CN101655925A - 一种密耦合电子标签及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密耦合电子标签及其控制方法。密耦合电子标签包括主控模块、信号接收电路、放大电路和天线，还包括电源和增益控制电路，信号接收电路包括可控放大电路；电源向电子标签的各部分供电，主控模块在接通电源后向天线发送载波检测信号，主控模块从信号接收电路获取采样信号作为主控模块确定可控放大电路放大倍数的依据，主控模块通过增益控制电路调节可控放大电路的放大倍数。本发明既保证密耦合电子标签能够在不同的环境下接收到数据，又保证只能在一定的范围内接收数据。所以，本发明是一种够探知自身所处的电磁环境，且能够自动适应不同电磁环境的影响，实现读卡距离范围不变的密耦合电子标签。

Description

一种密耦合电子标签及其控制方法

[技术领域]

本发明涉及无线射频识别技术，尤其是涉及一种密耦合电子标签及其控制方法。

[背景技术]

在以往的密耦合电子标签设计中，由于市场没有特殊的应用要求，在接收电路中采用了直接电感近场耦合技术，在信号接收电路，接收到的信号直接经过检波处理。首先，当标签接收天线在小面积下读卡距离非常近；其次，在存在屏蔽的环境下，标签不能够被识别。而且，由于传统的电子标签不能够探知自身所处的电磁环境，在读卡距离上只能实现在不同的电磁环境下，出现不同的识别距离。然而，在电子钱包、电子商务、电子结算业务等应用场合下，电子标签的识别距离需要严格限制在近距离的一定范围之内。市场上广泛应用的2.4G赫兹频率的电子标签，因其读取距离不具有可控性，在一些需要固定读卡距离的应用场合也不能正常应用。

在当前手机用户非常普及的情况下，应用手机实现快速付费消费的要求摆在手机生产商和网络运营商的面前。这就需要一种能集成到SIM卡上的电子标签，所有手机用户只要更换SIM卡就可以具有这种最具潜力的消费方式。但是，对于网络运营商来说更需要的是消费的安全性，这就要求空中接口要加密，读卡距离必须控制在一定范围内。由于不同的手机其构造设计和材料不同，其对于射频信号的影响也各不相同，目前SIM卡上的电子标签无法在不同结构手机的手机中都能满足固定读卡距离的要求。为了实现读卡距离不变这一目的，要求于手机广大用户更换手机是不合理的，这就需要SIM卡上的电子标签能够自动适应不同手机电磁环境的变化，实现读卡距离范围不变的效果。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种够探知自身所处的电磁环境，且能够自动适应不同电磁环境的影响，实现读卡距离范围不变的密耦合电子标签。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种够探知自身所处的电磁环境，且能够自动适应不同电磁环境的影响，实现读卡距离范围不变的密耦合电子标签的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种密耦合电子标签，包括主控模块、信号接收电路、放大电路和天线，还包括电源和增益控制电路，所述的信号接收电路包括可控放大电路；所述的电源向电子标签的各部分供电，所述的主控模块在接通电源后向天线发送载波检测信号，所述的主控模块从信号接收电路获取采样信号作为主控模块确定可控放大电路放大倍数的依据，所述的主控模块通过增益控制电路调节可控放大电路的放大倍数。

以上所述的密耦合电子标签，所述的主控模块包括控制单元、载波输出电路、模数转换电路和数模转换电路，所述的主控模块在接通电源后控制载波输出电路向天线发送载波检测信号，所述的采样信号经模数转换电路输入控制单元，作为控制单元确定可控放大电路放大倍数的依据；所述的控制单元控制数模转换电路输出不同数值的直流电流，所述的增益控制电路将数模转换电路输出不同数值的直流电流转换成不同的直流电压。

以上所述的密耦合电子标签，所述的增益控制电路包括第一三极管、升压电阻和负载电阻，所述的升压电阻接在第一三极管的基极与地之间，所述的负载电阻接在第一三极管的发射极与地之间，第一三极管的集电极接电源正极；第一三极管的基极接所述的数模转换电路的输出端，第一三极管的发射极接所述的可控放大电路的电源输入端。

以上所述的密耦合电子标签，所述的可控放大电路包括第二三极管、第二三极管上拉电阻、第二三极管集电极电阻，所述第二三极管的集电极经第二三极管集电极电阻接增益控制电路直流电压输出端，所述的第二三极管上拉电阻接在增益控制电路直流电压输出端与第二三极管基极之间，第二三极管的基极经天线匹配电容接天线，第二三极管的集电极作为可控放大电路的输出端，第二三极管的发射极接地。

以上所述的密耦合电子标签，所述的信号接收电路包括第二放大电路、检波电路和滤波电路，所述的第二放大电路包括第三三极管、第三三极管上拉电阻、第三三极管集电极电阻，所述第三三极管的集电极经第三三极管集电极电阻接电源正极，所述的第三三极管上拉电阻接在电源正极与第三三极管基极之间，第三三极管的基极经第一耦合电容接第二三极管的集电极，第三三极管的发射极接地，第三三极管的集电极经第二耦合电容接检波电路，第二放大电路输出的信号顺次经检波电路和滤波电路处理后输入放大电路，所述的采样信号由检波电路输出经模数转换电路输入控制单元。

以上所述的密耦合电子标签，所述的检波电路包括检波二极管、充电电容和放电电阻，检波二极管的阳极经第二耦合电容接第三三极管的集电极，充电电容和放电电阻并接后一端接检波二极管的阴极，另一端接地；所述的滤波电路包括滤波电阻和滤波电容，所述的滤波电阻一端接检波二极管的阴极，另一端接放大电路的输入端，所述的滤波电容一端接放大电路的输入端，另一端接地；所述检波二极管的阴极接主控模块的模数转换电路。

以上所述的密耦合电子标签，包括匹配电路，所述的匹配电路包括传输电阻、第一匹配电容、第二匹配电容和匹配电感，所述的传输电阻、第一匹配电容和匹配电感依次串接；串接电路的电阻端接主控模块的载波输出电路的输出端，串接电路的电感端接天线；第二匹配电容的一端接串接电路的电感端，另一端接地。

一种密耦合电子标签的控制方法的技术方案是，包括以下步骤：

801)主控模块在电子标签接通电源后向天线发送载波检测信号；

802)主控模块从信号接收电路获取采样信号并对采样信号进行数字化；

803)将采样信号的数字值与保存在主控模块中的预设值进行比较；如采样信号的数字值大于或等于预设值，就进行步骤805，如采样信号的数字值小于预设值则进行步骤804；

804)主控模块通过增益控制电路增大可控放大电路的放大倍数，然后返回步骤802；

805)主控模块保存对增益控制电路的控制参数，固定可控放大电路后续的放大倍数不变；

806)主控模块停止向天线发送载波检测信号；

807)电子标签进入正常工作状态。

以上所述的控制方法，所述的主控模块包括控制单元和数模转换电路，在步骤804中，所述的控制单元控制数模转换电路加大输出的直流电流值，所述的增益控制电路将数模转换电路输出的直流电流按比例转换成直流电压；在步骤805中，固定模转换电路输出的电流值和增益控制电路输出的电压值。

本发明密耦合电子标签的主控模块上电后即发射出载波检测信号，紧接着就是环境测试过程，在此过程中天线相当于一个电感，当有金属靠近时，电感的参数放发生变化。天线和耦合电容组成一个谐振电路，当上电时天线和耦合电容有一个初始的谐振频率，此时主控模块对自身发出的载波信号通过信号接收电路的回馈的信号进行采样，这样主控模块就可以检测出载波回馈信号的强度，当有金属物体靠近时，载波检测信号的能量发生变化，采样信号减弱，这样就知道进入了一个类似金属屏蔽环境。在主控模块的控制下增益控制电路使信号接收电路的可控放大电路的放大倍数适度增加。即使有金属屏蔽，由于信号能量被放大，信号仍然有可能被识别。如果采样信号没有变化，说明密耦合电子标签没有进入屏蔽环境，可控放大电路就采用***原来设定的比较小的放大倍数。这样既保证密耦合电子标签能够在不同的环境下接收到数据，又保证只能在一定的范围内接收数据。所以，本发明是一种够探知自身所处的电磁环境，且能够自动适应不同电磁环境的影响，实现读卡距离范围不变的密耦合电子标签。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明密耦合电子标签实施例的原理框图。

图2是本发明密耦合电子标签实施例作为主控模块的单片机C8051F330的接线图。

图3是本发明密耦合电子标签实施例增益控制电路的电路图。

图4是本发明密耦合电子标签实施例可控放大电路和第二放大电路的电路图。

图5是本发明密耦合电子标签实施例检波电路和滤波电路的电路图。

图6是本发明密耦合电子标签实施例匹配电路的电路图。

图7是本发明密耦合电子标签实施例放大电路的电路图。

图8是本发明密耦合电子标签控制方法的流程图。

[具体实施方式]

本发明密耦合电子标签实施例的原理如图1所示。密耦合电子标签包括主控模块、增益控制电路、信号接收电路、放大电路、天线和电源(电源未示出)信号接收电路包括可控放大电路、检波电路和滤波电路。电源向电子标签的各部分供电，本发明中主控模块所使用的单片机包括控制单元、载波输出电路、模数转换电路和数模转换电路，主控模块在接通电源后控制载波输出电路向天线发送载波检测信号，同时，主控模块从信号接收电路获取采样信号，采样信号经模数转换电路输入控制单元，作为控制单元确定可控放大电路放大倍数的依据；控制单元控制数模转换电路输出不同数值的直流电流，增益控制电路将数模转换电路输出不同数值的直流电流转换成不同的直流电压以调节可控放大电路的放大倍数。

主控模块上电后即通过载波输出电路发射出载波检测信号，紧接着就是环境测试过程，在此过程中天线相当于一个电感，当有金属靠近时，电感的参数放发生变化。天线和耦合电容组成一个谐振电路，当上电时天线和耦合电容有一个初始的谐振频率，此时主控模块对自身发出的载波信号通过信号接收电路的回馈的信号进行采样，这样主控模块就可以检测出载波回馈信号的强度，当有金属物体靠近时，载波检测信号的能量发生变化，采样信号减弱，这样就知道进入了一个类似金属屏蔽环境。在主控模块的控制下增益控制电路使信号接收电路的可控放大电路的放大倍数适度增加。即使有金属屏蔽，由于信号能量被放大，信号仍然有可能被识别。如果采样信号没有变化，说明密耦合电子标签没有进入屏蔽环境，可控放大电路就采用***原来设定的比较小的放大倍数。这样既保证密耦合电子标签能够在不同的环境下接收到数据，又保证只能在一定的范围内接收数据。

如图2所示，主控模块所使用的单片机C8051F 330有1个DAC管脚，此端口能够输出一个类似于电流源的可控电流IDC。ADC管脚作为模数转换电路的输入端能够对电压模拟量进行采样数字化。

增益控制电路如图3所示。包括三极管Q1、升压电阻R4和负载电阻R5，升压电阻R4接在三极管Q1的基极与地之间，负载电阻接在三极管Q1的发射极与地之间，三极管Q1的集电极接电源正极VCC；三极管Q1的基极接数模转换电路的输出端IDC，三极管Q1的发射极接可控放大电路的电源输入端CONT。

可控放大电路和第二放大电路如图4所示。可控放大电路包括三极管Q2、上拉电阻R6、集电极电阻R7，三极管Q2的集电极经集电极电阻R7接增益控制电路的直流电压输出端CONT，上拉电阻R6接在增益控制电路直流电压输出端CONT与三极管Q2基极之间，三极管Q2的基极经天线匹配电容C4接天线ANT，三极管Q2的集电极作为可控放大电路的输出端接第二放大电路，三极管Q2的发射极接地。

IDC电流由于升压电阻R4的升压作用会产生一个电压，由于IDC是单片机C8051F330通过D/A转换的，因此这个在升压电阻R4上的电压是可控制的，这个电压经过三极管Q1的放大作用就产生了一个可控的电压CONT，这个可控电压作为可控放大电路的放大三极管Q2集电极的电压，用来控制可控放大电路的放大倍数。

第二放大电路包括三极管Q3、三极管Q3的上拉电阻R8、三极管Q3集电极电阻R15，三极管Q3的集电极经集电极电阻R15接电源正极VCC，上拉电阻R8接在电源正极VCC与三极管Q 3基极之间，三极管Q3的基极经第一耦合电容C5接三极管Q2的集电极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极经第二耦合电容C6接检波电路。第二放大电路作为固定放大倍数放大器能够使信号放大到有利于模数转换的信号能量。

如图5所示，信号接收电路还包括检波电路和滤波电路检波电路，第二放大电路输出的信号顺次经检波电路和滤波电路处理后输入放大电路，采样信号由检波电路输出经模数转换电路输入控制单元。本实施例采用包络检波加低通滤波的方式进行检波。检波电路包括检波二极管D1、充电电容C8和放电电阻R13，检波二极管D1的阳极经第二耦合电容C6接三极管Q3的集电极，充电电容C8和放电电阻R13并接后一端接检波二极管D1的阴极，另一端接地。滤波电路包括滤波电阻R14和滤波电容C9，滤波电阻R14的一端接检波二极管D1的阴极，另一端接放大电路的输入端FILTER，滤波电容C9的一端接放大电路的输入端FILTER，另一端接地；检波二极管的阴极接单片机模数转换电路的接口ADC，输出采样信号。通过检波二极管D1和充电电容C8、放电电阻R13组成的包络检波电路能够把高频信号检波成系带信号，这时的基带信号就可以采样数字化了

匹配电路如图6所示，匹配电路包括传输电阻R9、第一匹配电容C11、第二匹配电容C12和匹配电感L1。传输电阻R9、第一匹配电容C11和匹配电感L1依次串接。上述串接电路的电阻端接单片机的载波输出电路的输出端CD，串接电路的电感端接天线ANT；第二匹配电容C12的一端接串接电路的电感端，另一端接地。

天线ANT与天线匹配电容电容C4匹配组成谐振回路，当没有金属物靠近时天线ANT和匹配的电容C4具有一个固有的谐振频率，对于单片机发出的载波信号具有一个固有的衰减，当有金属物质靠近时，就会打破原有的谐振点，对于单片机发出的载波改变了衰减量，因此载波在通过接收电路后的采样值会产生变化。天线ANT上接收的信号需要经过三极管Q2放大，而控制信号CONT能够可控制地调整天线信号的放大倍数，因此可以达到动态调整信号放大倍数的目的。三极管Q3组成第二放大电路，此电路的目的是把信号放大到可以被数字化的程度。放大之后的信号要经过检波变成基带信号。图7所示的放大电路的作用是为了使检波的信号放大到可以被单片机处理的数字电平信号。信号DATA是和读写器交互的数字信号。

本发明的工作流程如图8所示：

1)单片机在电子标签接通电源后向天线发送载波检测信号；

2)单片机从信号接收电路回馈的信号中获取采样信号并对采样信号进行数字化；

3)将采样信号的数字值与保存在单片机中的预设的标准值进行比较；如采样信号的数字值大于或等于预设的标准值，就进行步骤5，如采样信号的数字值小于预设值则进行步骤4；

4)单片机控制单元控制数模转换电路按一定的级差加大输出的直流电流值，增益控制电路将数模转换电路输出的直流电流按比例转换成直流电压，从而增大可控放大电路的放大倍数，然后返回步骤2；如果输出的直流电流已达到预设的最大值，就进入下一步骤；

5)单片机保存对增益控制电路的控制参数，将模转换电路输出的电流值和增益控制电路输出的电压值固定下来不变，从而固定了可控放大电路后续工作的放大倍数不变；

6)单片机停止向天线发送载波检测信号；

7)电子标签进入正常工作状态。

单片机上电后，其载波输出电路钟振即开始震荡，这时单片机的控制单元使钟振输出管脚出于开的状态，这样钟振信号就可以直接从CD信号的管脚出去。此信号通过传输电阻R9通过第一匹配电容C11、匹配电感L1、第二匹配电容C12组成的匹配网络向天线传输，匹配电容C11、匹配电感L1、匹配电容C12组成的匹配网络可以使信号的能量最大化地得到输送。

在接收端天线和匹配的电容C4组成一个匹配网络，天线可以等效成一个电感L，天线电感和匹配电容组成串联谐振电路，当在载波频率谐振时它的匹配阻抗达到最小。当电感L的感抗和电容C4的容抗共轭时电路达到谐振，此时匹配网络的阻抗最小。正常情况下，天线和匹配的电容处于阻抗最小的匹配状态，接收到的信号能量是最大的。当外界有类似金属的物体靠近时，会影响电磁波被天线接收，会增加或者减少天线的电感量，对于信号的阻抗必然增加，信号必然能量减小，这样ADC采样信号的电压就会减小。单片机控制单元控制数模转换电路按一定的级差加大输出的直流电流值，以加大可控放大电路三极管Q2集电极的电压，改变了三极管Q2的静态工作点，就改变了三极管Q2的放大倍数。经过上述过程再次采样，再次调节，直到信号的强度达到预值的值强度，如果达不到预值强度，就调节电流到达最大值。经过试验，测试采样信号的标准值可以设置在1.22V，这个值是在谐振电路情况下采样信号的电压值。

Claims (9)

1.一种密耦合电子标签，包括主控模块、信号接收电路、放大电路和天线，其特征在于，包括电源和增益控制电路，所述的信号接收电路包括可控放大电路；所述的电源向电子标签的各部分供电，所述的主控模块在接通电源后向天线发送载波检测信号，所述的主控模块从信号接收电路获取采样信号作为主控模块确定可控放大电路放大倍数的依据，所述的主控模块通过增益控制电路调节可控放大电路的放大倍数。

2.根据权利要求1所述的密耦合电子标签，其特征在于，所述的主控模块包括控制单元、载波输出电路、模数转换电路和数模转换电路，所述的主控模块在接通电源后控制载波输出电路向天线发送载波检测信号，所述的采样信号经模数转换电路输入控制单元，作为控制单元确定可控放大电路放大倍数的依据；所述的控制单元控制数模转换电路输出不同数值的直流电流，所述的增益控制电路将数模转换电路输出不同数值的直流电流转换成不同的直流电压。

3.根据权利要求2所述的密耦合电子标签，其特征在于，所述的增益控制电路包括第一三极管、升压电阻和负载电阻，所述的升压电阻接在第一三极管的基极与地之间，所述的负载电阻接在第一三极管的发射极与地之间，第一三极管的集电极接电源正极；第一三极管的基极接所述的数模转换电路的输出端，第一三极管的发射极接所述的可控放大电路的电源输入端。

4.根据权利要求2或3所述的密耦合电子标签，其特征在于，所述的可控放大电路包括第二三极管、第二三极管上拉电阻、第二三极管集电极电阻，所述第二三极管的集电极经第二三极管集电极电阻接增益控制电路直流电压输出端，所述的第二三极管上拉电阻接在增益控制电路直流电压输出端与第二三极管基极之间，第二三极管的基极经天线匹配电容接天线，第二三极管的集电极作为可控放大电路的输出端，第二三极管的发射极接地。

5.根据权利要求4所述的密耦合电子标签，其特征在于，所述的信号接收电路包括第二放大电路、检波电路和滤波电路，所述的第二放大电路包括第三三极管、第三三极管上拉电阻、第三三极管集电极电阻，所述第三三极管的集电极经第三三极管集电极电阻接电源正极，所述的第三三极管上拉电阻接在电源正极与第三三极管基极之间，第三三极管的基极经第一耦合电容接第二三极管的集电极，第三三极管的发射极接地，第三三极管的集电极经第二耦合电容接检波电路，第二放大电路输出的信号顺次经检波电路和滤波电路处理后输入放大电路，所述的采样信号由检波电路输出经模数转换电路输入控制单元。

6.根据权利要求4所述的密耦合电子标签，其特征在于，所述的检波电路包括检波二极管、充电电容和放电电阻，检波二极管的阳极经第二耦合电容接第三三极管的集电极，充电电容和放电电阻并接后一端接检波二极管的阴极，另一端接地；所述的滤波电路包括滤波电阻和滤波电容，所述的滤波电阻一端接检波二极管的阴极，另一端接放大电路的输入端，所述的滤波电容一端接放大电路的输入端，另一端接地；所述检波二极管的阴极接主控模块的模数转换电路。

7.根据权利要求2或3所述的密耦合电子标签，其特征在于，包括匹配电路，所述的匹配电路包括传输电阻、第一匹配电容、第二匹配电容和匹配电感，所述的传输电阻、第一匹配电容和匹配电感依次串接；串接电路的电阻端接主控模块的载波输出电路的输出端，串接电路的电感端接天线；第二匹配电容的一端接串接电路的电感端，另一端接地。

8.一种根据权利要求1所述的密耦合电子标签的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

801)主控模块在电子标签接通电源后向天线发送载波检测信号；

802)主控模块从信号接收电路获取采样信号并对采样信号进行数字化；

803)将采样信号的数字值与保存在主控模块中的预设值进行比较；如采样信号的数字值大于或等于预设值，就进行步骤805，如采样信号的数字值小于预设值则进行步骤804；

804)主控模块通过增益控制电路增大可控放大电路的放大倍数，然后返回步骤802；

805)主控模块保存对增益控制电路的控制参数，固定可控放大电路后续的放大倍数不变；

806)主控模块停止向天线发送载波检测信号；

807)电子标签进入正常工作状态。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述的主控模块包括控制单元和数模转换电路，在步骤804中，所述的控制单元控制数模转换电路加大输出的直流电流值，所述的增益控制电路将数模转换电路输出的直流电流按比例转换成直流电压；在步骤805中，固定模转换电路输出的电流值和增益控制电路输出的电压值。

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