近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別RFID技術(shù)得到了迅速發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域^[1-3]。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、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(lǐng)域，RFID的讀寫(xiě)器需要工作在周?chē)际墙饘?、溫度變化劇烈、甚至需要工作在充滿(mǎn)鉆井液的油井井筒里面^[4-7]，對(duì)RFID讀寫(xiě)器的天線(xiàn)電特性參數(shù)和阻抗匹配帶來(lái)困難。由于阻抗的易變性，導(dǎo)致一個(gè)固定的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)難以滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，從而惡化無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)男阅?，最終將導(dǎo)致讀寫(xiě)器發(fā)射功率不必要的損耗和識(shí)別能力的下降。因此有必要提出天線(xiàn)阻抗的自適應(yīng)匹配來(lái)實(shí)時(shí)補(bǔ)償天線(xiàn)阻抗的變化，實(shí)現(xiàn)射頻前端電路阻抗與天線(xiàn)阻抗的自動(dòng)匹配。

    對(duì)于讀寫(xiě)器天線(xiàn)阻抗的匹配，研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向自動(dòng)匹配方面，并有了比較成功的案例。一般來(lái)說(shuō)，阻抗失配信息通過(guò)檢測(cè)反射系數(shù)、電壓駐波比或節(jié)點(diǎn)阻抗來(lái)獲取^[8-9]。本文通過(guò)切換電容網(wǎng)絡(luò)、掃描解調(diào)點(diǎn)電壓來(lái)獲取天線(xiàn)發(fā)射最大幅度，獲取最佳匹配電容和實(shí)現(xiàn)射頻前端電路阻抗與天線(xiàn)阻抗的自動(dòng)匹配。

1 自適應(yīng)天線(xiàn)匹配低頻RFID讀寫(xiě)器架構(gòu)

    完整的低頻RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器以及遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)三部分^[10]，其工作原理如圖1所示。電子標(biāo)簽也就是RFID射頻卡，具有智能讀寫(xiě)及加密通信的能力。電子標(biāo)簽包含天線(xiàn)、匹配網(wǎng)絡(luò)、充電模塊、傳輸算法模塊、存儲(chǔ)模塊等。低頻讀寫(xiě)器由天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)匹配模塊、讀寫(xiě)器芯片和微處理器組成，通過(guò)調(diào)制的射頻信號(hào)向標(biāo)簽發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，標(biāo)簽回答識(shí)別信息，然后讀寫(xiě)器把信號(hào)送到計(jì)算機(jī)或者其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

    自適應(yīng)天線(xiàn)匹配低頻RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)在基本的低頻RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能擴(kuò)展，該系統(tǒng)主要由微處理器模塊、功率放大、自適應(yīng)電容匹配網(wǎng)絡(luò)、低噪聲放大、正弦波均方根檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、天線(xiàn)以及相應(yīng)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(xiě)器系統(tǒng)多了3個(gè)模塊: 自適應(yīng)電容匹配網(wǎng)絡(luò)、正弦波均方根檢測(cè)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。其中正弦波均方根檢測(cè)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是為了檢測(cè)天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)的幅度，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存儲(chǔ)到微處理器；自適應(yīng)電容匹配網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)調(diào)節(jié)射頻前端電路阻抗與天線(xiàn)阻抗的匹配效率。

2 解調(diào)點(diǎn)電壓采集

    解調(diào)點(diǎn)電壓采集電路的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)的正弦波均方根檢測(cè)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，在電路設(shè)計(jì)上充分運(yùn)用高度集成專(zhuān)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(yīng)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(cè)電路。能夠直接將正弦波轉(zhuǎn)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(shí)最大誤差為±0.3 mV。另外，它能以高精度測(cè)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(dāng)天線(xiàn)上發(fā)射信號(hào)存在畸變，變成三角波等含有高次諧波的信號(hào)時(shí)，一樣可以檢測(cè)出其幅度。該芯片可以計(jì)算交流和直流輸入電壓的均方根值，因此當(dāng)檢測(cè)信號(hào)存在直流分量時(shí)，該芯片也可以檢測(cè)出相應(yīng)的幅度。此外在設(shè)計(jì)時(shí)，增加了一個(gè)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(dòng)，AD736也能分辨均方根值100 μV或更低的輸入信號(hào)電平。對(duì)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(zhuǎn)換電路采用ADS1113，該芯片具有16位分辨率的高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用超小型的MSOP-10封裝。ADS1113在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了精度、功耗和實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性。ADS1113具有一個(gè)板上基準(zhǔn)和振蕩器。數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)I2C兼容型串行接口進(jìn)行傳輸。

3 自適應(yīng)匹配電容網(wǎng)絡(luò)

    天線(xiàn)匹配電路如圖4所示，通過(guò)計(jì)算阻抗匹配計(jì)算相應(yīng)的電阻和電容值，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的天線(xiàn)匹配和各類(lèi)天線(xiàn)布局要求。將圖5中電容矩陣代替圖4中C4、C5構(gòu)成可調(diào)節(jié)天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)。由于天線(xiàn)電感值的變化在一定的范圍，不可能從0到無(wú)限大，因此可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)初步確定最大電感為L(zhǎng)_max，由此可以在電容矩陣連接一個(gè)不需要斷開(kāi)的電容C_M，其他的電容可以通過(guò)微處理器輸出控制信號(hào)D1、D2…D8控制MOS開(kāi)關(guān)來(lái)確定是否連接該電容到天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)。MOS開(kāi)關(guān)比普通的繼電器開(kāi)關(guān)體積小、成本低。但是在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間，開(kāi)關(guān)引腳之間、信號(hào)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(diào)節(jié)范圍產(chǎn)生變化，因此在設(shè)計(jì)電容矩陣式時(shí)需要將這些寄生電容也考慮進(jìn)去。電容矩陣中每個(gè)電容值的確定可以采用二進(jìn)制累進(jìn)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(lèi)推，C_D8為128C，總共可以構(gòu)成256種可配置的電容值組合。在實(shí)際工作中通過(guò)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(luò)，以達(dá)到最佳發(fā)射效率。

4 自適應(yīng)匹配方法與軟件設(shè)計(jì)

    自適應(yīng)天線(xiàn)匹配低頻RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示。為了保證正弦波均方根檢測(cè)電路和后續(xù)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路有足夠的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)換時(shí)間,確保采集的天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)的幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定，在讀取過(guò)程中需要加入多個(gè)延時(shí)。程序中需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)寄存數(shù)組用于存儲(chǔ)讀采集的256組發(fā)射信號(hào)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(duì)應(yīng)的位置，設(shè)置相應(yīng)的電容矩陣，獲取最佳匹配電容和實(shí)現(xiàn)射頻前端電路阻抗與天線(xiàn)阻抗的自動(dòng)匹配。通過(guò)使用微處理器MSP430提供的在線(xiàn)可編程功能，直接通過(guò)USB-JTAG轉(zhuǎn)接模塊，在計(jì)算機(jī)上調(diào)試仿真并下載微處理器。本系統(tǒng)采用高級(jí)語(yǔ)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(guò)筆記本計(jì)算機(jī)直接在現(xiàn)場(chǎng)修改程序，對(duì)功能和參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，這種方式給工業(yè)儀器儀表中參數(shù)修正和軟件升級(jí)帶來(lái)了極大方便。

5 實(shí)驗(yàn)分析

    實(shí)驗(yàn)分析分為兩部分。第一部分實(shí)驗(yàn)：選取10種天線(xiàn)，這10種天線(xiàn)的電感依次為300 μH、400 μH、…1 200 μH。依次連接在自適應(yīng)天線(xiàn)匹配低頻RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)上，啟動(dòng)自適應(yīng)程序，系統(tǒng)成功配置電容網(wǎng)絡(luò)，配置的電容網(wǎng)絡(luò)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(yīng)匹配后的網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率基本都在134 kHz左右（偏差不超過(guò)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(shí)驗(yàn)：將完整的自適應(yīng)天線(xiàn)匹配低頻RFID讀寫(xiě)器和普通的低頻RFID讀寫(xiě)器分別放置在水中，此時(shí)讀寫(xiě)器的天線(xiàn)電感將發(fā)生變化，普通的低頻RFID讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)距離明顯減少，而自適應(yīng)天線(xiàn)匹配低頻RFID讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)距離仍可以保持原來(lái)的水平。

    本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)天線(xiàn)匹配低頻RFID讀寫(xiě)器，該讀寫(xiě)器集成了發(fā)射幅度檢測(cè)電路和匹配電容矩陣以及相應(yīng) 的掃描和設(shè)置軟件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，大體實(shí)現(xiàn)了不同電感天線(xiàn)的發(fā)射匹配要求，比普通讀寫(xiě)器更能適應(yīng)水中工作。該設(shè)計(jì)方法還有進(jìn)一步的改進(jìn)空間，例如根據(jù)更多環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)了解天線(xiàn)電感變化的范圍，優(yōu)化電容矩陣結(jié)構(gòu)，提高匹配效率。該技術(shù)還可以移植到高頻和超高頻RFID系統(tǒng)中。

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