三線圈式無源電子標簽質(zhì)量參數(shù)檢測技術(shù)研究*

盛慶元,蔡曉霞,朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學院,浙江 紹興 312000)

三線圈式無源電子標簽質(zhì)量參數(shù)檢測技術(shù)研究*

盛慶元*,蔡曉霞,朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學院,浙江 紹興 312000)

電子商品防盜系統(tǒng)(EAS)中的無源電子標簽工作原理可等效為LCR串聯(lián)電路,其諧振頻率FX和品質(zhì)因素Q是無源電子標簽關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)。針對目前二線圈式檢測方法檢測此類標簽參數(shù)存在的不足,設(shè)計一種差分式三線圈傳感探頭,分析了三線圈傳感探頭的工作原理,并采用Proteus軟件對此傳感探頭的等效電路模型仿真,驗證測量方法的可行性。同時設(shè)計了以MSP430F149處理器為核心的檢測硬件電路,并基于二分法設(shè)計了快速尋找FX和Q值的跳頻程序。以58 kHz聲磁無源電子硬標簽為測試對象,試驗表明:此檢測技術(shù)的FX、Q值測量的絕對誤差分別小于9.1 kHz和1.0,其性能優(yōu)于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)。

電氣工程;電子標簽;Proteus;諧振頻率;品質(zhì)因素

無源電子標簽的諧振頻率FX和品質(zhì)因素Q是其關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)[1]。ISO/IEC 18046-3-2007等[3-4]標準給出了EAS系統(tǒng)的電子標簽以及防盜檢測系統(tǒng)的基本規(guī)范要求。依據(jù)上述規(guī)范,目前無源電子標簽的傳感探頭一般分為單線圈、雙線圈兩種結(jié)構(gòu)模型。趙萬年[5]、宋小鋒[6]研究表明單線圈探頭檢測方法可以檢測電子標簽的諧振頻率,但無法對其Q值和其他參數(shù)進行分析和計算。李佳駿[1,7]利用磁場仿真軟件Ansoft HFSS,對多種檢測傳感器模型進行仿真建模,研究了傳感器形狀對測試性能的影響;牛元海[8-9]分析了標簽信號特征,提出了一種標簽信號的綜合判決流程,并設(shè)計出一種EAS掃頻信號源。楊成忠、朱亞萍等人[10-12]利用互感耦合原理建立了雙線圈探頭檢測模型,通過此模型可以檢測電子標簽的FX、Q值和有效容積等參數(shù),而此方法也存在一些不足:(1)發(fā)射線圈和無源電子標簽耦合系數(shù)值增大,測試的中心頻率發(fā)生很大的偏移;(2)發(fā)射線圈和接收線圈耦合系數(shù)值逐漸增大,系統(tǒng)偏差減小,但整體波形的帶寬發(fā)生了變化,即影響到無源電子標簽Q值。

為克服上述問題,專利CN 102735943A[13]提供一種消除上述發(fā)射與接收線圈間,無源電子標簽與發(fā)射和接收線圈間互相干擾問題。但是此專利傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其實質(zhì)需要6個線圈;本團隊專利CN106443826A[14]對上述專利進行改進,提出了一種四線圈探頭結(jié)構(gòu),并給出了傳感器檢測模型,此專利的不足在于使用的線圈數(shù)還是較多,用二階積分電路進行前期信號處理。另外,現(xiàn)有無源電子標簽質(zhì)量參數(shù)檢測都是通過掃頻方法,獲取無源電子標簽幅頻特性曲線,進而得到諧振頻率FX和品質(zhì)因素Q值,這種方法掃描時間長;在無源電子標簽生產(chǎn)過程中,此方法提供的反饋信號無法滿足快速定位磁棒插入深度要求,影響生產(chǎn)效率。

針對上述問題,本文提出了三線圈傳感探頭結(jié)構(gòu),對此傳感探頭的等效電路模型用Proteus軟件仿真,驗證測量方法的可行性;同時以MSP430處理器為核心,設(shè)計檢測技術(shù)的硬件電路和程序。解決了傳統(tǒng)雙線圈結(jié)構(gòu)傳感器存在各部分間干擾導(dǎo)致測試FX值誤差大和無法測試Q值的等問題。

1 無源電子標簽工作原理

電子商品防盜系統(tǒng)簡稱EAS,又稱電子商品防竊(盜)系統(tǒng),是目前大型零售行業(yè)廣泛采用的商品安全措施之一。EAS主要由檢測器、解碼器和無源電子標簽三部分組成;無源電子標簽又可分為軟標簽和硬標簽。

圖1 常規(guī)無源電子標簽測試方法示意圖

如圖1所示,常規(guī)無源電子標簽FX和Q值檢測裝置與實際中所使用的EAS系統(tǒng)相似。在監(jiān)視區(qū),發(fā)射線圈以一定的頻率向接收器發(fā)射信號。發(fā)射線圈與接受器一般安裝在零售店等的出入口,形成一定的監(jiān)視空間。當無源電子標簽經(jīng)過檢測區(qū)域時,檢測區(qū)域含有隨頻率變化的磁場,無源電子標簽內(nèi)部的電感會產(chǎn)生感應(yīng)電壓,形成感應(yīng)電流,此感應(yīng)電流也會產(chǎn)生磁場,反過來干擾檢測區(qū)域的磁場分布,使檢測線圈產(chǎn)生一個明顯的擾動信號,這種干擾信號會被接收器接收,再經(jīng)過微處理器的分析判斷,就會控制警報器的鳴響。接收線圈接收到的感應(yīng)信號含有無源電子標簽的質(zhì)量參數(shù)信息。顯然當無源電子標簽發(fā)生諧振時產(chǎn)生的擾動信號最強,無源電子標簽的品質(zhì)因數(shù)Q值越大,無源電子標簽的選頻特性越好,相應(yīng)接收器越容易識別無源電子標簽的存在。朱亞萍[11]對圖1中的雙線圈檢測方法研究表明:無源電子標簽線圈與發(fā)射和接收線圈間的互感系數(shù)增大,諧振頻率偏差加劇,甚至無法對無源電子標簽進行檢測。

2 傳感探頭設(shè)計

2.1 傳感探頭結(jié)構(gòu)

設(shè)計的三線圈式傳感探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感探頭包括發(fā)射線圈、左接收線圈、右接收線圈。結(jié)構(gòu)特點在于:①發(fā)射線圈位于左、右接收線圈正中間;②左、右接收線圈結(jié)構(gòu)完全相同;③左、右接收線圈通過導(dǎo)線串聯(lián),當左、右接收線圈有電流時,電流在左、右接收線圈內(nèi)的流轉(zhuǎn)旋向相反;④發(fā)射線圈的直徑是接收線圈直徑的1.5～2.5倍,接收線圈的直徑是無源電子標簽直徑的1.2～1.5倍,發(fā)射線圈與左、右接收線圈之間的間距為接收線圈直徑的1.3～1.8倍。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感探頭工作原理分析

無源電子標簽未進入探頭檢測區(qū)域時,發(fā)射線圈施加交流信號激勵,在發(fā)射線圈附近較大范圍內(nèi)產(chǎn)生磁場,由于左、右接收線圈旋向相反,所以左、右接收線圈形成的閉合區(qū)域內(nèi)磁通量為零,感應(yīng)電動勢之和為零。當被測硬標簽置于右接收線圈(以被測硬標簽置于右接收線圈為例說明)附近的中心區(qū)域,無源電子標簽受發(fā)射線圈磁場的影響,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,在無源電子硬標簽內(nèi)形成感應(yīng)電流,此感應(yīng)電流也會產(chǎn)生磁場。左、右接收線圈感應(yīng)無源電子標簽產(chǎn)生的磁場,形成感應(yīng)電動勢;其中,右接收線圈位于無源電子硬標簽附近,受無源電子硬標簽產(chǎn)生的磁場的影響明顯,而左接收線圈遠離無源電子硬標簽,受無源電子硬標簽感應(yīng)磁場的影響很弱。所以,發(fā)射線圈施加不同頻率的交流信號激勵時,左接收線圈、右接收線圈的感應(yīng)電動勢之和包含了無源電子硬標簽的諧振頻率FX和Q值信息。

2.3 傳感探頭電路等效模型分析與仿真

2.3.1 傳感探頭等效電路模型

分析傳感探頭工作狀態(tài)的等效電路模型時,采用互感耦合原理,將線圈感應(yīng)電壓等效為電流控制的電壓源。由上述傳感探頭工作原理,探頭工作時對應(yīng)的電路模型如圖3所示。

圖3 傳感探頭工作等效電路模型

圖3中,無源電子標簽被等效為線圈、電容的LCR串聯(lián)電路,其中,R為線圈內(nèi)阻,L為電子硬標簽線圈電感值,C為電子硬標簽的電容值,此RLC串聯(lián)電路的諧振頻率FX:

(1)

圖3中M、M1分別為無源電子標簽與發(fā)射線圈、右接收射線圈的互感系數(shù),L1、L2、L3分別是發(fā)射線圈、左接收線圈、右接收線圈的等效電感,圖3中發(fā)射線圈和無源電子標簽部分電路的向量關(guān)系如下:

(2)

(3)

由式(2)、式(3)可得接收線圈輸出信號:

(4)

(5)

(6)

式(2)～式(6)中:Z、Z1分別為無源電子標簽,發(fā)射線圈同信號源內(nèi)阻的阻抗。對傳感探頭和某一被檢測無源電子標簽來說,參數(shù)M、M1、R是確定值,施加給定的激勵源時|Z1|也是確定值。因此,由U0可反推無源電子標簽T(jw)參數(shù)信息。

2.3.2 探頭工作電路仿真

探頭工作電路時采用的仿真電路如圖4(a)所示,對式(6)中的w2在圖4(a)中采用了二級積分電路處理,使用Proteus的頻率分析功能,圖4(a)中的C3(1)處的輸出信號以圖4(a)中激勵U1為參考,仿真得到C3(1)處的歸一化幅頻特性曲線如圖4(b)所示。依圖4(b)仿真結(jié)果曲線與標簽LCR幅頻特性曲線一致,可由圖4(b)的曲線獲取無源電子標簽的質(zhì)量參數(shù)FX和Q值,說明此方法的可行性。

圖4 傳感器電路仿真

圖5 硬件設(shè)計總體方案框圖

3 檢測電路與軟件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計方案

硬件設(shè)計總體方案框圖如圖5所示,包括:敏感探頭、信號處理模塊、控制單元、人機交互接口和電源模塊。其中信號處理模塊包括激勵信號源單元、差分單元、真有效值檢測單元、A/D轉(zhuǎn)換單元。激勵信號源為發(fā)射線圈提供激勵源,差分單元的兩個輸入端分別與所述左接收線圈、右接收線圈相連,真有效值檢測單元獲取交流信號U0的真有效值。

3.2 電路詳細設(shè)計

圖6 主要模塊單元的電路原理圖

3.2.1 激勵信號源設(shè)計

激勵信號源單元采用DDS電路。如圖6所示本文中設(shè)計的激勵信號源采用了AD9833芯片,它是可編程波形發(fā)生器,能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出。AD9833頻率寄存器是28 bit的,主頻時鐘為25 MHz時,精度為0.1 Hz。AD9833有3根串行接口線,易于與DSP和各種主流微控制器兼容。圖6中的信號SMA、GND端分別與發(fā)射線圈兩端相連。

3.2.2 差分單元設(shè)計

差分單元可以用差分運放實現(xiàn)。圖6中差分單元可采用了AD8129差分放大器,AD8129為差分至單端放大器,它可以有效地用作高速儀表放大器,或用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號。圖6中的信號SMB、SMC端分別與左接收線圈、左接收線圈未相連端連接。

3.2.3 真有效值檢測單元設(shè)計

真有效值檢測單元的功能是將交流信號轉(zhuǎn)化為有效值直流電壓作為輸出。圖6中采用了真有效值檢測AD637芯片,AD637可計算任何復(fù)雜交流(或交流加直流)輸入波形的真均方根值、均方值或絕對值,并提供等效直流輸出電壓。

3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換單元

公示語漢英語料庫的充實有助于公示語翻譯的統(tǒng)一性與規(guī)范性。當翻譯公示語時，譯者可以首先從語料庫中查找相對應(yīng)的譯文，這樣既可以規(guī)范了公示語的翻譯，準確率又得到提高。語料庫可以不斷地充實、更新，以便跟上時代的發(fā)展以及大眾的心理要求。

A/D轉(zhuǎn)換單元采用ADS1115芯片,它是具有16 bit分辨率的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),數(shù)據(jù)通過一個I2C兼容型串行接口進行傳輸,能夠以高達每秒860個采樣數(shù)據(jù)(SPS)的速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作,具有一個板上可編程增益放大器(PGA)。其他部分電路屬電路設(shè)計的常規(guī)電路,本文中不再做詳細闡述。

3.3 軟件設(shè)計

軟件程序采用了模塊化設(shè)計,在IAR集成開發(fā)環(huán)境中,采用C語言編寫。主要由主程序、AD9833驅(qū)動子程序、ADS1115驅(qū)動子程序、液晶觸摸屏驅(qū)動子程序等幾個模塊構(gòu)成,各個驅(qū)動子程序的編程可參考使用說明書。

3.3.1 主程序設(shè)計

主程序流程如圖7所示,首先完成對I/O口、定時器/計數(shù)器T0及液晶觸摸屏驅(qū)動等的初始化設(shè)置,然后調(diào)用AD9833驅(qū)動子程序產(chǎn)生激勵信號,接著調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序記錄響應(yīng)信號Udc,尋找(Udc)max對應(yīng)諧振頻率FX;之后尋找0.707(Udc)max對應(yīng)的上、下頻率FU、FD,按式(7)求出Q;最后調(diào)用顯示驅(qū)動子程序,顯示結(jié)果。

Q=FX/(FU-FD)

(7)

圖7 主程序流程圖

3.3.2FX值測試方法

無源電子標簽的諧振頻率FX的檢測方法,包括如下步驟:

S1:確定電子無源電子標簽諧振頻率FX的測試范圍[fa,fb];

S2:確定激勵信號源的最小分辨率ε,賦值f0=fa,f2=fb;

S3:計算Δf=(f2-f0)/4;

S4:控制單元發(fā)送命令,使激勵信號源單元依次產(chǎn)生幅值相等,頻率為f0、f0+Δf、f0+2Δf、f0+3Δf、f2的正弦波激勵信號;

S5:控制單元依次獲取經(jīng)過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應(yīng)差分信號對應(yīng)的數(shù)字量響應(yīng)信號U0(f0)、U0(f0+Δf)、U0(f0+2Δf)、U0(f0+3Δf)、U0(f2),對U0(f0)、U0(f0+Δf)、U0(f0+2Δf)、U0(f0+3Δf)、U0(f2)分別按1、(f0/(f0+Δf))2、(f0/(f0+2Δf))2、(f0/(f0+3Δf))2、(f0/f2)2倍進行修正,修正后這5個值中最大值對應(yīng)的頻率記為fmax。

S6:若Δf≤ε,fmax即為作為電子無源電子標簽的諧振頻率F值,程序結(jié)束,否則進入步驟S7;

S7:設(shè)定f0=fmax-Δf,f2=fmax+Δf,并返回步驟S3。

其中,頻率范圍[fa,fb],可由電子無源電子標簽的工作范圍確定,如58 kHz的聲磁無源電子標簽合格的工作范圍一般為57.8 kHz～58.2 kHz;ε可由信號激勵單元確定,如上述AD9833芯片,主頻時鐘為25 MHz時,精度為0.1 Hz,既最小頻率分辨率ε為0.1 Hz。

3.3.3Q值測試方法

無源電子標簽的品質(zhì)因素Q值的檢測方法,是基于二分法尋找真有效值檢測單元輸出最大值Umax、0.707Umax時對應(yīng)頻率FU、FD的跳頻方法。

尋找FD值的方法具體包括如下步驟:

S11:確定FD尋找范圍[fa,FX];

S12:賦值f0=FX,f1=fa;

S13:計算Δf=(f0-f1)/2;

S14:控制單元發(fā)送命令,使激勵信號源單元產(chǎn)生頻率為f1+Δf正弦波激勵信號;

S15:控制單元獲取經(jīng)過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應(yīng)差分信號對應(yīng)的數(shù)字量響應(yīng)信號U0(f1+Δf),對U0(f1+Δf)按(FX/(f1+Δf))2倍進行修正后記為Ux,修正后的值與0.707U0(FX)比較;

S16:若Ux>0.707U0(FX),進入步驟S17,否則進入步驟S18;

S17:賦值f0=f0-Δf,進入步驟S19;

S18:賦值f1=f1+Δf;

S19:若Δf≤ε,f1即作為FD值,程序結(jié)束,否則返回步驟S13。

尋找FU值的方法具體包括如下步驟:

S21:確定FU尋找范圍[FX,fb];

S22:賦值f0=F,f2=fb;

S23:計算Δf=(f2-f0)/2;

S24:控制單元發(fā)送命令,使激勵信號源單元產(chǎn)生頻率為f2-Δf正弦波激勵信號;

S25:控制單元獲取經(jīng)過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應(yīng)差分信號對應(yīng)的數(shù)字量響應(yīng)信號U0(f2-Δf),對U0(f2-Δf)別按(FX/(f2-Δf))2倍進行修正后記為Ux,修正后的值與0.707U0(FX)比較;

S26:若Ux>0.707U0(FX),進入步驟S27,否則進入步驟S28;

S27:賦值f0=f0+Δf,進入步驟S29;

S28:賦值f2=f2-Δf;

S29:若Δf≤ε,f2即作為FU值,程序結(jié)束,否則返回步驟S23。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗方法

為了測試設(shè)計的檢測技術(shù)性能,以市售58 kHz聲磁無源電子硬標簽為測試對象,將硬標簽中的磁棒插入不同的深度,形成硬標簽等效不同LCR串聯(lián)電路,電容C和電阻R值不變,L變化。進而形成諧振頻率FX和Q值不同LCR回路。試驗用測試設(shè)備為LCR測試儀(固緯LCR-8105G)、EAS頻率檢測儀(E-X5006AM),分3種方法測試。

方法一:用LCR測試儀直接與硬標簽電容、電感斷開引腳連接測量FX和Q值,作為標準參考值,記為Fc、Qc。

方法二:用EAS頻率檢測儀檢測得到FX值,作為對比值Fb(EAS頻率檢測儀無Q值檢測功能)。

方法三:用本文的傳感探頭(由PCB技術(shù)制作螺旋線圈得到)和檢測技術(shù)測試得到的FX和Q值記為Fm、Qm,此方法的測試裝置如圖8所示。在未放置無源電子硬標簽前,對左右接收線圈的相對位置進行微調(diào),使U0輸出為0 V,消除系統(tǒng)誤差后進行試驗。

圖8 方法三試驗測試裝置圖

4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

本次試驗的測試諧振頻率FX、品質(zhì)因素Q原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)分析表

通過數(shù)據(jù)分析可知:方法三測試的諧振頻率FX絕對誤差要比市售E-X5006AM型小的多,其測試最大絕對誤差為9.1 Hz,比E-X5006AM測試的最大絕對誤差0.082 kHz小9.01倍。方法三測試計算得到的品質(zhì)因素Q值的絕對誤差值也較小,其最大絕對誤差為1.0。

5 結(jié)論

硬標簽生產(chǎn)插入磁棒過程需實時測量FX和Q值,以確定磁棒插入深度;另一方面,標簽FX和Q值是EAS系統(tǒng)靈敏性的關(guān)鍵指標。本文針對二線圈式檢測無源電子標簽參數(shù)存在的不足,提出了一種三線圈傳感探頭結(jié)構(gòu),采用Proteus軟件對此傳感探頭等效工作電路就行仿真,驗證測量方法的可行性。同時完成了以MSP430F149處理器為核心的檢測的軟硬件設(shè)計;在軟件設(shè)計中采用了基于二分法快速尋找FX、FU、FD跳頻程序,縮短了檢測時間。實驗以58 kHz聲磁無源電子標簽進行測試,試驗表明此檢測技術(shù)的FX、Q值測量的絕對誤差分別小于9.1 Hz和1.0,其諧性能優(yōu)于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)。下一步可對本設(shè)計方法的靈敏度、重復(fù)性以及標簽不同擺放位置對測量精度的影響等進行研究。

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盛慶元(1988-),男,2013年畢業(yè)于江蘇大學農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程專業(yè),獲碩士學位,現(xiàn)為紹興職業(yè)技術(shù)學院機電一體化技術(shù)專業(yè)專任教師;主要從事電磁傳感器設(shè)計、專機設(shè)備研發(fā)和農(nóng)業(yè)生物環(huán)境參數(shù)檢測技術(shù)研究,shengqingyuan@sxvtc.com;

蔡曉霞(1978-),女,2001年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學機械工程領(lǐng)域工程專業(yè),獲碩士學位,現(xiàn)為紹興職業(yè)技術(shù)學院副教授,主要從事研究方向為設(shè)備遠程智能維護與智能控制的研究,caixiaoxia@sxvtc.com。

ResearchonQualityParametersDetectionofPassiveElectronicLabelUsingThree-Coil*

SHENGQingyuan*,CAIXiaoxia,ZHUDan

(Shaoxing Vocational and Technical College,Shaoxing Zhejiang 312000,China)

The principle of passive electronic tags in electronic goods anti-theft systems(EAS)can be equivalent toLCRseries circuits whose resonant frequencyFXand quality factorQare the key quality parameters of passive electronic tags. Aiming at the shortcomings of the current two-coil detection method to detect such tag parameters,a three-coil sensor probe structure is designed. The working principle of the three-coil sensing probe is analyzed,and the equivalent circuit of the sensor is adopted by Proteus software Model simulation,verify the feasibility of the measurement method. At the same time,the detection hardware circuit with MSP430F149 processor is designed,and the hopping-frequency program ofFXandQis designed based on dichotomy. The experimental results show that the absolute error ofFXandQvalue measurement is less than 9.1 kHz and 1.0,respectively. The performance is better than that of commercial EAS frequency detector(E-X5006AM).

electrical engineering;electronic tags;proteus;resonant frequency;quality factor

TH7;TP212

A

1004-1699(2017)11-1653-07

項目來源:浙江省教育廳科研項目(Y201738724);紹興職業(yè)技術(shù)學院2017年一般科研項目(201712)

2017-05-08修改日期2017-06-28

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.007