近年來,，無線射頻識別RFID技術得到了迅速發(fā)展，已被廣泛應用于工業(yè)生產,、商業(yè)和交通運輸?shù)缺姸囝I域^[1-3],。在工業(yè)現(xiàn)場、野外,、甚至水中,，這些環(huán)境下溫度、濕度變化劇烈,，特別是在石油工程領域,，RFID的讀寫器需要工作在周圍都是金屬、溫度變化劇烈,、甚至需要工作在充滿鉆井液的油井井筒里面^[4-7],，對RFID讀寫器的天線電特性參數(shù)和阻抗匹配帶來困難。由于阻抗的易變性,，導致一個固定的阻抗匹配網(wǎng)絡難以滿足實現(xiàn)良好的阻抗匹配,，從而惡化無線傳輸?shù)男阅埽罱K將導致讀寫器發(fā)射功率不必要的損耗和識別能力的下降,。因此有必要提出天線阻抗的自適應匹配來實時補償天線阻抗的變化,，實現(xiàn)射頻前端電路阻抗與天線阻抗的自動匹配。

    對于讀寫器天線阻抗的匹配,，研究已經轉向自動匹配方面,，并有了比較成功的案例,。一般來說，阻抗失配信息通過檢測反射系數(shù),、電壓駐波比或節(jié)點阻抗來獲取^[8-9],。本文通過切換電容網(wǎng)絡、掃描解調點電壓來獲取天線發(fā)射最大幅度,，獲取最佳匹配電容和實現(xiàn)射頻前端電路阻抗與天線阻抗的自動匹配,。

1 自適應天線匹配低頻RFID讀寫器架構

    完整的低頻RFID系統(tǒng)包括電子標簽、讀寫器以及遠端數(shù)據(jù)處理計算機三部分^[10],，其工作原理如圖1所示。電子標簽也就是RFID射頻卡,，具有智能讀寫及加密通信的能力,。電子標簽包含天線、匹配網(wǎng)絡,、充電模塊,、傳輸算法模塊、存儲模塊等,。低頻讀寫器由天線,、無線匹配模塊、讀寫器芯片和微處理器組成,，通過調制的射頻信號向標簽發(fā)出請求信號,，標簽回答識別信息，然后讀寫器把信號送到計算機或者其他數(shù)據(jù)處理設備,。

    自適應天線匹配低頻RFID讀寫器系統(tǒng)在基本的低頻RFID讀寫器系統(tǒng)的基礎上進行了功能擴展,，該系統(tǒng)主要由微處理器模塊、功率放大,、自適應電容匹配網(wǎng)絡,、低噪聲放大、正弦波均方根檢測,、模數(shù)轉換器,、天線以及相應的處理程序和算法組成，如圖2所示,。該系統(tǒng)比基本的低頻RFID讀寫器系統(tǒng)多了3個模塊: 自適應電容匹配網(wǎng)絡,、正弦波均方根檢測和模/數(shù)轉換器。其中正弦波均方根檢測和模/數(shù)轉換器是為了檢測天線發(fā)射信號的幅度,，并轉換成數(shù)字量存儲到微處理器,；自適應電容匹配網(wǎng)絡是用來調節(jié)射頻前端電路阻抗與天線阻抗的匹配效率。

2 解調點電壓采集

    解調點電壓采集電路的主要任務是實現(xiàn)天線發(fā)射信號的正弦波均方根檢測和模/數(shù)轉換,，在電路設計上充分運用高度集成專用集成電路,，僅需要較少的電阻,、電容等外圍器件就可以完成相應功能，使采集電路小型化并盡量降低電路的功耗,。完整的采集電路如圖3所示,。

    AD736是一款低功耗、精密,、單芯片真正弦波均方根檢測電路,。能夠直接將正弦波轉換為直流輸出，直流電壓就是該正弦波的均方根值V_rms,，該正弦波的幅度Va可以由式（1）表示：

    該芯片采用正弦波輸入時最大誤差為±0.3 mV,。另外，它能以高精度測量廣泛的輸入波形,，包括可變占空比脈沖和三端雙向可控硅（相位）控制的正弦波,。因此當天線上發(fā)射信號存在畸變，變成三角波等含有高次諧波的信號時,，一樣可以檢測出其幅度,。該芯片可以計算交流和直流輸入電壓的均方根值，因此當檢測信號存在直流分量時,，該芯片也可以檢測出相應的幅度,。此外在設計時，增加了一個外部電容,，它作為交流耦合器件工作,。這種模式下，即使存在溫度或電源電壓波動,，AD736也能分辨均方根值100 μV或更低的輸入信號電平,。對于波峰因數(shù)為1～3的輸入波形，也同樣能保持高精度,。

    模/數(shù)轉換電路采用ADS1113,，該芯片具有16位分辨率的高精度模/數(shù)轉換器(ADC)，采用超小型的MSOP-10封裝,。ADS1113在設計時考慮到了精度,、功耗和實現(xiàn)的簡易性。ADS1113具有一個板上基準和振蕩器,。數(shù)據(jù)通過一個I2C兼容型串行接口進行傳輸,。

3 自適應匹配電容網(wǎng)絡

    天線匹配電路如圖4所示，通過計算阻抗匹配計算相應的電阻和電容值,，可以實現(xiàn)長距離的天線匹配和各類天線布局要求,。將圖5中電容矩陣代替圖4中C4、C5構成可調節(jié)天線匹配網(wǎng)絡。由于天線電感值的變化在一定的范圍,，不可能從0到無限大,，因此可以根據(jù)實驗初步確定最大電感為L_max，由此可以在電容矩陣連接一個不需要斷開的電容C_M,，其他的電容可以通過微處理器輸出控制信號D1,、D2…D8控制MOS開關來確定是否連接該電容到天線匹配網(wǎng)絡。MOS開關比普通的繼電器開關體積小,、成本低,。但是在開關斷開期間，開關引腳之間,、信號引腳與地之間都存在一定的寄生電容,。這些寄生電容使得電容矩陣的調節(jié)范圍產生變化，因此在設計電容矩陣式時需要將這些寄生電容也考慮進去,。電容矩陣中每個電容值的確定可以采用二進制累進方法,，即C_D1的容值為C，C_D1的容值為2C,，C_D3的容值為4C，以此類推,，C_D8為128C,，總共可以構成256種可配置的電容值組合。在實際工作中通過掃描所有的256種組合,，選擇其中最佳的組合作為匹配網(wǎng)絡,，以達到最佳發(fā)射效率。

4 自適應匹配方法與軟件設計

    自適應天線匹配低頻RFID讀寫器系統(tǒng)軟件設計的流程圖如圖6所示,。為了保證正弦波均方根檢測電路和后續(xù)的模擬/數(shù)字轉換器電路有足夠的穩(wěn)定和轉換時間,確保采集的天線發(fā)射信號的幅度準確穩(wěn)定,，在讀取過程中需要加入多個延時。程序中需要設置專門寄存數(shù)組用于存儲讀采集的256組發(fā)射信號幅度,，在讀取完成全部256組數(shù)據(jù)以后,，再將256組數(shù)遍歷一遍，找出其中最大的一組,。根據(jù)最大的一組所對應的位置,，設置相應的電容矩陣，獲取最佳匹配電容和實現(xiàn)射頻前端電路阻抗與天線阻抗的自動匹配,。通過使用微處理器MSP430提供的在線可編程功能,，直接通過USB-JTAG轉接模塊，在計算機上調試仿真并下載微處理器,。本系統(tǒng)采用高級語言C51編程,，程序的可讀性和可移植性較好，并兼顧程序的編譯效率,。此外,，還可以通過筆記本計算機直接在現(xiàn)場修改程序,，對功能和參數(shù)進行現(xiàn)場調整，這種方式給工業(yè)儀器儀表中參數(shù)修正和軟件升級帶來了極大方便,。

5 實驗分析

    實驗分析分為兩部分,。第一部分實驗：選取10種天線，這10種天線的電感依次為300 μH,、400 μH,、…1 200 μH。依次連接在自適應天線匹配低頻RFID讀寫器系統(tǒng)上,，啟動自適應程序,，系統(tǒng)成功配置電容網(wǎng)絡，配置的電容網(wǎng)絡等效電容值和諧振頻率如表1所示,。從表1可以看出,，自適應匹配后的網(wǎng)絡的諧振頻率基本都在134 kHz左右（偏差不超過0.5%），即低頻RFID系統(tǒng)工作的頻率,，也就獲得到最大的發(fā)射功率,。

    第二部分實驗：將完整的自適應天線匹配低頻RFID讀寫器和普通的低頻RFID讀寫器分別放置在水中，此時讀寫器的天線電感將發(fā)生變化,，普通的低頻RFID讀寫器的讀寫距離明顯減少,，而自適應天線匹配低頻RFID讀寫器的讀寫距離仍可以保持原來的水平。

    本文設計了一種自適應天線匹配低頻RFID讀寫器,，該讀寫器集成了發(fā)射幅度檢測電路和匹配電容矩陣以及相應 的掃描和設置軟件,。通過實驗測試，該系統(tǒng)運行良好,，大體實現(xiàn)了不同電感天線的發(fā)射匹配要求,，比普通讀寫器更能適應水中工作。該設計方法還有進一步的改進空間,，例如根據(jù)更多環(huán)境下的實驗了解天線電感變化的范圍,，優(yōu)化電容矩陣結構，提高匹配效率,。該技術還可以移植到高頻和超高頻RFID系統(tǒng)中,。

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