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基于声表面波的射频识别[1]是集现代电子学、声学和雷达信号处理的新兴技术成就，是有别于IC芯片识别的另一种新型非接触识别技术，被认为是二十一世纪最具有应用潜力的十大技术之一。传统的基于IC标签的RFID系统应用在高温、强电磁干扰的环境中，信息读取存在困难，导致标签失效率高，甚至无法正常工作。由于SAW器件工作在射频波段，无源无线、阅读距离远及环境适应性强，具有ID识别和传感器的双重功能，因此在识别ID的同时获取目标的各种物理指标，如温度、压力及气体浓度等，具有广阔的市场前景。本文设计并利用了声表面波射频识别系统实现被测物体ID识别和温度测量，创造性地应用到矿井监控中。
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1 SAW RFID系统原理及组成
一个完整的SAW RFID终端系统[2]由SAW标签、阅读器及应用系统三大部分组成，如图1所示。阅读器是一种具有收发和处理射频信号功能的装置，无源SAW标签放置在被识别的物体表面，用来测量被测物体的相关信息。阅读器通过天线发射一定频率的射频信号，当标签进入阅读器的作用区域内时，阅读器发出的电磁波激活标签电路，标签的能量检测电路将一部分射频信号转换成直流信号能量供其工作，标签获得能量被激活后，将自身的序列号等信息调制到射频信号上,之后通过标签天线发送出去,阅读器接收到标签返回的射频信号后对该信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理。主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制。 2 SAW RFID系统设计 2.1 SAW标签设计 SAW RFID标签[3]主要由叉指换能器、压电基片、反射栅和天线组成。 信号在标签中是以声表面波的形式出现，并在基片表面传播。当被测物体的温度发生变化时，声表面波发生频偏，同时按照一定编码规则将变化了的声表面波刻在标签的反射栅上，反射回来形成一系列的声脉冲串。由于反射栅按某种特定规律设计，其反射信号表示规定的编码信息，阅读器接收到的反射高频电脉冲串则带有该物品的特定编码，通过解析和处理，解调出反射栅的编码信息，达到自动识别的目的。同时根据FFT算法提取频偏值，进一步得到被测物体的温度信息。 2.2 射频前端模块设计 传统射频识别收发机采用超外差接收结构，成本高，电路复杂，不易集成且功耗高。结合零中频[4]的特性，本文采用零中频结构，包括本振器、发射模块和接收模块，克服了镜像频率干扰，降低了开发成本。 2.2.1 发射电路的设计 915 MHz的发射电路如图2所示。采用LT5519芯片作为上变频混频器，RF输出带宽为0.7 GHz~1.4 GHz。用CASCADE软件设计了π型衰减器，R1=24 Ω，R2=R3=220 Ω，则衰减4 dB。带通滤波器采用B4637，中心频率为915 MHz，带宽26 MHz，插入衰减2.5 dB。可调增益放大器(VGA)采用Sky65111,输入带宽为600 MHz~1 100 MHz，根据标签和阅读器的距离远近，自动增益控制(AGC)模块自适应地调整VGA的增益，使阅读器能够正确接收到标签返回的信息，最大输出功率达33 dBm@915 MHz。 2.2.2 接收电路的设计 本系统的阅读器采用零中频结构[5]进行设计。主要包括正交解调器、AD采样。接收电路如图3所示。 来自于天线的标签返回信号经过射频前端处理后，采用带通滤波器抑制915 MHz~925 MHz频段外的信号，低噪声放大器放大信号以便于后端处理。放大后的信号进入LT5575混频解调，上、下变频使用相同频率的本振信号，下变频出来的信号即为I/Q正交基带信号。经放大滤波后，进入AD9288进行AD采样转化为数字基带信号，DSP对接收到的基带信号进行解码等处理。 2.2.3 本振器的设计 采用ADI公司的ADF4360-7，外接10 MHz高精度温补晶振作为参考频率,通过选择相应的工作模式，使其输出信号频率范围为350 MHz~1 800 MHz。在本系统的本振器设计中，以数字锁相环的形式产生915 MHz的射频信号， 分别作为上、下混频电路的本振信号。用ADIsimPLL软件设计了环路滤波器的重要参数,包括鉴相频率、输出频率、带宽及阶数等，得到本振器的设计图,如图4所示。此外,借助软件ADF4360.exe,设定VOC输出频率、相位检测频率和分频模数等参数，配置内部C、N和R寄存器的值, 降低了PLL驱动程序的开发难度。 2.3 基带主控模块设计 DSP基带主控单元是整个系统的控制核心，详细的功能框图如图5所示。 DSP模块，采用TI的TMS320VC5509A芯片[6]，上电后通过运行Boatload程序将EEPROM中的程序调到片内运行，控制各个模块进行工作。电源和时钟模块为系统提供稳定的电源和精确的外部参考时钟。控制PLL产生本振信号，提供给射频前段模块使用。由SDRAM和EEPROM组成的外扩存储模块分别负责数据处理和程序存储。CPLD主要接收来自DSP的总线信息,并将总线信号进行逻辑再处理，扩展DSP的I/O口，用于输出控制。自动增益控制(AGC)根据读卡距离远近，自适应调整信号功率，增加系统的可靠性。液晶模块直观地显示了DSP进行解码、校验等处理结果。此外，串口网口模块作为与上位机数据交换的通信接口。 主控核心DSP的工作流程为:(1)系统上电,将EEPROM中的程序调入片内开始运行;(2)DSP根据程序设置，初始化GPIO口、中断、定时器等的控制寄存器;(3)对PLL进行编程，输出本振信号，实现调制和解调;(4)对要输出的指令进行编码，并从DSP相应的通用输出口送出;(5)控制AD模块进行AD转换，对数字基带信号进行解码和校验，若校验正确则进行相应运算，最后将结果送往液晶或上位机进行其他处理，否则转往第二步再次进行处理。 |
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3 试验数据及分析
3.1 SAW 标签 图6展示的是本文提到的SAW 标签，其中图6(a)是标签的晶圆，图6(b)是标签成品，采用晶圆级封装，与传统封装相比实现了声表面波标签IDT 的全封装，所有的有效图形都被保护于空腔内，避免了后期各种情况引起的短路失效等问题，提高了器件的可靠性，同时实现了整片的一次性封装，提高了产品的一致性，适合批量生产。图6(c)说明了该SAW RFID标签体积小，安装使用方便。 3.2 RFID阅读器 本文提到的SAW RFID阅读器、主要分为4块电路板：电源板、发送板、接收板和DSP主控板。C5509处理器发送标签读写信号，控制发送器发送915 MHz询问脉冲，接收器对标签返回的射频信号进行滤波放大、AD转换等相关处理后，转化为数字基带信号，C5509处理器对接收到的基带信号进行解码和频偏提取，进一步得到被测物体的ID和温度信息，并上传给上位机做进一步统计分析。与普通RFID系统相比，本系统可以快速精确地读取被测物体的ID和温度信息，并且能在高温差、高湿度、强电磁干扰的环境下正常工作。 3.3 系统测试 搭建了SAW RFID系统，并对其进行了功能测试。 把硬件系统连接好后，打开测试软件，如图7所示，设置通信口、波特率等通信参数，勾选要测试的SAW标签和对应的天线，点击启动，即可观察到实时ID和温度信息。对其中一个SAW标签进行加温处理，即可观察到温度的动态变化(47.60℃)。测试结果表明，采样间隔最小可达50 ms，有效识别距离约为5 m~10 m，温度测量范围是0~125℃，精度可达0.01℃，误差为1℃。 4 SAW RFID的应用 SAW RFID具有无线无源、识别距离远且速度快、环境适应性强的优点，可以用来测量压力、温度等参数变化。针对煤矿井下环境复杂、温度监测和人员定位等要求，将该系统应用在煤矿安全综合监管[7]中，实现井下设备及环境参数信息的实时监控以及对人员的定位与跟踪，有效防止了安全事故发生，提高了生产效率。该系统所构成的原材料价格相对低廉、适合批量生产、使用方便，在目前矿难较为频繁的时期，具有较大的使用价值和市场潜力。 本文从SAW RFID的组成结构上介绍了其工作原理，并详细阐述SAW RFID阅读器设计过程中的关键技术，重点说明了射频前端的设计，包括发送模块、接收模块和本振器的硬件设计，同时给出了DSP基带主控模块的设计框图和算法流程。通过分析试验数据，证明所设计的系统工作性能可靠稳定，设计思路确实可行。最后，结合本SAW RFID系统的优点，将其应用到矿井监控中,在井下定员管理和应急救援中发挥着巨大的作用。 |
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