基于聲表面波的射頻識別[1]是集現(xiàn)代電子學(xué),、聲學(xué)和雷達(dá)信號處理的新興技術(shù)成就,，是有別于IC芯片識別的另一種新型非接觸識別技術(shù)，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具有應(yīng)用潛力的十大技術(shù)之一,。傳統(tǒng)的基于IC標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)應(yīng)用在高溫,、強電磁干擾的環(huán)境中，信息讀取存在困難,，導(dǎo)致標(biāo)簽失效率高,，甚至無法正常工作。由于SAW器件工作在射頻波段,，無源無線,、閱讀距離遠(yuǎn)及環(huán)境適應(yīng)性強，具有ID識別和傳感器的雙重功能,，因此在識別ID的同時獲取目標(biāo)的各種物理指標(biāo),，如溫度、壓力及氣體濃度等,，具有廣闊的市場前景,。本文設(shè)計并利用了聲表面波射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)被測物體ID識別和溫度測量，創(chuàng)造性地應(yīng)用到礦井監(jiān)控中,。
1 SAW RFID系統(tǒng)原理及組成
       一個完整的SAW RFID終端系統(tǒng)[2]由SAW標(biāo)簽,、閱讀器及應(yīng)用系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示,。閱讀器是一種具有收發(fā)和處理射頻信號功能的裝置,，無源SAW標(biāo)簽放置在被識別的物體表面,，用來測量被測物體的相關(guān)信息。閱讀器通過天線發(fā)射一定頻率的射頻信號,，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的作用區(qū)域內(nèi)時,，閱讀器發(fā)出的電磁波激活標(biāo)簽電路，標(biāo)簽的能量檢測電路將一部分射頻信號轉(zhuǎn)換成直流信號能量供其工作,，標(biāo)簽獲得能量被激活后,，將自身的序列號等信息調(diào)制到射頻信號上,之后通過標(biāo)簽天線發(fā)送出去,閱讀器接收到標(biāo)簽返回的射頻信號后對該信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理,。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標(biāo)簽的合法性,，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制。

2 SAW RFID系統(tǒng)設(shè)計
2.1 SAW標(biāo)簽設(shè)計
    SAW RFID標(biāo)簽[3]主要由叉指換能器,、壓電基片,、反射柵和天線組成。
    信號在標(biāo)簽中是以聲表面波的形式出現(xiàn),，并在基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)被測物體的溫度發(fā)生變化時，聲表面波發(fā)生頻偏,，同時按照一定編碼規(guī)則將變化了的聲表面波刻在標(biāo)簽的反射柵上,，反射回來形成一系列的聲脈沖串。由于反射柵按某種特定規(guī)律設(shè)計,，其反射信號表示規(guī)定的編碼信息,，閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串則帶有該物品的特定編碼，通過解析和處理,，解調(diào)出反射柵的編碼信息,，達(dá)到自動識別的目的。同時根據(jù)FFT算法提取頻偏值,，進(jìn)一步得到被測物體的溫度信息,。
2.2 射頻前端模塊設(shè)計
　傳統(tǒng)射頻識別收發(fā)機采用超外差接收結(jié)構(gòu)，成本高,，電路復(fù)雜,，不易集成且功耗高。結(jié)合零中頻[4]的特性,，本文采用零中頻結(jié)構(gòu),，包括本振器、發(fā)射模塊和接收模塊,，克服了鏡像頻率干擾,，降低了開發(fā)成本。
2.2.1 發(fā)射電路的設(shè)計
    915 MHz的發(fā)射電路如圖2所示,。采用LT5519芯片作為上變頻混頻器,，RF輸出帶寬為0.7 GHz~1.4 GHz,。用CASCADE軟件設(shè)計了π型衰減器，R1=24 Ω,，R2=R3=220 Ω，則衰減4 dB,。帶通濾波器采用B4637,，中心頻率為915 MHz，帶寬26 MHz,，插入衰減2.5 dB,。可調(diào)增益放大器(VGA)采用Sky65111,輸入帶寬為600 MHz~1 100 MHz,，根據(jù)標(biāo)簽和閱讀器的距離遠(yuǎn)近,，自動增益控制(AGC)模塊自適應(yīng)地調(diào)整VGA的增益，使閱讀器能夠正確接收到標(biāo)簽返回的信息,，最大輸出功率達(dá)33 dBm@915 MHz,。

2.2.2 接收電路的設(shè)計
    本系統(tǒng)的閱讀器采用零中頻結(jié)構(gòu)[5]進(jìn)行設(shè)計。主要包括正交解調(diào)器,、AD采樣,。接收電路如圖3所示。
    來自于天線的標(biāo)簽返回信號經(jīng)過射頻前端處理后,，采用帶通濾波器抑制915 MHz~925 MHz頻段外的信號,，低噪聲放大器放大信號以便于后端處理。放大后的信號進(jìn)入LT5575混頻解調(diào),，上,、下變頻使用相同頻率的本振信號，下變頻出來的信號即為I/Q正交基帶信號,。經(jīng)放大濾波后,，進(jìn)入AD9288進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號，DSP對接收到的基帶信號進(jìn)行解碼等處理,。

2.2.3 本振器的設(shè)計
　采用ADI公司的ADF4360-7,，外接10 MHz高精度溫補晶振作為參考頻率,通過選擇相應(yīng)的工作模式，使其輸出信號頻率范圍為350 MHz~1 800 MHz,。在本系統(tǒng)的本振器設(shè)計中,，以數(shù)字鎖相環(huán)的形式產(chǎn)生915 MHz的射頻信號， 分別作為上,、下混頻電路的本振信號,。用ADIsimPLL軟件設(shè)計了環(huán)路濾波器的重要參數(shù),包括鑒相頻率、輸出頻率,、帶寬及階數(shù)等,，得到本振器的設(shè)計圖,如圖4所示,。此外,借助軟件ADF4360.exe,設(shè)定VOC輸出頻率、相位檢測頻率和分頻模數(shù)等參數(shù),，配置內(nèi)部C,、N和R寄存器的值, 降低了PLL驅(qū)動程序的開發(fā)難度。

2.3 基帶主控模塊設(shè)計
     DSP基帶主控單元是整個系統(tǒng)的控制核心,，詳細(xì)的功能框圖如圖5所示,。

     DSP模塊，采用TI的TMS320VC5509A芯片[6],，上電后通過運行Boatload程序?qū)EPROM中的程序調(diào)到片內(nèi)運行,，控制各個模塊進(jìn)行工作。電源和時鐘模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源和精確的外部參考時鐘,?？刂芇LL產(chǎn)生本振信號，提供給射頻前段模塊使用,。由SDRAM和EEPROM組成的外擴存儲模塊分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和程序存儲,。CPLD主要接收來自DSP的總線信息,并將總線信號進(jìn)行邏輯再處理，擴展DSP的I/O口,，用于輸出控制,。自動增益控制(AGC)根據(jù)讀卡距離遠(yuǎn)近，自適應(yīng)調(diào)整信號功率,，增加系統(tǒng)的可靠性,。液晶模塊直觀地顯示了DSP進(jìn)行解碼、校驗等處理結(jié)果,。此外,，串口網(wǎng)口模塊作為與上位機數(shù)據(jù)交換的通信接口。
    主控核心DSP的工作流程為:(1)系統(tǒng)上電,將EEPROM中的程序調(diào)入片內(nèi)開始運行;(2)DSP根據(jù)程序設(shè)置,，初始化GPIO口,、中斷、定時器等的控制寄存器;(3)對PLL進(jìn)行編程,，輸出本振信號,，實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào);(4)對要輸出的指令進(jìn)行編碼，并從DSP相應(yīng)的通用輸出口送出;(5)控制AD模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,，對數(shù)字基帶信號進(jìn)行解碼和校驗,，若校驗正確則進(jìn)行相應(yīng)運算，最后將結(jié)果送往液晶或上位機進(jìn)行其他處理,，否則轉(zhuǎn)往第二步再次進(jìn)行處理,。
3 試驗數(shù)據(jù)及分析
3.1 SAW 標(biāo)簽
      圖6展示的是本文提到的SAW 標(biāo)簽，其中圖6(a)是標(biāo)簽的晶圓，圖6(b)是標(biāo)簽成品,，采用晶圓級封裝,，與傳統(tǒng)封裝相比實現(xiàn)了聲表面波標(biāo)簽IDT 的全封裝，所有的有效圖形都被保護于空腔內(nèi),，避免了后期各種情況引起的短路失效等問題,，提高了器件的可靠性，同時實現(xiàn)了整片的一次性封裝,，提高了產(chǎn)品的一致性,，適合批量生產(chǎn)。圖6(c)說明了該SAW RFID標(biāo)簽體積小,，安裝使用方便。

3.2 RFID閱讀器
    本文提到的SAW RFID閱讀器,、主要分為4塊電路板：電源板,、發(fā)送板、接收板和DSP主控板,。C5509處理器發(fā)送標(biāo)簽讀寫信號,，控制發(fā)送器發(fā)送915 MHz詢問脈沖，接收器對標(biāo)簽返回的射頻信號進(jìn)行濾波放大,、AD轉(zhuǎn)換等相關(guān)處理后,，轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號，C5509處理器對接收到的基帶信號進(jìn)行解碼和頻偏提取,，進(jìn)一步得到被測物體的ID和溫度信息,，并上傳給上位機做進(jìn)一步統(tǒng)計分析。與普通RFID系統(tǒng)相比,，本系統(tǒng)可以快速精確地讀取被測物體的ID和溫度信息,，并且能在高溫差、高濕度,、強電磁干擾的環(huán)境下正常工作,。
3.3 系統(tǒng)測試
    搭建了SAW RFID系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了功能測試,。
    把硬件系統(tǒng)連接好后,，打開測試軟件，如圖7所示,，設(shè)置通信口,、波特率等通信參數(shù)，勾選要測試的SAW標(biāo)簽和對應(yīng)的天線,，點擊啟動,，即可觀察到實時ID和溫度信息。對其中一個SAW標(biāo)簽進(jìn)行加溫處理,，即可觀察到溫度的動態(tài)變化(47.60℃),。測試結(jié)果表明,，采樣間隔最小可達(dá)50 ms，有效識別距離約為5 m~10 m,，溫度測量范圍是0~125℃,，精度可達(dá)0.01℃，誤差為1℃,。

4 SAW RFID的應(yīng)用
    SAW RFID具有無線無源,、識別距離遠(yuǎn)且速度快、環(huán)境適應(yīng)性強的優(yōu)點,，可以用來測量壓力,、溫度等參數(shù)變化。針對煤礦井下環(huán)境復(fù)雜,、溫度監(jiān)測和人員定位等要求,，將該系統(tǒng)應(yīng)用在煤礦安全綜合監(jiān)管[7]中，實現(xiàn)井下設(shè)備及環(huán)境參數(shù)信息的實時監(jiān)控以及對人員的定位與跟蹤,，有效防止了安全事故發(fā)生,，提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)所構(gòu)成的原材料價格相對低廉,、適合批量生產(chǎn),、使用方便，在目前礦難較為頻繁的時期,，具有較大的使用價值和市場潛力,。
    本文從SAW RFID的組成結(jié)構(gòu)上介紹了其工作原理，并詳細(xì)闡述SAW RFID閱讀器設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù),，重點說明了射頻前端的設(shè)計,，包括發(fā)送模塊、接收模塊和本振器的硬件設(shè)計,，同時給出了DSP基帶主控模塊的設(shè)計框圖和算法流程,。通過分析試驗數(shù)據(jù)，證明所設(shè)計的系統(tǒng)工作性能可靠穩(wěn)定,，設(shè)計思路確實可行,。最后，結(jié)合本SAW RFID系統(tǒng)的優(yōu)點,，將其應(yīng)用到礦井監(jiān)控中,在井下定員管理和應(yīng)急救援中發(fā)揮著巨大的作用,。
參考文獻(xiàn)
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