關(guān)于嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的研究

李壽強

（成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 610081）

0 引 言

電子標(biāo)簽主要利用射頻識別技術(shù)以及無線電通信技術(shù)，對特定的目標(biāo)進(jìn)行識別或者讀取特定目標(biāo)內(nèi)部存儲的信息[1]，因此又稱為射頻識別技術(shù)（radio frequency identification，RFID）。射頻識別系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)分為標(biāo)簽、讀寫器以及天線。其中，標(biāo)簽部分主要是由耦合元件即芯片組成，在每一個標(biāo)簽的內(nèi)部都配有與其相對應(yīng)的電子編碼，而且這種編碼具有唯一性，編碼本身承載著與目標(biāo)物有關(guān)的數(shù)據(jù)信息；讀寫器的作用則是對電子編碼進(jìn)行有效識別；天線是連接標(biāo)簽和讀取器的主要橋梁，主要起到傳遞無線射頻信號的作用[2]。電子標(biāo)簽的工作原理如圖1所示。

圖1 電子標(biāo)簽工作原理圖

從圖1可以看出，通過無線電射頻信號對目標(biāo)以及對象進(jìn)行自動識別然后獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，操作方便快捷，應(yīng)用前景廣泛，目前在產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測、倉庫管理、供應(yīng)鏈自動管理、防偽識別、醫(yī)療以及自動化生產(chǎn)等多個領(lǐng)域都涉及到電子標(biāo)簽技術(shù)的應(yīng)用。伴隨著微電子技術(shù)、集成電路以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，RFID芯片技術(shù)也日趨成熟，這使得嵌入式電子標(biāo)簽在功能、可靠性、體積以及成本上都有了更加明顯的優(yōu)越性。目前，嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域，尤其是在生產(chǎn)制造和裝配領(lǐng)域，可以利用嵌入式電子標(biāo)簽實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線的可視化管理以及生產(chǎn)過程的控制[3]。

1 電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測原理

要對電子標(biāo)簽進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測，主要涉及到嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、掃頻技術(shù)、微波技術(shù)、電磁技術(shù)以及通信技術(shù)等。根據(jù)電子標(biāo)簽的實現(xiàn)原理，其內(nèi)部主要有一個LC閉合回路，通過監(jiān)測該LC閉合回路固有的諧振頻率可以判斷標(biāo)簽是否存在。由此可見，電子標(biāo)簽的固有諧振頻率是衡量電子標(biāo)簽質(zhì)量的主要參數(shù)。現(xiàn)階段電子標(biāo)簽常用的頻段[4]如表1所示。

表1 電子標(biāo)簽常用的頻段

嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)，主要利用電子標(biāo)簽的互感效應(yīng)來實現(xiàn)其固有諧振頻率參數(shù)的測量。首先，信號發(fā)生電路生成特定頻率的射頻信號，通過檢測天線和待測標(biāo)簽產(chǎn)生互感效應(yīng)。然后，通過分析檢測環(huán)路的電壓，來確定待測標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)。在實際應(yīng)用中，讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入該電磁場時會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量，并且向讀寫器發(fā)送出自身編碼信息；經(jīng)過讀寫器采集、解碼后將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)接嬎銠C進(jìn)行分析和處理[5]。

利用上述原理，在實際生產(chǎn)過程中，當(dāng)產(chǎn)品在生產(chǎn)流水線上移動到工位后，工人取下該產(chǎn)品并進(jìn)行零配件的組裝，在這個過程中每個產(chǎn)品都加上RFID標(biāo)簽；等待該工位的工人裝配完后再把產(chǎn)品放回流水線，進(jìn)行下一道工序，因此，帶有RFID標(biāo)簽的產(chǎn)品在流水線上運轉(zhuǎn)的過程中，先后通過系統(tǒng)固定的多個RFID讀寫器，讀寫器獲取產(chǎn)品標(biāo)簽上的信息，然后將其傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)；最后，操作人員通過系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)，可以判斷產(chǎn)品在生產(chǎn)流水線運轉(zhuǎn)的狀況，以及產(chǎn)品的制造情況。

2 嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)

2.1 硬件設(shè)計

嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測的實現(xiàn)方式有多種，例如：單片機方式、DSP方式、ARM方式、FPGA方式等。根據(jù)電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測原理，綜合比較這些實現(xiàn)方式的特點，本系統(tǒng)采用ARM嵌入式計算機系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。ARM嵌入式計算機系統(tǒng)需要對無線射頻信號進(jìn)行快速地掃頻處理，并進(jìn)行準(zhǔn)確地采樣，而且在射頻識別的過程中能夠保持較好的頻率分辨率。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括檢測天線、功能模塊以及嵌入式處理模塊3大部分，其中功能模塊又主要分為信號發(fā)生模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊、人機接口模塊、以太網(wǎng)通信模塊等。系統(tǒng)硬件模塊的框圖如圖2所示。在嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，信號發(fā)生、采集以及嵌入式處理是決定系統(tǒng)靈敏度以及監(jiān)測精確性的核心環(huán)節(jié)。下面主要對嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的信號發(fā)生模塊、信號采集模塊以及嵌入式處理模塊進(jìn)行重點分析。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1.1 信號發(fā)生模塊

在嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，信號發(fā)生模塊主要起到信號發(fā)生源的功能，可以產(chǎn)生較高頻率精度和分辨率的無線射頻信號[6]。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，信號發(fā)生模塊產(chǎn)生無線射頻信號的分辨率最低限應(yīng)該達(dá)到200Hz。目前頻率信號合成技術(shù)主要有模擬鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）的方式和直接數(shù)字頻率合成（direct digital frequency synthesis，DDS）的方式。由于DDS方式輸出信號的頻率分辨率、輸出頻點數(shù)量、頻率切換時間和輸出相位的連續(xù)性等方面都明顯優(yōu)于PLL鎖相環(huán)的方式；因此，嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用DDS方式，進(jìn)行信號發(fā)生模塊的設(shè)計。

DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。給定參考時鐘頻率后，輸出信號的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線位數(shù)，幅度量化噪聲取決于ROM的數(shù)據(jù)位字長和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。目前，主流的DDS產(chǎn)品有Qualcomm公司的Q2334、Q2368；AD公司的AD7008、AD9850、AD9851等。本系統(tǒng)采用AD公司的AD9851進(jìn)行設(shè)計，該DDS芯片有32位頻率控制字，在180MHz時鐘下，輸出頻率分辨率達(dá)0.0372Hz，滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2.1.2 信號采集模塊

在嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，信號采集模塊的主要任務(wù)是對無線射頻信號進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠地采集。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，信號采集模塊應(yīng)該能夠準(zhǔn)確采集到頻率范圍達(dá)到14 MHz的無線射頻信號。根據(jù)信號采樣定律的有關(guān)理論，采樣信號的頻率至少應(yīng)該達(dá)到28MHz。為了協(xié)調(diào)高速的采樣數(shù)據(jù)和嵌入式處理器之間處理速度不一致的問題，本系統(tǒng)采用高速ADC轉(zhuǎn)換器配合高速FIFO芯片的數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)，可以讓ARM嵌入式處理器有效而完整地接收外部高速的突發(fā)數(shù)據(jù)，避免了采樣數(shù)據(jù)的丟失。

根據(jù)上述分析，嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)選用美國ADI公司的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD10242，其采樣速度可達(dá)40 MHz/s，是一種高速、高性能、低功耗的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠滿足設(shè)計的要求。高速ADC進(jìn)行信號采集的整個工作過程，均由嵌入式處理器ARM來控制。

2.1.3 嵌入式處理模塊

在嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，嵌入式處理模塊主要是對采集到的信號進(jìn)行分析、處理，以及控制信號采樣的工作流程。結(jié)合控制FIFO芯片的寫使能和輸入使能，嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)首先進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的緩存，然后微處理器從FIFO芯片讀取采樣數(shù)據(jù)，最后當(dāng)微處理器成功讀取到某一固定長度的數(shù)據(jù)信息，表示嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)射頻信號采樣過程結(jié)束。ADC采集完一次數(shù)據(jù)后，ARM處理器再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理，以及把數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳到上位機顯示和存儲。

2.2 軟件設(shè)計

由于嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測的實現(xiàn)需要和生產(chǎn)流水線進(jìn)行配合工作，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速、準(zhǔn)確、自動的監(jiān)測。為保證嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地響應(yīng)電子標(biāo)簽發(fā)射的無線射頻信號，并且監(jiān)測各執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行有效的控制，就需要通過軟件系統(tǒng)的設(shè)計來實現(xiàn)[7]。嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測的軟件部分，主要包含初始化模塊、主任務(wù)模塊、以太網(wǎng)通信模塊等功能模塊。

在嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，不僅要完成信號采樣和數(shù)據(jù)處理，還需要實現(xiàn)檢測結(jié)果的保存、鍵盤顯示的控制，以及以太網(wǎng)通信等處理。在系統(tǒng)中，若采用傳統(tǒng)的前后臺方式，不僅難以保證系統(tǒng)的實時性要求，而且系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于今后進(jìn)行系統(tǒng)的升級和維護(hù)；因此，本系統(tǒng)軟件采用具備較好實時性的嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux，它具有模塊化程度高、源碼公開、廣泛的硬件支持、安全性及可靠性好、可裁剪等優(yōu)點。根據(jù)功能需求，嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)包括信號采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、人機接口任務(wù)、通信任務(wù)等任務(wù)。

3 嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測效果分析

為了分析嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測的效果，通過一組對比實驗來進(jìn)行說明。在本實驗中，選擇標(biāo)稱諧振頻率為 13.56，8.2，4.75，3.75，1.81 MHz的5 種電子標(biāo)簽，分別用兩種不同的測試方案進(jìn)行電子標(biāo)簽的監(jiān)測。對兩次實驗測量到的諧振頻率結(jié)果進(jìn)行對比分析，如表2所示。其中，第1行數(shù)據(jù)是標(biāo)稱諧振頻率，即固有諧振頻率；第2行數(shù)據(jù)就是用嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測量得到的各標(biāo)簽的諧振頻率結(jié)果；第3行數(shù)據(jù)就是用LC回路方法測量的各標(biāo)簽的諧振頻率值。

表2 嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果分析表

實驗一采用嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。首先啟動電子標(biāo)簽質(zhì)量檢測系統(tǒng)，通過ARM嵌入式處理模塊控制信號發(fā)生模塊產(chǎn)生一個掃頻信號，該信號的頻率范圍覆蓋了被測電子標(biāo)簽固有頻率；然后信號采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并把數(shù)據(jù)傳送到ARM處理模塊進(jìn)行分析和處理，確定該電子標(biāo)簽的諧振頻率并顯示數(shù)值。

實驗二采用LC回路的方法對電子標(biāo)簽的固有諧振頻率進(jìn)行監(jiān)測。該方法主要是根據(jù)LC回路固有諧振頻率的定義，通過斷開標(biāo)簽的LC回路并串聯(lián)接入一個掃頻信號源，然后用示波器監(jiān)測電感或者電容兩端的電壓波形，確定電子標(biāo)簽的諧振頻率，該值能夠反映出電子標(biāo)簽諧振頻率的實際值[6]。LC回路測量方法的電路圖如圖3所示，其中，Us為掃頻信號源，R為回路的電阻，L和C就是斷開的電子標(biāo)簽內(nèi)部LC回路。LC串聯(lián)回路的選頻特性曲線如圖4所示。通過示波器測量可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生諧振時，電感L和電容C兩端電壓的大小相等、方向相反，且為電源電壓的Q倍，Q就是LC串聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)，Q值越大曲線越尖銳，它反映了LC回路的選頻特性的好壞。

圖3 LC回路測量電路

圖4 LC串聯(lián)回路的選頻特性

從表2可以看出，通過以上兩種方法監(jiān)測的電子標(biāo)簽質(zhì)量結(jié)果是等效的。采用本系統(tǒng)監(jiān)測出的電子標(biāo)簽固有諧振頻率接近于標(biāo)簽LC回路諧振頻率的實際值，表明使用本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測量標(biāo)簽固有諧振頻率，可以有效監(jiān)測電子標(biāo)簽質(zhì)量情況。

4 結(jié)束語

嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)是射頻識別技術(shù)的一種應(yīng)用，由于它不需在識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或者光學(xué)接觸，具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。本文主要研究嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，通過分析其監(jiān)測原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理以及測試效果，表明該技術(shù)在電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測上具有有效性和穩(wěn)定性，有助于相關(guān)廠商進(jìn)一步完善生產(chǎn)過程自動化的質(zhì)量管理要求。

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