CN101211405A

CN101211405A - 射频识别字轮直读方法

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Publication number: CN101211405A
Application number: CNA2006101479733A
Authority: CN
Inventors: 曾洪庆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-02

Abstract

本发明提出了一种新型的基于射频识别(RFID)技术的无源射频识别字轮直读方法。该方法使用基于射频法的1比特射频识别应答器原理，在字轮上镶嵌或粘附有多个不同工作频率的无源应答器，通过阅读器阅读识别后，确定字轮的转动位置，从而识别字轮数字。该方法保留了传统的机械计量装置，同时无接触的读取字轮数字。这样，电子计量装置寄生在机械计量装置之上，电子计量部分的损坏不会影响机械计量部分，保证了计量过程的连续性和准确性，避免了纯电子计量中电子计量部分损坏导致整个计量装置失效的缺陷，可广泛用于各种使用字轮的计量场合。

Description

射频识别字轮直读方法

一、技术领域

家用计量仪表以及一些工业计量仪表，如水表、电表、煤气表等，他们大都有着共同的特征：字轮。用户通过字轮读取计量结果。机械计量与电子计量相比，有着一些固有的优点，抗破坏、抗干扰性强；计量结果直观准确，没有数据丢失的问题。目前，已有一些专利围绕如果从字轮直接读取数据，将自动抄表***建立在机械计量的基础上，避免电子计量造成的数据丢失、数据损坏问题。

本发明提出了一种新型的基于射频识别(RFID)技术的无源射频识别字轮直读方法。使用该技术，能够实现字轮的无源直读。该方法保留了传统的机械计量装置，同时无接触的读取字轮数字。这样，电子计量装置寄生在机械计量装置之上，电子计量部分的损坏不会影响机械计量部分，保证了计量过程的连续性和准确性，避免了纯电子计量中电子计量部分损坏导致整个计量装置失效的缺陷。

该方法分阅读器和应答器两部分，应答器嵌入或粘附在字轮中，阅读器与字轮无机械接触，固定在字轮周边于的空间，或者嵌入到字轮周边的部件中。由于无机械接触，密闭在字轮和周边部件中，因而本方法适应多种环境，可以在液体、气体等各种环境中稳定可靠的工作，识别率高，成本极低。

本方法使用于所有使用字轮的场合，包括水表、电表、煤气表等，基于本方法，可以实现新型的无线抄表***。

二、背景技术

射频识别是无线电识别的简称，即通过无线电波进行识别。射频***统场由应答器和阅读器组成。数据存储在应答器中，应答器的能量供应以及应答器与阅读器之间的数据交换通过磁场或电磁场完成，实现了无接触的能量供应和数据交换。

本方法所称的射频识别字轮直读方法，是一种无源射频直读方法。该方法通过射频的方法读取或提取信息，这种信息直观的反应了被测量的对象，无须进行额外的物理量之间的变换，所以称之为直读。这种方法本质上属于射频识别***，因而同样具有应答器和阅读器。

射频识别***中的应答器放置在要识别的物体上，应答器是射频识别***中的数据载体。通常应答器没有自己的供电电源，在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态；只有在阅读器的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器所需的能量，是通过非接触的耦合单元传输给应答器的。

射频识别***中的阅读器可以是读或者写/读装置，取决所使用的结构和技术。阅读器通常与阅读器线圈相连。应答器所需的能量来源于阅读器线圈所形成的场能。

射频识别***中应答器的数据量通常在几个字节到几千个字节之间。但是有一种特别的应答器，其数据量只有1比特，这就是1比特应答器。1比特只有1比特的数据量，他使阅读器能发出两种状态的信息，“有应答”或“无应答”。1比特应答器的工作模式有射频、微波、分频器、电磁法等方法。本方法所涉及的射频识别理论属于射频方法1比特应答器的范畴，应答器运用L-C振荡回路工作，能量的耦合方式为密耦合，此时，能量通过磁场进行耦合。

当阅读器线圈中流过电流时，产生磁场。初始磁场从天线上开始，在空间感应电力线。这个范围是天线的近场。当距离为λ/2π时，电磁场脱离天线，并作为电磁波进入空间，这种脱离的电磁波被称作为远距离场。当距离小于λ/2π时，能量通过磁场进行耦合，类似变压器的工作模式。

当阅读器天线线圈产生高频的强电磁场时，磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间。通常使用的频率范围内的波长比阅读器天线和应答器之间的距离大好多倍，因而可以把应答器到天线的距离间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。

发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答器天线线圈。通过感应，在应答器的天线线圈上产生一个电压U_i。将其整流后作为应答器的电源。将一个电容器C_r与阅读器的天线线圈并联，它与天线线圈的电感一起构成并联谐振电路。电容C_r的选择使谐振电路的谐振频率与阅读器的发射频率相同，此时，电路进入谐振状态，阅读器天线线圈产生非常大的电流，产生供应答器工作所需要的场强。

应答器的天线线圈和电容器C₁构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率，见图1。通过该回路的谐振，应答器上的电压U达到达到最大值。

这两个线圈的结构也可以解释作变压器(变压器的耦合)，变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。阅读器的天线线圈与应答器的之间的功率传输效率与工作频率f、应答器线圈的匝数n、被应答器线圈包围的面积A、两个线圈的相对角度以及他们之间的距离成比例。

处于谐振状态的应答器(应答器的谐振频率与阅读器的发送频率相符合)从阅读器的交变磁场中获取能量。从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻R_i上的压降可以测量这一附加功耗。当阅读器与应答器的相对位置不变时，虽然通过测量内阻R_i上的压降可以测量这一附加功耗，但是并无法感知出应答器产生谐振，因为没有参照可以用于判断。此时如果阅读器与应答器产生相对位移，由于在不同位置，应答器与阅读器的能量耦合程度不同，则可以在阅读器内阻R_i上检测出一个变化的电压。这个电压对应于阅读器天线电流的变化。反之，如果阅读器与应答器的相对位置不变，则需要通过扫频的方法来得到这种线圈电流的变化，从而感知应答器发生了谐振。

设阅读器的扫频范围从(f_c-f_b/2)到(f_c+f_b/2)，其中f_c为扫频器中心频率，f_b为扫频器带宽。设应答器的谐振频率为f_R，(f_c-f_b/2)＜f_R＜(f_c+f_b/2)，在扫频器的整个扫频带宽内，通过选择发送线圈和C_r，使发送线圈和C_r构成的并联谐振电路能够谐振，即谐振电路的中心频率为f_c，Δf≤f_b。当扫频器从(f_c-f_b/2)开始1频，输出频率等于f_R时，应答器产生谐振，此时通过测量R_i上的电压能够观察到线圈电流I_G的变化，如图2所示。

三、发明内容

本方法提出了一种采用电感耦合的近距离的射频字轮直读方法。本方法包含阅读器和应答器两部分。应答器镶嵌或粘附于字轮上，每个字轮镶嵌或粘附有多个应答器，每个应答器的谐振频率各不相同，当应答器镶嵌或粘附于字轮后，应答器的谐振频率和字轮数字构成位移的一组对应关系。阅读器位于字轮外部，每个字轮有一个或多个阅读器线圈，它们处于以字轮的圆心为圆心的一个圆周上。阅读器的核心为扫频器，以下用扫频器代替阅读器。阅读器线圈和应答器距离很近，通常在几个毫米左右，它们通过磁场耦合能量，构成电感耦合的密耦合***。

整个***由控制器、扫频器和应答器组成。应答器和阅读器工作于电感耦合模式。应答器嵌入或粘附在字轮上，是字轮的一部分。扫频器的输出发送至阅读器线圈，并有电容和发送线圈并联构成并联谐振电路。控制器控制扫频器的扫频频率和扫频速度，并检测线圈电流，对应答器进行识别。***结构见图3。

扫频器的中心频率为f_c，扫频带宽为f_b，扫频范围从(f_c-f_b/2)到(f_c+f_b/2)。扫频器在控制器的控制下产生扫频波，扫频频率和速度由控制器控制。在整个扫频带宽中，发送线圈和并联电容构成的并联谐振电路处于谐振状态，此时发送线圈中产生非常大的电流。

每个字轮都镶嵌有多个谐振频率各不相同的应答器。应答器为一个线圈以及一个与之并联的电容构成，为一个L-C谐振电路。选择合适的谐振频率，使应答器的设计微型化。微型化的应答器能够方便的嵌入或粘附在字轮上。

以每个字轮镶嵌10个谐振频率各不相同的应答器为例说明字轮数字与应答器的对应关系。各个应答器的谐振频率为f₀到f₉。不失一般性，设(f_c-f_b/2)＜f₀＜f₁＜…＜f₉＜(f_c+f_b/2)，称频率为f_i的应答器为应答器f_i。不失一般性，设应答器f₀镶嵌在字轮数字0的位置，应答器f₁镶嵌在字轮数字1的位置，依次类推。字轮的结构示意图见图4。全部的对应关系见下表。

应答器	字轮数字
应答器	字轮数字	f₀	0
f₁	1	f₀	0
f₁	1	f₂	2
f₃	3	f₂	2
f₃	3	f₄	4
f₅	5	f₄	4
f₅	5	f₆	6
f₇	7	f₆	6
f₇	7	f₈	8
f₉	9	f₈	8

控制器控制扫频器的扫频速度和扫频频率。在控制扫频速度和频率的同时，控制器测量当前输出频率和线圈电流，进行应答器识别。控制器输出频率控制信号V_f控制扫频器的频率输出。按照一定的规律调整V_f，控制器就能同时控制扫频器的频率和扫频速度。

当控制器接收到识别请求后，启动扫频器，控制器输出频率控制信号V_f，该信号控制扫频器的输出频率。控制器输出合适的V_f，使扫频器从(f_c-f_b/2)开始扫频，同时控制器测量扫频器的输出频率，校正控制信号V_f，通过这样一个闭环控制，控制器控制扫频器输出正确的扫频频率。

控制器在控制扫频的同时，通过检测R_i上的电压来测量线圈电流。在每一个频率f_i处，如果线圈电流I_G大于某一个电流阈值I_T，则认为应答器f_i产生了谐振，***检测到了当前字轮的数字；反之没有谐振，***继续扫频过程。为了识别结果准确可靠，***应该进行几次扫频过程，当***检测到应答器f_i后，继续扫频至(f_c+f_b/2)。如果有多个应答器谐振，则应判断线圈电流强度，线圈电流最强的应答器为识别后的应答器。***识别完成后，将字轮数字发送给请求方，完成一次识别过程。

由于每个字轮有10个数字，因此阅读器的数目N_R与应答器的数目N_A具有如下关系：N_R×N_A≥10。

当使用10个频率点时，字轮与10个应答器相对应，字轮至少需要一个阅读器线圈。每个应答器f_i与数字0-9中的一个相对应。此时，相邻应答器的夹角为36°。见图5，应答器f_i与阅读器线圈的距离d_i。阅读器与相邻应答器的距离

当使用5个频率点时，字轮与5个应答器相对应，此时字轮至少需要2个阅读器线圈，对应关系及阅读器的配置见图6。工作时，首先测量阅读器线圈1的电流，如果发现有应答器谐振，则识别成功；反之，则测量阅读器线圈2的电流，如果发现有应答器谐振，则识别完成。此时相邻应答器的夹角为72°，阅读器与相邻应答器的距离

四、附图说明

图1：电感耦合射频识别装置原理

图2：射频扫频法阅读器线圈电流的变化

图3：射频识别字轮直读结构图

图4：字轮结构示意图

图5：10个频率点时应答器与阅读器线圈的配置

图6：5个频率点时应答器与阅读器线圈的配置

五、具体实施方式

本方法的关键部分为应答器和扫频器的设计，其次是频率的测量和线圈电流的测量。下面详细说明各部分的设计。

1、应答器的设计

应答器采用PCB线圈和电容。应答器的谐振频率选定后，相应确定应答器的Q因子。根据应答器的谐振频率和Q因子，确定PCB线圈的电感和电容值。

Q＝Δf/f。这里f是应答器的谐振频率，Δf是应答器的带宽。f和Δf的选取要保证各个应答器的谐振频率不能重叠，并且需要保留一定的保护间隔。应答器的Q因子一般尽可能的大，保证谐振频率范围很窄。

2、扫频器的设计

扫频器需要产生频率可变的扫频波。扫频器的设计首先需要结合应答器的尺寸确定其工作频段。扫频器的另一个需要确定的参数是扫频带宽。扫频器扫频带宽一定要涵盖所有应答器的谐振频率。

扫频器可以使用压控振荡器(VCO)来实现。控制器控制压控振荡器的变容二极管的偏置电压改变振荡频率。可以通过一个D/A器件产生这个偏置电压，此时D/A的分辨率决定了扫频器输出的频率变化步长。

阅读器线圈和与之并联的电容必须要与扫频器的输出谐振。由于扫频器的输出带宽比较宽。所以阅读器线圈的Q因子相对比较小。Q＝ΔF/F，这里ΔF为扫频器的带宽，F为扫频器的中心频率。由于ΔF相对很大，所以Q因子相对比较小。

3、频率的测量

阅读器需要测量频率的值以进行应答器的识别。扫频器输出的波形不能直接进行测量。首先，通过比较器将正弦信号变为方波数字信号，然后通过一个计数器将方波信号分频，分频后的信号频率相对较低。对分频后的信号的频率测量有多种方法，通常可以采用脉宽(周期)测量法和频率测量法进行测量。

脉宽测量法：被测量信号的上升沿(或者下降沿)启动一个高频计数器。高频计数器的时钟频率为已知频率F。被测量信号的下降沿(或者上升沿)停止计数。跟据计数值N和时钟频率F就能得出被测量信号的频率f＝F/N。脉宽测量法适用于测量一个频率比较低的信号。

频率测量法：启动一个计数器，计数器的计数源为被测量信号。在某一个时刻启动计数器，经过一个已知的时间间隔T后，停止计数器，通过计数器的计数值n可以得到被测量信号的频率f＝N/T。频率测量法适用于测量频率比较高的信号。

4、线圈电流的测量

电流的测量通过测量采样电阻R上的压降实现。使用差分放大器对采样信号进行放大，再经过信号滤波，进入A/D器件。

5、应答器识别

应答器的识别通过对线圈电流和与之对应的频率值来判别。在开始识别前，需要取得没有应答器时各个频率的线圈电流值。在识别过程中，每一个扫频过程只可能有某一个应答器谐振，在其它应答器频率位置，对这些线圈电流值进行修正，以防止品质退化造成的电流变化。

Claims

1.一种射频识别字轮直读方法，它包括应答器和字轮、阅读器和阅读器线圈电路、控制器组成。其特征在于：整个射频直读方法通过射频识别的方式非接触的识别字轮当前转动位置，进而读取字轮数字；应答器镶嵌或粘附于字轮上，每个字轮镶嵌或粘附有多个应答器；在字轮的同一圆周上有一个或多个阅读器线圈，他们可以属于一个或多个阅读器；整个直读过程在控制器的控制下进行。

2.根据权利要求1所述的一种射频识别字轮直读方法，其特征在于所说的应答器采用LC谐振电路的方式实现。当外界电磁场的频率和应答器的谐振频率一致时，应答器产生谐振。

3.根据权利要求1所说的一种字轮的射频直读方法，其特征在于所说的每个字轮有多个应答器与之对应，每个应答器的谐振频率各不相同。字轮与应答器的对应关系决定了字轮转动位置即字轮数字与应答器的对应关系。

4.根据权利要求1所述的一种射频识别字轮直读方法，其特征在于所说的阅读器能够在控制器控制下依次产生涵盖所有应答器谐振频率的射频信号，处于扫频工作模式。阅读器产生的信号发送至阅读器线圈。阅读器线圈为LC谐振电路。

5.根据权利要求1所说的一种射频识别字轮直读方法，其特征在于所说的每个字轮有一个或多个阅读器线圈与之对应，阅读器线圈位于字轮的外部，处于以字轮圆心为圆心的同一圆周上。

6.根据权利要求1所说的一种射频识别字轮直读方法，其特征在于所说的控制器能够控制阅读器的扫频工作，产生指定的射频信号，能够测量阅读器线圈电流。

7.根据权利要求1所说的一种射频识别字轮直读方法，其特征在于所说的控制器能够根据测量出的线圈电流判断出是否有应答器谐振，进而根据谐振时的频率判断出字轮上哪一个应答器产生了谐振，从而判断出字轮的转动位置。