jìn)行失物的搜索。并將這些設定的內容與信息在屏幕上顯示，顯示屏幕采用液晶觸摸屏，顯示清晰簡(jiǎn)潔操作方便，實(shí)現了人機界面友好的目的。 2 軟件設計與流程 2.1 系統的軟件整體 下面將介紹本次設計系統的軟件部分，整體軟件的設計思路如下圖所示，軟件主要包括三個(gè)部分：(1)UHF部分的防碰撞算法;(2)MSP430F149單片機整體控制程序;(3)GSM模塊短信發(fā)送程序編寫(xiě)。 2.2 UHF讀寫(xiě)器整體軟件模塊 讀寫(xiě)器軟件模塊劃分以及模塊間結構關(guān)系如圖8所示。 2.3 UHF防碰撞算法 讀寫(xiě)器在沒(méi)有采用多址訪(fǎng)問(wèn)控制機制的情況下，如果個(gè)能被同一讀寫(xiě)器識別的多個(gè)電子標簽同時(shí)處在讀寫(xiě)器能夠識別的范圍內，電子標簽將同時(shí)響應讀寫(xiě)器的指令[7]。信道會(huì )被電子標簽爭用，導致信號互相干擾，讀寫(xiě)器不能正確接收數據，也不能準確識別電子標簽信息。當多個(gè)電子標簽使讀寫(xiě)器發(fā)生判斷錯誤，讀寫(xiě)器會(huì )認為電子標簽不在自己的作用范圍內或無(wú)法讀取信息，即發(fā)生了碰撞問(wèn)題。 通過(guò)查閱相關(guān)資料，了解到目前廣泛應用的防碰撞算法基本上都是 TDMA(Time Division Multiple Access，時(shí)分多址)法[8]。主要分為兩類(lèi)TDMA法：分別是基于A(yíng)LOHA的防碰撞算法和基于二叉樹(shù)的防碰撞算法，這兩種算法在RFID系統中都有廣泛的應用。在 RFID中ALOHA算法被分為：純ALOHA算法、時(shí)隙ALOHA算法、幀時(shí)隙ALOHA算法、動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙 ALOHA算法。本次設計的UHF讀寫(xiě)器采用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙 ALOHA算法。 讀寫(xiě)器可以統計出一幀時(shí)隙中成功識別的時(shí)隙數Nr，發(fā)生碰撞的時(shí)隙數Nc，如果當前讀寫(xiě)器周?chē)碾娮訕撕灁禐镹，則剩余的電子標簽數為N-Nr。 根據對動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙算法的分析可知，下一幀的時(shí)隙數為L(cháng)1=N-Nr。通過(guò)查閱相關(guān)算法資料得知，電子標簽的估計公式為：N=Nr+2.39Nc。 動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙 ALOHA 算法先初始化幀長(cháng)F=M，M的值可根據實(shí)際情況設定;幀周期內初始化：Nc=Nr=0,Nc為碰撞時(shí)隙數，Nr 為正確接收時(shí)隙數。讀寫(xiě)器發(fā)送帶有幀時(shí)隙長(cháng)度的指令，等待讀寫(xiě)器識別范圍內的電子標簽響應指令。圖5-3表示整個(gè)電子標簽防碰撞算法的識別過(guò)程。 讀寫(xiě)器對一幀中各個(gè)時(shí)隙進(jìn)行檢測，檢測結果可分為三種情況： (1)正確接收電子標簽信息Nr+1; (2)電子標簽發(fā)生碰撞Nr+1; (3)無(wú)電子標簽應答信號。 在上述的三種情況中，每檢測完一個(gè)時(shí)隙都要使時(shí)隙數M-1，如果時(shí)隙數M為0則判斷Nc是否也為0，如果Nc也為0就表示沒(méi)有電子標簽發(fā)生碰撞且都被識別;如果Nc不為0則表示電子標簽發(fā)生碰撞，根據Nc的大小重新調整M的值，對剩余電子標簽進(jìn)行讀寫(xiě)，直到所有電子標簽都被識別。 3 系統測試與誤差分析 3.1 天線(xiàn)仿真與測試結果(數據) 利用HFSS軟件，我們仿真了天線(xiàn)，其仿真數據如下： 通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò )測試儀測試，實(shí)際天線(xiàn)在0.92GHz處S11達到-17.5dB，其增益為8.7dB。通過(guò)旋轉標簽，測試天線(xiàn)的圓極化特性，發(fā)現無(wú)論標簽如何放置，都可準確讀取，確認圓極化特性良好。 3.2 UHF讀寫(xiě)器測試結果 利用貼有電子標簽的物品對UHF讀寫(xiě)器的有效識別范圍、標簽識別個(gè)數以及靈敏度等性能進(jìn)行測量，測量結果如下表所示。 3.3 GSM短信功能測試結果 GSM模塊的掛載使系統人機交流更加豐富，智能化得到體現。 參考文獻： [1]全國大學(xué)生電子設計競賽組委會(huì ). 全國大學(xué)生電子設計競賽獲獎作品選編(1994～1995) [2]全國大學(xué)生電子設計競賽組委會(huì ). 全國大學(xué)生電子設計競賽獲獎作品選編(2001)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2003年第1版. [3]高吉祥，黃智偉，陳和.高頻電子線(xiàn)路[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2003年第1版 [4]Warren L.Stutzman,Gary A.Thiele,天線(xiàn)理論與設計(第2版)[M],人民郵電出版社 [5]王振華,張利,用于UHF射頻識別的時(shí)鐘電路和調制電路[J1,微電子學(xué)與計算機,2006 Vol.23No.12 [6]于利亞. RFID 系統天線(xiàn)輻射場(chǎng)的分析與研究[D]. 碩士學(xué)位論文. 西北大學(xué)碩士論文, 2006 [7]ISO/IEC18000-1: information technology-Radio frequency identification for item management Partl: Reference architecture and definition of Parameters to be standardized [8]劉錫杰. UHF 頻段 RFID 讀寫(xiě)器的設計[D]. 碩士學(xué)位論文. 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007 |
