CN103714369A - 无源光电标签、光电读写器、光电标签***及信息交换方法 - Google Patents

Abstract

一种无源光电标签***，包含至少一个光电读写器和至少一个无源光电标签，类似于现有电子标签***，光电读写器以无线供能的方式为无源光电标签供能，无源光电标签则将来自天线或线圈的射频经过整流稳压，而得到其工作所需直流电，光电标签通过其内置的发光管将应答信息以调制光信号的形式发射到空间，又通过其内置光电接收管接受空间中调制光信号形式的指令信息，与此相应，光电读写器通过其内置光电接收管接受空间中调制光信号形式的应答信息，又通过其内置的发光管将指令信息以调制光信号的形式发射到空间，本发明给出了多种模式的光电标签***。

Description

无源光电标签、光电读写器、光电标签***及信息交换方法

技术领域

本发明涉及电子标签***的领域，更具体地讲，涉及一种光电式电子标签***，简称光电标签***，包括光电标签及对应的光电标签读写器，简称光电读写器。 

背景技术

传统RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)电子标签***由两部分组成：其一为电子标签，也称应答器，其二为读写器以及与读写器相连的上位机。电子标签又可分为有源和无源两大类。无源电子标签由标签芯片和感应天线（或感应线圈）组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。每个电子标签中存储一个唯一码，当电子标签进入读写器的有效区域时，根据电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）利用在标签天线两端产生感应电势差，产生电能，当电能强度超过一个阈值时，就将启动电子标签芯片电路进入工作状态，即对标签芯片中的存储器进行读写操作，以及对唯一码做诸如加密等复杂操作。电子标签芯片主要包括射频前端、模拟前端、处理器和可擦写非易失存储器（如EEPROM）等部分。读写器主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。射频模块包含发送器和接收器，发送器的一个功能是通过射频功率发射，输出一定强度的电磁场，为电子标签提供电感耦合的发射源，为启动电子标签和使电子标签正常工作提供电能，另一个功能是对发射信号进行调制，并将此调试后数据传送给电子标签，接收器则用来接收并解调来自应答器的射频信号，亦即建立读写器与电子标签的空中连接，以便进行射频信息交换。数字信号处理单元的功能包括控制与电子标签的通信过程，信号的编码与解码，防冲突算法的执行，对物理读写器与电子标签之间传送的数据进行加密和解密， 进行物理读写器与电子标签之间的身份认证等。随着电子标签技术的不断提高，上述电子标签***已经有非常广泛的应用，但是由于电磁波的固有特性，电子标签***仍有一些不可忽视的缺点：1、信息泄露问题，比如在读写器甲附近暗藏另一个读写器乙，则电子标签与读写器甲进行信息交换时，所有信息都可能被读写器乙截获，甚至破坏电子标签里的数据。2、个体确定问题，比如一个读写器周围有六个电子标签组成一个六边形，虽然读写器利用防冲突机制可以获取这六个电子标签的编码，但无法判断各个电子标签在六边形的那个边上。类似的问题可以有很多，其根本原因在于电磁辐射的方向无法精确控制，也难以隔离。另外在有强大电磁场干扰的场合，上述电子标签***也会出现不能正常交换信息的状况。 

发明内容

为解决现有电子标签***方向性问题、隔离性问题和抗干扰问题的问题，本发明提供一种基于光电信息交换的电子标签***，即光电标签***。 

本发明的技术方案是： 

与现有电子标签***类似，本发明之光电标签***可分为光电标签和光电读写器两部分。

其中光电标签内置有光电器件、标签芯片和感应天线（或感应线圈）等。其一之光电器件是有别于现有电子标签的关键部件，它包括两类器件，一类器件是发光器件，可以是可见光发光二极管、红外发光二级管、激光二极管等低功耗发光器件，另一类是光敏器件，如光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻等，这些光电器件用来发射和接收调制光信号，以实现光电标签与光电读写器之间进行信息交换。对于光学单工模式和光射复合双工模式的光电标签，上述的光敏器件不是必要的组成部分。其二之标签芯片内置有全球唯一码，主要包括光电调制和光电解调、射频能量收集、射频调制和解调等射频处理、数字处理单元和可擦写非易失存储器（如EEPROM）等部分，其中的光电调制和光电解调电路是有别于现有标签芯片的主要部分，它们与所用发光器件和光敏器件相适应，构成光学发送和接收电路，能量收集则是将来自天线的电能，进行整流和稳压，产生芯片中能量收集之外的各个电路所需电压，包括用于对标签芯片中的存储器进行读写操作，以及对唯一码做诸如加密等复杂操作。对于完全由光学通讯来完成信息交换的光电标签，上述的射频调制和解调等射频处理单元可以省去，否则射频调制和解调等射频处理单元将被用来完成光电读写器与光电标签之信息交换中的射频信息交换部分。其三之感应天线，是利用电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）在标签天线两端产生感应电势差，产生电能，当电能强度超过一个阈值时，经整流稳压而产生的直流电就将使标签芯片电路进入工作状态。 

与光电标签相对应，光电读写器主要包括光电器件、射频模块和数字信号处理单元三部分。其一之光电器件是有别于现有读写器的关键部件，它包括两类器件及相应的光电调制和光电解调电路，一类器件是发光器件，可以是可见光发光二极管、红外发光二级管、激光二极管等低功耗发光元件，相应的，有与这些器件相适应的调制电路，另一类是光敏器件，如光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻等，相应的，有与这些器件相适应的放大和解调解码电路，这些光电器件主要用来实现光电读写器与光电标签进行信息交换中的光信息交换。如果***所用光电标签为光学单工模式和光射复合双工模式，上述的发光器件及相应的调制电路不是光电读写器必要的组成部分。其二之射频模块包括射频天线、射频功率放大、射频调制和解调等射频处理单元、振荡器等，一方面，由射频功放和射频天线输出一定强度的电磁场，作为光电标签提供电感耦合的源端；另一方面，光电标签返回的微弱射频信号通过天线进入光电读写器的射频模块，经解调解码得到数字信号，完成对光电标签信息交换中的射频信息接收；再一方面，把对电子标签的指令和数据调制后从其天线输出，从而实现光电读写器与光电标签的空中射频连接。 

就现有技术而言，相对于射频接收电路来说，光电接收电路功耗较大，所以在功耗有严格要求的场合，可以采用光学射频复合双工通讯模式进行光电读写器和光电标签之间的信息交换，即光电标签不设光电接收电路，而以射频解调接收电路代之，相应的光电读写器不设光电发射电路，而以射频调制发射电路代之，此时光电读写器通过射频调制发射电路发出指令，通过光电放大解调电路接收信息，而光电标签则通过射频解调电路接收指令，通过光电调制电路发送信息。 

对于光电读写器和光电标签所用表面材料，以能最大程度吸收对方所发射光脉冲信号的吸光材料为佳，以避免光脉冲信号在光电读写器和光电标签之间多次反射。 

对于光电读写器和光电标签的光学结构，应与具体使用环境相适应。增加凸透镜以增强光信号接收能力，增加光电接收管的数量以扩展接收表面积，而若要可提高方向性，则减小发射管和接收管视角的锥角。 

本发明的有益效果是显然的，当把光电标签盖在光电读写器上时，如果是纯光学通讯模式，则不会有任何信息泄漏，如果是光学射频复合双工通讯模式，光电标签输出的信息也不会泄漏，另外也不会有多张标签的冲突现象发生，例如公交车上，两个乘客同时把光电标签放到光电读写器上时，先到者有效，不会与后到者发生冲突，而前述之六边形上六个标签的个体定位，则由视角小于60度的光电读写器依次旋转60度，或光电读写器设置六个夹角为60度的调制光信号接收阵列，每个光电接收管的视角小于60度，依次进行调制光信息的通讯即可。 

附图说明

图1是光学单工模式光电标签***，其中光电标签的核心部分是处理器； 

图2是简单的光学单工模式光电标签***，其中光电标签的核心部分仅仅是一个编码器；

图3是纯光学双工模式光电标签***，其中光电标签和光电读写器都具有调制光信息发射和接收；

图4是光射复合双工模式光电标签***，亦即复合调制光学应答和射频指令发射模式的光电标签***；

图5是双光单射复合模式光电标签***，亦即复合有光学双工和射频单工模式的光电标签***；

图6双光双射复合模式光电标签***，亦即复合有光学双工和射频双工模式的光电标签***。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来详细说明本发明。 

实施例一 

如图1，本发明之光学单工模式光电标签***。所述光电标签***由两部分组成，即光电读写器1和光电标签20。

光电读写器1包含电源2、振荡器3、放大驱动10、天线（或发射线圈）、键盘接口5、处理器4、解调6、带通滤波7、自动增益控制8和光电接收管9等电路。 

光电标签20包含天线（或感应线圈）、整流稳压21、时钟22、处理器25、非易失存储器、驱动24和发光管23等电路。 

光电读写器1的主要功能是以无线电力传输方式为光电标签20提供电能，并接收光电标签20输出的调制光信息。 

与光电读写器1的功能相对应，光电标签20的主要功能则是从光电读写器1提供的无线供电中获取足够的电能，并将内置的编号和光电标签类型等应答信息以调制光脉冲的形式发射出去。 

如图1，光电读写器1中由振荡器3产生的高频波，经放大驱动10放大后形成功率射频信号，从天线向空间发射，从而在该天线周围形成射频能量场，使得在该天线一定范围内的光电标签20可以从该射频能量场中耦合到足够的射频能量。 

当光电标签20在所述射频能量场范围内时，光电标签20中的整流稳压21电路将光电标签20天线耦合到的射频能量，进行整流、滤波和稳压，产生合适的直流电压，使光电标签20中的处理器25得电而进入工作状态。由于整流和滤波所得的电压，将随光电标签20离光电读写器1天线的距离远近而相差很多，所以所述稳压电路既包括降压稳压，也包括升压稳压。另外，时钟22电路将从耦合所得的射频信号中还原出时钟信号，可以用作处理器25的时钟源。 

光电标签20内处于工作状态的处理器25从存储器中取出内置编号和光电标签类型等应答信息，并对此应答信息做编码调制处理，如用低速率的开关键控归零码脉冲进行编码调制，或用高速率的4PPM脉冲位置调制法进行编码调制，或其它方式的编码调制。此时处理器25可以视作编码调制单元。调制后的应答信息由驱动24输出到发射管23，从而使应答信息以调制后光脉冲信号的形式发射到空间。发射管可以是红外发光二极管，或可见光发光二极管，或激光二极管，或其它发光器件，而当光电标签20与光电读写器1近距离通讯时，驱动24并非必要，亦即由处理器25输出的已调制信号可以直接输出到发光管23。另外处理器25可以按一定的时间间隔输出调制后信息，而非不停的输出，以此减小光电标签20的整机功耗。 

光电读写器1的光电接收管9受到来自光电标签20的调制光脉冲信号的照射，由此产生相应的脉冲电压信号，该脉冲电压信号经过自动增益控制8的适当放大，再经带通滤波7的去噪，进入解调6，解调6采用与光电标签20对应答信息调制方法相对应的解调方法，将接收到的脉冲电压信号解调出来自于光电标签20的应答信息。该应答信息中的编号、光电标签等信息输入到光电读写器1的处理器4后，被记录和保存，并通过接盘接口5输出到上位机，做进一步处理。这里的键盘接口5可以是键盘和键盘到处理器4的连线、USB接口和USB接口到处理器的连线、RS232接口、无线接口如wifi等，总之键盘接口是用于用户输入指令和与上位机交换信息的接口。另外解调6也可以省去，由带通滤波7输出的脉冲电压信号直接由连线输入到处理器，将解调作业交由处理器4来完成。 

需要指出的是本实施例中同一个光电标签20可以包含多路由驱动24和发光管23等电路组成之调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个调制信号，并且各调制后光信号发射通道可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加光信号发射面积。 

同理，光电读写器1中也可包含多路由光电接收管9、自动增益控制8、带通滤波7和解调6等电路组成之调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增加光信号接收面积和接收能力。 

本实施例中光电标签20并不接收来自光电读写器1的指令，因此这里的光电读写器也可以称作光电阅读器，不过，虽然光电标签20无需根据光电读写器1的指令修改和保存非易失存储器中数据，但依然可以包含可擦写非易失存储器，用于修改和保存滚动码等非固定编码。 

本实施例中光电标签20中处理器25的作用比较简单，所以也可以由功能单一的编码器代之，形成更简单的光电标签。图2即是这种简化的光电标签***，其中光电标签120由整流稳压121、时钟122、编码器123、驱动125、发光管124等电路组成，此时编码器123就是编码调制单元，当光电标签120与光电读写器101之间距离较近时，可以省去驱动125，由编码器123将输出的调制信号直接输出到发光管124。而光电读写器101由电源109、振荡器102、键盘接口103、处理器104、光电接收管108、自动增益控制107、带通滤波106、解调105及放大驱动110等电路组成，其中键盘接口103可以是键盘和键盘到处理器104的连线、USB接口和USB接口到处理器104的连线、RS232接口、无线接口如wifi等用于用户输入指令和与上位机交换信息的接口。同理，光电标签120可以包含由多路由驱动125和发光管124等电路组成之发光单元形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个已调制光信号，并且各发光单元可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加光信号发射面积。而光电读写器101中也可包含多路由光电接收管108、自动增益控制107、带通滤波106和解调105等电路组成之光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增加光信号接收面积和接收能力。 

本实施例中光电标签也可不从接收的射频信号中还原时钟，而是单独设置一个时钟电路，用作整个光电标签的时钟源，此时光电标签的射频电路部分仅仅用于从射频能量场获取电能，而光电读写器的射频电路部分仅仅是无线供电，所以此时光电读写器与光电标签之间的无线电能传输可以采用电场耦合、电磁感应、磁共振等与使用环境相适应的无线传输方式。 

本实施例中光电读写器只是接收信息，而光电标签只是发送信息，所以电路简单，功耗也较小。 

实施例二 

如图3，本发明之纯光学双工模式光电标签***。光电标签***由两部分组成，即光电读写器201和光电标签220。

光电读写器201包含电源210、振荡器201、射频放大驱动211、天线（或发射线圈）、键盘接口202、处理器203、光信息发射驱动205、发光管204、解调206、带通滤波207、自动增益控制208和光电接收管209等电路。 

光电标签220包含天线（或感应线圈）、整流稳压221、时钟222、处理器223、可擦写非易失存储器、光电接收管228、自动增益控制226、带通滤波225、解调224、光信息发射驱动227和发光管229等电路。 

光电读写器201的主要功能是以无线电力传输方式为光电标签220提供电能，并实现与光电标签220的双工光信息交换，即接收光电标签220输出的调制光信息，同时也发射调制后光信号到光电标签220。 

与光电读写器201的功能相对应，光电标签220的主要功能则是从光电读写器201提供的无线供电中获取足够的电能，将内置编号、光电标签类型等应答信息以调制光脉冲的形式发射出去，又接收由光电读写器201输出的调制光信号，并根据来自光电读写器201的指令修改、保存光电标签220内可擦写非易失存储器中内容。 

如图3，光电读写器中由振荡器201产生的高频波，经射频放大驱动211放大后形成功率射频信号，从天线向空间发射，从而在该天线周围形成射频能量场，使得在该天线一定范围内的光电标签220可以从该射频能量场中耦合到足够的射频能量。 

当光电标签220在所述射频能量场范围内时，光电标签220中的整流稳压221电路将光电标签220天线耦合到的射频能量，进行整流、滤波和稳压，产生合适的直流电压，使光电标签220中的处理器223得电而进入工作状态。由于整流和滤波所得的电压，将随光电标签220离光电读写器201天线的距离远近而相差很多，所以所述稳压电路既包括降压稳压，也包括升压稳压。另外，时钟222电路将从耦合所得的射频信号中还原出时钟信号，可以用作处理器223的时钟源，但光电标签220也可单独设置一个时钟电路，用作整个光电标签220的时钟，此时光电标签220的射频电路部分仅仅用于从射频能量场获取电能，而光电读写器201的射频电路部分仅仅是无线供电，因此光电读写器201与光电标签220之间的无线电能传输可以采用电场耦合、电磁感应、磁共振等与使用环境相适应的无线传输方式。 

处于工作状态的处理器223将存储器中的内置编号、光电标签类型和其它数据等应答信息输出，该应答信息被作编码调制处理，如用低速率的开关键控归零码脉冲进行编码调制，或用高速率的4PPM脉冲位置调制发进行编码调制，或其它方式的编码调制。此时处理器223可以视作编码调制单元。调制后的应答信息由驱动227输出到发射管229，从而使应答信息以调制后光脉冲信号的形式发射到空间。发射管可以是红外发光二极管，或可见光发光二极管，或激光二极管，或其它发光器件，而驱动227在光电标签220与光电读写器201近距离通讯时，并非必要，亦即由处理器223输出的已调制信号可以直接输出到发光管229。另外处理器223可以按一定的时间间隔输出调制后应答信息，而非不停的输出，以此减小光电标签220的整机功耗，也可以减少对光电标签220中光电接收管的干扰。处理器223的另一个工作是接收来自光电读写器201的指令，这些指令以调制后光脉冲信号的形式照射到光电标签220中的光电接收管228上，由此产生相应的脉冲电压信号，该脉冲电压信号经过自动增益控制226的适当放大，再经带通滤波225的去噪，进入解调224，解调224解调所得的指令输入到处理器223，处理器223再根据指令做相应的动作。此处的解调224电路通常包含解码电路，但解码工作也可以由处理器223完成，此时处理器223可以视作编码调制单元。 

光电读写器201的光电接收管209受到来自光电标签220的调制后光脉冲信号的照射，由此产生相应的脉冲电压信号，该脉冲电压信号经过自动增益控制208的适当放大，再经带通滤波207的去噪，进入解调206，解调206采用与光电标签220对应答信息调制方法相对应的解调方法，将接收到的脉冲电压信号解调，解调所得即为来自光电标签220 的应答信息。该应答信息中的编号、光电标签等信息输入到光电读写器201的处理器203后，被记录和保存，并通过接盘接口202输出到上位机，做进一步处理。此处的解调206电路通常包含解码电路，但解码工作也可以由处理器203完成。同时，光电读写器201也以光脉冲形式输出指令，需要输出的指令由处理器203编码调制后输出到驱动205，经过增强的调制后电压脉冲信号输出到发光管204后，被转换为发射到空间的调制后光脉冲信号。这里的键盘接口202可以是键盘和键盘到处理器203的连线、USB接口和USB接口到处理器的连线、RS232接口、无线接口如wifi等，总之键盘接口是用于用户输入指令和与上位机交换信息的接口。另外解调206也可以省去，由带通滤波207输出的脉冲电压信号直接由连线输入到处理器，将解调解码作业全部交由处理器203来完成。 

需要指出的是本实施例中同一个光电标签220可以包含多路由驱动227和发光管229等电路组成之调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个调制信号，并且各调制后光信号发射通道可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加调制后光信号发射面积。相应的，光电标签220也可以包含多路由光电接收管228、自动增益控制226、带通滤波225和解调224等电路组成之调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增加光信号接收面积和接收能力。 

同理，光电读写器201中也可包含多路由光电接收管209、自动增益控制208、带通滤波207和解调206等电路组成之调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增加光信号接收面积和接收能力。相应的，光电读写器201中也可包含多路由驱动205和发光管204等电路组成之调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个调制指令信号，并且各调制后光信号发射通道可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加光信号发射面积。 

本实施例中光电标签和光电读写器都具有调制光信号接收和调制光信号发射的功能，即光电标签220是可读写光电标签，光电标签的可擦写非易失存储器内容可以根据光电读写器的指令作修改和保存，但光电标签220也可以不包含可擦写非易失存储器，此时光电标签220就是只读光电标签。 

实施例三 

如图4，光射复合双工模式光电标签***，亦即复合光学应答和射频查询模式的光电标签***。光电标签***由两部分组成，即光电读写器301和光电标签320。

光电读写器301包含电源312、振荡器302、射频调制303、射频放大驱动313、天线（或发射线圈）、键盘接口304、处理器305、调制光信号接收通道306、和调制光信号接收通道307，其中调制光信号接收通道又由光电接收管、自动增益控制、带通滤波、解调等组成，如图4所示，调制光信号接收通道307包含有解调308、带通滤波309、自动增益控制310和光电接收管311等电路。 

光电标签320包含天线（或感应线圈）、整流稳压321、射频解调322、时钟323、处理器324、可擦写非易失存储器、调制后光信号发射通道325和调制后光信号发射通道326等电路组成，其中调制后光信号发射通道又由发光管和驱动等电路组成，如图4所示，调制后光信号发射通道326包含驱动327和发光管328等电路。 

光电读写器301的主要功能是以功率射频传输方式为光电标签320提供电能，而功率射频中调制有指令信号，同时被输出到光电标签320，另外也接收光电标签320输出的调制光脉冲信息。 

与光电读写器301的功能相对应，光电标签320的主要功能则是从光电读写器301提供的功率射频中获取足够的电能，接收功率射频中的指令信号，根据光电读写器301的指令并将应答信息以调制光脉冲的形式发射出去，并根据来自光电读写器301的指令修改、保存光电标签320内可擦写非易失存储器中内容。 

如图4，由振荡器302产生的高频波，被来自处理器305的指令信号调制后，输出到射频放大驱动313，放大后形成的功率射频信号从天线向空间发射，从而在该天线周围形成射频能量场，使得在该天线一定范围内的光电标签320可以从该射频能量场中耦合到足够的射频能量。 

当光电标签320在所述射频能量场范围内时，光电标签320中的整流稳压321电路将光电标签320天线耦合到的射频能量，进行整流、滤波和稳压，产生合适的直流电压，使光电标签320中的处理器324得电而进入工作状态。由于整流和滤波所得的电压，将随光电标签320离光电读写器301天线的距离远近而相差很多，所以所述稳压电路既包括降压稳压，也包括升压稳压。另外，时钟322电路将从耦合所得的射频信号中还原出时钟信号，可以用作处理器324的时钟源，但光电标签320也可单独设置一个时钟电路，用作整个光电标签320的时钟源。来自光电标签320中天线的射频信号同时也流向射频解调322电路，解调所得的指令信息被输出到处理器324. 

处于工作状态的处理器324根据指令，将存储器中的内置编号、光电标签类型和其它数据等应答信息输出，该应答信息被作编码调制处理，如用低速率的开关键控归零码脉冲进行编码调制，或用高速率的4PPM脉冲位置调制发进行编码调制，或其它方式的编码调制。此时处理器324可以视作编码调制单元。调制后的应答信息由调制后光信号发射通道326、325等发射，从而使应答信息以调制后光脉冲信号的形式发射到空间。发射管可以是红外发光二极管，或可见光发光二极管，或激光二极管，或其它发光器件，而驱动327在光电标签320与光电读写器301近距离通讯时，并非必要，亦即由处理器324输出的已调制信号可以直接输出到发光管。另外处理器324按一定的时间间隔输出调制后应答信息，而非不停的输出，可以减小光电标签320的整机功耗。

光电读写器301的调制光信号接收通道308、307等电路将来自光电标签320的调制光脉冲信号的照射，转换为相应的应答信息，其工作过程为调制光脉冲信号被光电管转换为调制电压脉冲信号，该调制电压脉冲信号经过自动增益控制的适当放大，再经带通滤波的去噪，进入解调，解调所得即为来自光电标签320 的应答信息。该应答信息中的编号、光电标签类型等信息输入到光电读写器301的处理器305后，被记录和保存，并通过接盘接口304输出到上位机，做进一步处理。此处的解调电路通常包含解码电路，但解码工作也可以由处理器305完成。而这里的键盘接口304可以是键盘和键盘到处理器305的连线、USB接口和USB接口到处理器的连线、RS232接口、无线接口如wifi等，总之键盘接口是用于用户输入指令和与上位机交换信息的接口。另外调制后光信号接收通道308、307等的解调电路也可以省去，由带通滤波输出的脉冲电压信号直接由连线输入到处理器，将解调解码作业全部交由处理器305来完成。 

需要指出的是本实施例中同一个光电标签320包含两个调制后光信号发射通道，但光电标签320也可以只内置一个调制后光信号发射通道，也可以包含由多个调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，使用调制后光信号发射阵列用于输出同一个调制信号时，各调制后光信号发射通道可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加光信号发射面积。 

同理，光电读写器301中也可以只内置一个调制光信号接收通道，也可以包含由多个调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增加光信号接收面积和接收能力。 

本实施例中光电标签和光电读写器都具有接收和发射信息的功能，即光电标签320是可读写光电标签，光电标签的可擦写非易失存储器内容可以根据光电读写器的指令作修改和保存，但光电标签320也可以不包含可擦写非易失存储器，此时光电标签320就是只读光电标签。 

实施例四 

图5是双光单射复合模式光电标签***，亦即复合有光学双工射频单工模式的光电标签***。其中光电标签具有调制光信息接收电路和调制光信息发送电路，同时具有调制射频信息接收电路，而光电读写器具有调制光信息发送电路和调制光信息接收电路，同时具有调制射频信息发送电路。

光电标签***由两部分组成，即光电读写器401和光电标签420。 

光电读写器401包含电源412、振荡器402、射频调制403、射频放大驱动413、天线（或发射线圈）、键盘接口404、处理器405、驱动407、发光管406、解调408、带通滤波409、自动增益控制410和光电接收管411等电路。 

光电标签420包含天线（或感应线圈）、整流稳压421、射频解调422、时钟423、处理器424、可擦写非易失存储器、光电接收管430、自动增益控制427、带通滤波426、解调425、驱动428和发光管429等电路。 

光电读写器401的主要功能是以无线电力传输方式为光电标签420提供电能，并实现与光电标签420的双工光信息交换，即接收光电标签420输出的调制光信息，发射调制后光信号到光电标签420，另外还可以发射调制后的射频信号到光电标签420。 

与光电读写器401的功能相对应，光电标签420的主要功能则是从光电读写器401提供的无线供电中获取足够的电能，将编号、光电标签类型等应答信息以调制光脉冲的形式发射出去，接收由光电读写器401输出的调制光信号，并根据来自光电读写器401的指令修改、保存光电标签420内可擦写非易失存储器中内容，另外可以接受并解调来自其天线的调制射频信号。 

如图5，由振荡器402产生的高频波，被来自处理器405的脉冲信号调制，再经放大驱动413放大后形成功率射频信号，从天线向空间发射，从而在该天线周围形成射频能量场，使得在该天线一定范围内的光电标签420可以从该射频能量场中耦合到足够的射频能量，同时也将来自处理器405的指令信息以射频调制形式发射到空间。 

当光电标签420在所述射频能量场范围内时，光电标签420中的整流稳压421电路将光电标签420天线耦合到的射频能量，进行整流、滤波和稳压，产生合适的直流电压，使光电标签420中的处理器424得电而进入工作状态。由于整流和滤波所得的电压，将随光电标签420离光电读写器401天线的距离远近而相差很多，所以所述稳压电路既包括降压稳压，也包括升压稳压。另一方面，时钟423电路将从耦合所得的射频信号中还原出时钟信号，可以用作处理器424的时钟源，但光电标签420也可单独设置一个时钟电路，用作整个光电标签420的时钟。再一方面，来自光电标签420天线的射频信号流经射频解调422电路，解调出来自光电读写器401中处理器405的指令信息。 

光电标签420内处于工作状态的处理器424将存储器中的内置编号、光电标签类型等应答信息输出，该应答信息被作编码调制处理，如用低速率的开关键控归零码脉冲进行编码调制，或用高速率的4PPM脉冲位置调制发进行编码调制，或其它方式的编码调制。此时处理器424可以视作编码调制单元。调制后的应答信息由驱动428输出到发射管429，从而使应答信息以调制后光脉冲信号的形式发射到空间。发射管可以是红外发光二极管，或可见光发光二极管，或激光二极管，或其它发光器件，而驱动428在光电标签420与光电读写器401近距离通讯时，并非必要，亦即由处理器424输出的已调制信号可以直接输出到发光管429。另外处理器424可以按一定的时间间隔输出调制后应答信息，而非不停的输出，以此减小光电标签420的整机功耗，也可以减少对光电标签420中光电接收管的干扰。处理器424的另一个接收指令方式是接收来自光电读写器401的调制光信号中的指令，这些指令以调制后光脉冲信号的形式照射到光电标签420中的光电接收管430上，由此产生相应的脉冲电压信号，该脉冲电压信号经过自动增益控制427的适当放大，再经带通滤波426的去噪，进入解调425，解调425解调所得的指令输入到处理器424，处理器424再根据指令做相应的动作。此处的解调425电路通常包含解码电路，但解码工作也可以由处理器424完成。 

光电读写器401的光电接收管411受到来自光电标签420的调制光脉冲信号的照射，由此产生相应的脉冲电压信号，该脉冲电压信号经过自动增益控制410的适当放大，再经带通滤波409的去噪，进入解调408，解调408采用与光电标签420对应答信息调制方法相对应的解调方法，将接收到的脉冲电压信号解调，解调所得即为来自光电标签420 的应答信息。该应答信息中的编号、光电标签等信息输入到光电读写器401的处理器405后，被记录和保存，并通过接盘接口404输出到上位机，做进一步处理。此处的解调408电路通常包含解码电路，但解码工作也可以由处理器405完成。同时，光电读写器401可以用调制光脉冲的形式输出指令到光电标签420，需要输出的指令由处理器405调制后输出到驱动407，经过增强的调制后电信号输出到发光管406后，被转换为发射到空间的调制后光脉冲信号。这里的键盘接口404可以是键盘和键盘到处理器405的连线、USB接口和USB接口到处理器的连线、RS232接口、无线接口如wifi等，总之键盘接口是用于用户输入指令和与上位机交换信息的接口。另外解调408也可以省去，由带通滤波409输出的调制脉冲电压信号直接由连线输入到处理器405，将解调解码作业全部交由处理器405来完成。 

光电读写器401也可以用调制射频信号的方式发射指令到空间，即由处理器405以电压脉冲方式输出指令到射频调制403，调制后的指令经放大驱动413放大后从天线发射到空间。 

需要指出的是本实施例中同一个光电标签420可以包含多路由驱动428和发光管429等电路组成之调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个调制信号，并且各调制后光信号发射通道可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加调制后光信号发射面积。相应的，光电标签420也可以包含多路由光电接收管430、自动增益控制427、带通滤波426和解调425等电路组成之调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增强光信号接收面积和接收能力。 

同理，光电读写器401中也可包含多路由光电接收管411、自动增益控制410、带通滤波409和解调408等电路组成之调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增强光信号接收面积和接收能力。相应的，光电读写器401中也可包含多路由驱动407和发光管409等电路组成之调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个调制指令信号，并且各发光单元可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加光信号发射面积。 

本实施例中光电标签和光电读写器都具有调制光信号接收和调制光信号发射的功能，即光电标签420是可读写光电标签，光电标签的可擦写非易失存储器内容可以根据光电读写器的指令作修改和保存，但光电标签420也可以不包含可擦写非易失存储器，此时光电标签420就是只读光电标签。 

本实施例以双工光信号交换为主，单工射频为辅，利用射频的全向性，实现全方向的搜索，增加***的可靠性。 

实施例五 

图6是双光双射复合模式光电标签***，亦即复合有光学双工和射频双工模式的光电标签***。其中光电标签具有调制光信息接收电路和调制光信息发送电路，同时具有调制射频信息接收电路和调制射频信息发射电路，而光电读写器具有调制光信息发送电路和调制光信息接收电路，同时具有调制射频信息发送电路和调制射频接收电路。

光电标签***由两部分组成，即光电读写器501和光电标签520。 

光电读写器501包含电源515、振荡器504、射频调制505、射频放大驱动506、射频滤波516、射频放大502、射频解调503、天线（或发射线圈）、键盘接口507、处理器508、驱动510、发光管509、解调511、带通滤波512、自动增益控制513和光电接收管514等电路。 

光电标签520包含天线（或感应线圈）、整流稳压521、射频解调522、时钟523、射频调制524、处理器525、可擦写非易失存储器、光电接收管530、自动增益控制528、带通滤波527、解调526、驱动529和发光管531等电路。 

光电读写器501的主要功能是以无线电力传输方式为光电标签520提供电能，并实现与光电标签520的双工调制光信息交换，即接收光电标签520输出的调制光信息，发射调制后光信息到光电标签520，另外还可以使用双工射频与光电标签520作信息交换，即发射调制后射频信息到光电标签520，并接收来自于光电标签520的射频调制信息。 

与光电读写器501的功能相对应，光电标签520的主要功能则是从光电读写器501提供的无线供电中获取足够的电能，将编号、光电标签类型等应答信息以调制光脉冲的形式发射出去，接收由光电读写器501输出的调制光信号，并根据来自光电读写器501的指令修改、保存光电标签520内可擦写非易失存储器中数据，另外可以接受并解调来自其天线的调制射频信号，并将应答信息以射频调制方式发射到空间。 

如图6，光电读写器501中由振荡器504产生的高频波，被来自处理器508的脉冲信号调制，再经放大驱动506放大后形成功率射频信号，从天线向空间发射，从而在该天线周围形成射频能量场，使得在该天线一定范围内的光电标签520可以从该射频能量场中耦合到足够的射频能量，同时也将来自处理器508的指令信息以射频调制形式发射到空间，另外由光电读写器501中天线感应得到来自光电标签520的射频调制应答信息，经过滤波516，再由射频放大502的适当放大，进入到射频解调503，解调所得应答信息输入到处理器508。 

当光电标签520在所述射频能量场范围内时，光电标签520中的整流稳压521电路将光电标签520天线耦合到的射频能量，进行整流、滤波和稳压，产生合适的直流电压，使光电标签520中的处理器525得电而进入工作状态。由于整流和滤波所得的电压，将随光电标签520离光电读写器501天线的距离远近而相差很多，所以所述稳压电路既包括降压稳压，也包括升压稳压。另一方面，时钟523电路将从耦合所得的射频信号中还原出时钟信号，可以用作处理器525的时钟源，但光电标签520也可单独设置一个时钟电路，用作整个光电标签520的时钟。再一方面，来自光电标签520天线的射频信号自动流经射频解调522电路，由此解调出源自光电读写器501中处理器508的指令信息。 

处于工作状态的处理器525将存储器中的内置编号和其它数据等应答信息输出，该应答信息被作编码调制处理，如用低速率的开关键控归零码脉冲进行编码调制，或用高速率的4PPM脉冲位置调制发进行编码调制，或其它方式的编码调制。此时处理器525可以视作编码调制单元。调制后的应答信息由驱动529输出到发射管531，从而使应答信息以调制后光脉冲信号的形式发射到空间。发射管可以是红外发光二极管，或可见光发光二极管，或激光二极管，或其它发光器件，而驱动529在光电标签520与光电读写器501近距离通讯时，并非必要，亦即由处理器525输出的已调制信号可以直接输出到发光管531。另外处理器525可以按一定的时间间隔输出调制后应答信息，而非不停的输出，以此减小光电标签520的整机功耗，也可以减少对光电标签520中光电接收管的干扰。处理器525的另一个接收指令方式是接收来自光电读写器501的调制光信号中的指令，这些指令以调制光脉冲信号的形式照射到光电标签520中的光电接收管530上，由此产生相应的脉冲电压信号，该脉冲电压信号经过自动增益控制528的适当放大，再经带通滤波527的去噪，进入解调526，解调526解调所得的指令输入到处理器525，处理器525再根据指令做相应的动作。此处的解调526电路通常包含解码电路，但解码工作也可以由处理器525完成。处理器525的另一个发送应答信息的方式是将应答信息以脉冲电压的形式输入到射频调制524，应答信息经调制后作适当放大，再从光电标签520天线发射到空间。 

光电读写器501的光电接收管514受到来自光电标签520的调制光脉冲信号的照射，由此产生相应的脉冲电压信号，该脉冲电压信号经过自动增益控制513的适当放大，再经带通滤波512的去噪，进入解调511，解调511采用与光电标签520对应答信息调制方法相对应的解调方法，将接收到的脉冲电压信号解调，解调所得即为来自光电标签520 的应答信息。该应答信息中的编号、光电标签等信息输入到光电读写器501的处理器508后，被记录和保存，并通过接盘接口507输出到上位机，做进一步处理。此处的解调511电路通常包含解码电路，但解码工作也可以由处理器508完成。同时，光电读写器501可以用调制光脉冲的形式输出指令到光电标签520，需要输出的指令由处理器508编码调制后输出到驱动510，经过增强的调制后电脉冲信号输出到发光管509后，被转换为发射到空间的调制后光脉冲信号。这里的键盘接口507可以是键盘和键盘到处理器508的连线、USB接口和USB接口到处理器的连线、RS232接口、无线接口如wifi等，总之键盘接口是用于用户输入指令和与上位机交换信息的接口。另外解调511也可以省去，由带通滤波512输出的脉冲电压信号直接由连线输入到处理器508，将解调解码作业全部交由处理器508来完成。 

光电读写器501也可以用调制射频信号的方式发射指令到空间，即由处理器508以电压脉冲方式输出指令到射频调制505，调制后的指令经射频放大驱动506放大后从天线发射到空间。光电读写器501也可以解调其天线感应到的射频调制信息，从中获取来自光电标签520的应答信息，来自于光电标签520的射频调制信息由光电读写器501的天线进入射频滤波516，然后经过射频放大502、射频解调503，解调得到光电标签520输出的应答信息。 

需要指出的是本实施例中同一个光电标签520可以包含多路由驱动529和发光管531等电路组成之调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个调制光信号，并且各调制后光信号发射通道可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加调制后光信号发射面积。相应的，光电标签520也可以包含多路由光电接收管530、自动增益控制528、带通滤波527和解调526等电路组成之调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增加调制光信号接收面积和接收能力。 

同理，光电读写器501中也可包含多路由光电接收管514、自动增益控制513、带通滤波512和解调511等电路组成之调制光信号接收通道形成的调制光信号接收阵列，以此增加光信号接收面积和接收能力。相应的，光电读写器501中也可包含多路由驱动510和发光管509等电路组成之调制后光信号发射通道形成的调制后光信号发射阵列，用于输出同一个调制光信号，并且各调制后光信号发射通道可以是同时发出同一个已调制光信号，也可以是分时分别发出同一个已调制光信号，以增加光信号发射面积。 

本实施例以双工光信号交换为主，双工射频信号交换为辅，利用射频的全向性，增加***的可靠性，同时也实现与现有电子标签***的向下兼容。 

上述各实施例中调制光信号接收通道包含光电接收管、自动增益控制、带通滤波和解调等电路，但当解调交由处理器完成时，调制光信号接收通道将不包含解调电路。 

上述各实施例中自动增益控制电路，即自动增益控制放大电路，也可以用自动电平控制放大电路代之，也可以用数字自动增益控制放大器代之，或以数字电平控制放大器代之，当一个光电标签***中，各个光电标签总是与光电读写器相距误差范围很小的距离时，自动增益控制放大电路也可以由一个事先调整好放大倍数的放大器取而代之，故此把这些放大器统称为自适应放大电路。 

上述各实施例中的天线可以是常规的天线，也可以是空心线圈，也可以是绕在磁性材料上的铁芯线圈，这些线圈用于光电标签时就是感应线圈，用于光电读写器时就是发射线圈。 

上述各实施例中将光电读写器从其处理器输出到空间的信息统称为指令信息或指令信号，而将光电标签从其处理器或编码器输出到空间的信息统称为应答信息或应答信号。 

上述各实施例中光电标签内置有全球唯一编号，但在一些独立***的应用场合，也可以是自定义的编号，减少编号的位数，可以降低成本和功耗。 

上述各实施例中光电标签中处理器输出的编号还可以是加密后的编号，也可以是每次上电都有变化的非固定码，如滚动码。 

上述各实施例中光电读写器与光电标签的组合只是优化的各个组合，各种类型光电标签都可以被任何一种光电读写器所识别，光电读写器将根据接收到的光电标签类型信息，确定光电读写器与光电标签之间的信息交换模式，还可以再结合所接收调制光信号的强度确定信息交换模式，这些模式可以是光学单工模式、纯光学双工模式、光射复合双工模式、双光单射复合模式、双光双射复合模式等各种模式，也可以是有电子标签***的射频双工模式，这些信息交换模式可以进一步细分为各种半双工模式，相应的光电标签类型分别可以是光学单工类型、纯光学双工类型、光射复合双工类型、双光单射复合类型、双光双射复合类型等各种类型，同样，相应的光电读写器类型可以是光学单工类型、纯光学双工类型、光射复合双工类型、双光单射复合类型、双光双射复合类型等各种类型。 

上述各实施例中当光电标签包含多路有驱动和发光管组成的调制后光信息发射通道时，光电标签可以根据其与光电读写器的光信息交换检测结果，确定用哪几路调制后光信息发射通道来发射应答信息，以避免信息泄露和不必要的功率损耗，比如，卡式光电标签的A面和B面各有若干路调制后光信息发射通道，当其A面B面分别发射调制后光信息后，光电读写器分析所接收调制光信号的强度差别、时间顺序或光信息中的通道号、光电标签类型等数据，通知光电标签使用合适的调制后光信息发射通道，而当光电标签的A面和B面也有若干路调制光信息接收通道时，光电标签本身就可以根据所接收来自光电读写器的调制光信号强度，决定用A面还是B面的调制后光信息发射通道，进行后续的调制光信息交换。对于有多路调制后光信息发射通道和多路调制光信息接收通道的光电读写器，同样可以根据检测结果，确定用哪几路调制后光信息发射通道和哪几路调制光信息接收通道来完成与光电标签的调制光信息交换，以避免信息泄露和不必要的功率损耗。 

上述各实施例中之光电标签的各个组成部分中，除光电器件、天线等无源器件外，其余部分都可以是集成在一个芯片内，或若干芯片内，此时在电路板上并不能直观地区分各个物理组成部分。类似的，光电读写器中除光电器件、天线、接插件等无源器件外的各个组成部分可以分别组合成为若干芯片。 

本发明已对上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必须指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围所作的更动和润饰，均属本发明的专利保护范围。 

Claims (12)

1.一种无源光电标签装置，用作光电标签***中的应答装置，其特征在于：所述无源光电标签装置包含有天线和整流稳压电路和光信号编码调制单元，以及包含至少一路调制后光信号发射通道，所述天线也可以是感应线圈，所述整流稳压电路用于把来自天线的射频能量转换为无源光电标签装置的直流工作电源，所述调制后光信号发射通道包含发光管，所述发光管是红外发光二极管、或激光二极管、或可见光发光二极管，或其它发光器件之一，所述调制后光信号发射通道用于将已调制电压脉冲应答信号以调制光信号的形式发射到空间。

2.根据权利要求1所述的无源光电标签装置，其特征在于：所述装置还包含至少一路调制光信号接收通道，所述调制光信号接收通道包含光电接收管和自适应放大等电路，所述调制光信号接收通道用于接收空间中调制光信号形式的指令信息。

3.根据权利要求1所述的无源光电标签装置，其特征在于：所述装置还包含有射频解调电路，所述射频解调电路用于从来自天线的射频调制信号中解调出指令信息。

4.根据权利要求1所述的无源光电标签装置，其特征在于：所述装置还包含有射频解调电路，以及还包含至少一路调制光信号接收通道，所述射频解调电路用于从来自天线的调制射频信号中解调出指令信息，所述调制光信号接收通道包含光电接收管和自适应放大等电路，所述调制光信号接收通道用于接空间中收调制光信号形式的指令信息。

5.根据权利要求1所述的无源光电标签装置，其特征在于：所述装置还包含有射频解调电路和射频调制电路，以及还包含至少一路调制光信号接收通道，所述射频解调电路用于从来自天线的调制射频信号中解调出指令信息，所述射频调制电路用于把应答信息进行射频调制并输出到天线，所述调制光信号接收通道包含光电接收管和自适应放大等电路，所述调制光信号接收通道用于接收调制光信号形式的指令信息。

6.一种光电读写器装置，为无源光电标签***中的无线供电方，其特征在于：所述光电读写器装置包含天线、振荡器、射频放大驱动和处理器等电路，以及包含至少一路调制光信号接收通道，所述天线也可以是发射线圈，所述射频放大驱动电路用于将射频信号进行功率放大并输出到天线，从而在所述天线周围形成射频能量场，所述调制光信号接收通道包含光电接收管和自适应放大等电路，所述调制光信号接收通道用于接收空间中调制光信号形式的应答信息。

7.根据权利要求6所述的光电读写器装置，其特征在于：所述装置还包含至少一路调制后光信号发射通道，所述调制后光信号发射通道包含发光管，所述发光管是红外发光二极管、或激光二极管、或可见光发光二极管，或其它发光器件之一，所述调制后光信号发射通道用于将已调制电压脉冲指令信号以调制后光信号的形式发射到空间。

8.根据权利要求6所述的光电读写器装置，其特征在于：所述装置还包含射频调制电路，所述射频调制电路用于把指令信息进行调制并输出到天线。

9.根据权利要求6所述的光电读写器装置，其特征在于：所述装置还包含射频调制电路，以及还包含至少一路调制后光信号发射通道，所述射频调制电路用于把指令信息进行调制并输出到天线，所述调制后光信号发射通道包含发光管，所述发光管是红外发光二极管、或激光二极管、或可见光发光二极管，或其它发光器件之一，所述调制后光信号发射通道用于将已调制电压脉冲指令信号以调制后光信号的形式发射到空间。

10.根据权利要求6所述的光电读写器装置，其特征在于：所述装置还包含射频调制电路和射频解调电路，以及还包含至少一路调制后光信号发射通道，所述射频调制电路用于把指令信息进行射频调制并输出到天线，所述射频解调电路用于将来自于天线的射频调制应答信号中解调出应答信息，所述调制后光信号发射通道包含发光管，所述发光管是红外发光二极管、或激光二极管、或可见光发光二极管，或其它发光器件之一，所述调制后光信号发射通道用于将已调制电压脉冲指令信号以调制后光信号的形式发射到空间。

11.一种无源光电标签***，其特征在于：所述***包含至少一个光电读写器装置和至少一个无源光电标签装置，所述无源光电标签装置的工作电能从所述光电读写器装置的无线供电中获取，所述无源光电标签装置具有将应答信息以调制光信号的形式发射到空间的调制后光信号发射通道，所述光电读写器装置以无线供能的方式为无源光电标签装置供能，所述光电读写器装置具有可以接受空间中调制光信号形式之应答信息的调制光信号接收通道。

12.一种指令信息和应答信息可靠交换的方法，所述方法用于无源光电标签***中无源光电标签装置与光电读写器装置之间的信息交换，其特征在于：无源光电标签装置进入工作状态后，在输出内置编码之前，将先把本无源光电标签装置的类型信息作为一条应答信息的组成部分输出到光电读写器装置，光电读写器装置获取无源光电标签装置的类型后结合本光电读写器装置的类型，决定指令信息和应答信息的交换模式。

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