硬標簽插磁調頻裝置控制系統設計與試驗

蔡曉霞，張西良，盛慶元，陳科行

(1.紹興職業技術學院 機電工程與交通學院，浙江 紹興 312000；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

無線射頻識別即射頻識別技術(RFID)，是自動識別技術的一種，目前在工農業領域有廣泛的應用[1-2]。電子商品防盜(EAS)技術也采用了RFID。EAS系統中的電子標簽質量是整個系統能可靠運行的保障?；诼暣殴ぷ髟淼腅AS系統大都采用一種固定工作頻率的硬標簽[3]。目前，在硬標簽生產過程中，有一道插磁調頻工序——將磁棒插入繞有線圈的骨架中，以調整待調頻硬標簽線圈電感值，使線圈電感與其串聯電容組成的RLC回路諧振頻率符合行業要求[4-5]。

查閱現有文獻，現有的硬標簽諧振頻率檢測技術按探頭結構可分單線圈、雙線圈、三線圈、四線圈[6-10]。楊成忠[11]研究了單線圈傳感器模型和雙線圈傳感器模型結構特點，得出雙線圈傳感器更加適合應用于工程。朱亞萍[12]等在電路參數仿真分析基礎上，研究了雙線圈傳感器線圈匝數和空間結構參數對輸出響應靈敏度影響。李佳駿[13]利用 HFSS 磁場仿真軟件研究了不同形狀單、雙線圈的理論測試誤差。為克服單、雙線圈測量的理論誤差，專利CN106443826A[10]提供一種四線圈結構，可有效消除中心頻率偏移。盛慶元等[9,14]人基于差分設計思路，提出了三線圈探頭結構，設計的傳感器測試硬標簽諧振頻率精度優于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)。牛元海[15]、Soham[16]、王焱[17]分別在EAS掃頻信號源，線圈耦合影響因素，檢測器方面進行了相關研究。

在插磁裝置方面，文獻較少，CN108268929A[18]、CN107239079A[19]專利提供了不同形式的插磁機械裝置及其相應的控制電路與控制方法。如CN108549265A提出一種基于模糊控制的無源電子硬標簽插磁控制方法，以三線圈傳感技術，結合模糊控制算法，提高了插磁硬標簽諧振頻率精確度控制。

可現有硬標簽諧振頻率檢測技術為機器插磁控制提供控制信號存在缺陷，既檢測時硬標簽與檢測探頭之間的互感系數M是不變的，而在插磁過程中，M隨磁棒插入骨架深度隨時變化，需要配合復雜的控制方法。文獻[18]中的恒頻控制壓入步驟和跳頻控制壓入步驟控制方法，文獻[20]中的基于模糊控制算法，可以一定程度上提高壓磁調頻精度，可無法消除原理誤差。

為解決上述問題，本文設計一種硬標簽插磁調頻機控制系統，采用單線圈探頭，設有電容補償環節，基于相位差變化特性，設計以相位差信號為控制系統提供反饋信號的控制系統，以期提高插磁調頻精度和效率。

1 硬標簽調頻原理與插磁調頻核心部件

1.1 硬標簽調頻原理

硬標簽的內部結構(圖1a)是一個電容電感串聯回路，其可等效為LCR串聯電路。判定標簽是否合格的標準之一是看硬標簽在規定諧振頻率范圍內是否產生諧振。目前，在硬標簽生產過程中，硬標簽諧振頻率的調整是通過將磁棒插入繞有線圈的骨架中，以調整硬標簽諧振回路中電感值大小，使硬標簽電感和電容組成的串聯回路諧振頻率符合行業要求，此過程稱為插磁調頻工序。

圖1 硬標簽的實物圖與插磁調頻裝置圖

1.2 插磁調頻核心部件

硬標簽的插磁調頻核心部件由步進電機、絲桿組成，如圖1(b)所示。控制單元控制步進電機，可實現絲桿上下移動，壓塊下移時將磁棒壓入到待調頻的硬標簽骨架中。此部件下移控制的關鍵在于獲取硬標簽諧振頻率信號為控制系統提供反饋信號，并使得磁棒插入的深度滿足硬標簽的工作諧振頻率。

2 傳感電路設計原理與分析

2.1 傳感電路設計原理

控制系統采用單線圈探頭，傳統的單線圈探頭檢測硬標簽諧振頻率的電路模型如圖2(a)，硬標簽的電路結構可等效為圖2(a)中的右半部分，由L2，C2，R2串聯。R1為精密電阻，L1為單線圈敏感探頭等效電感，M為單線圈敏感探頭與硬標簽線圈電感之間的互感系數。圖2中左右電路各部分電壓電流向量關系如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中的Z1為R1、L1串聯總阻抗，Z2為R2、C2、L2串聯總阻抗。

由式(1)～(2)可得精密電阻R1兩端的電壓U0向量為:

(3)

依據式(3)，文獻[3-4]研究表明通過掃頻法，獲取幅頻特性曲線，諧振頻率定義為最大值幅值對應頻率fmax和最小值對應頻率fmin的算術平均值，顯然，這種方法不利于提高插磁調頻效率。

圖2 傳感電路設計原理圖

改進設計電路，在信號源端增加補償環節，如圖2(b)所示。信號源頻率w大小設置為控制目標硬標簽諧振頻率w0，并通過調節可調電容CX，使得w0L1=1/(w0C總)。在這種情況下，式(3)更改變形可得式(4)。

(4)

顯然式(4)中，L2值變化，對應的Us、U0信號的幅值比和相位差也隨之變化，進而可以敏感待插磁調頻硬標簽的諧振頻率。

2.2 傳感電路模型仿真分析

2.2.1 模型的定性分析

在硬標簽插磁調頻過程中電感L2增大，敏感探頭與硬標簽電感L2之間的互感系數M也變大，對式(4)的幅值變化定性分析較難。從相位角度分析可知：角頻率為w0時，硬標簽L2，C2，R2串聯等效電路總阻抗成容性時，信號Us相位超前信號U0；硬標簽L2，C2，R2串聯等效電路總阻抗成感性時，信號Us相位滯后信號U0；硬標簽L2，C2，R2串聯等效電路總阻抗成阻性時，信號Us與信號U0相位一致。

在硬標簽生產插磁過程中，信號Us相位先超前U0，后滯后U0，信號Us與信號U0相位一致時，是磁棒插入深度的最佳控制點。

2.2.2 模型的定量分析

借助mutilism電路設計軟件，以廠家生產58 kHz“中榔頭”硬標簽提供的參數，C2取1 700 pF，R2取14 Ω；探頭L1選擇市售490 μH線圈，匹配電容值C總取15.367 nF，信號源頻率設置為58 kHz，對電感L2變化，Us、U0信號的幅值比和相位差隨之變化的關系進行仿真，同時考慮下壓過程M變化，對M變化引起的影響也進行仿真。采用mutilism的parameter sweep功能，選擇AC Analysis模式，將仿真結果導出到EXCEL，繪制參仿真結果見圖3。

圖3 電路幅值比、相位差仿真圖

通過圖3可知，M不影響對幅值比和相位差的變化趨勢；幅值比最小，相位差為零對應的L2相等，并且此L2與C2串聯計算的諧振頻率與激勵信號頻率相等；隨L2增大，U0先滯后US，且相位差先變大后變小，出現反轉特性，L2進一步增大相位差極性反轉。通過比較幅值比、相位差變化特征，本文采用相位差為反饋控制信號，利用相位差先變大后變小特性，在最大滯后相位差之前采用快壓，最大滯后相位差之后采用慢壓，并將相位差極性反轉(由滯后變為超前)特性提供完成下壓過程的觸發信號。

3 控制系統設計

本控制系統配合雙路壓磁調頻機設計，其基本工作過程，將壓磁調頻硬標簽放置于底座中，鏈條傳輸帶將底座輸送置壓棒正下方，左右步進電機分別下壓，完成插磁調頻過程后，左右步進電機反轉提起壓棒，完成一次壓磁調頻過程。

3.1 硬件總體結構

本控制系統以MSP430為控制核心設計，主要由開關電源、位置傳感器、步進電機驅動器、激勵信號源等信號處理模塊等構成，其硬件結構如圖4所示。

圖4 控制系統硬件結構簡圖

3.2 硬件詳細設計

本控制系統需主從兩路控制板，設計的主從電路主要電路原理圖如圖5所示，核心電路介紹如下。

3.2.1 激勵信號源設計

激勵信號源采用了AD9833芯片，它是ADI公司生產的一款低功耗，可編程波形發生器。輸出頻率范圍為0～12.5 MHz，精度可以達到0.004 Hz，3線SPI接口易于與各種主流微控制器兼容。芯片設置為正弦波輸出，幅值0.6 VPP左右，輸出阻抗為200 Ω。圖5中的信號JP3端子分別與發射線圈兩端相連。

3.2.2 相位差檢測單元

插磁調頻裝置以信號Us、U0相位差為控制信號，設計的鑒相電路以AD8302為核心，提供模擬電壓信號輸出AA0。AD8302是ADI公司的用于RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路，能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內的兩輸入信號之間的幅值比和相位差。信號測量范圍為-60～0 dBm，相位檢測的范圍0°～180°，對應電壓輸出范圍0～1.8 V，輸出電壓靈敏度為10 mV/度，測量誤差小于0.5°。

3.2.3 相位極性鑒別單元

另外，相位極性鑒別單元，信號Us、U0分別經過零比較器A和過零比較器B整形為方波信號，再經過邊沿D觸發器處理。

TLV3502雙通道比較器，實現了高速度(40 ns)與低功耗(40 μA)的完美組合，采用極小型封裝，具有軌至軌輸入、低偏移電壓(1 mV)和大輸出驅動電流等特性。SN74LVC1G79器件是一種的單路正緣觸發D型觸發器。當數據輸入 (D) 處的數據滿足設置時間要求時，將該數據傳輸到時鐘脈沖正向緣上的Q輸出。

圖5 主要模塊單元的電路原理圖

3.2.4 A/D轉換單元

A/D轉換單元采用ADS1115芯片，它是兼容 I2C的16位高精度低功耗模數轉換器，自帶可編程放大電路，可提供從±256 mV到±6.144 V 的輸入范圍，執行轉換數據速率高達每秒860個樣本。配置寄存器值高低字節設為0xC6、0xe3，即選擇通道0、滿量程1.024 V，最快采樣率工作。

其他部分電路屬電路常規設計，本文中不再做詳細闡述。

3.3 控制系統軟件設計

系統選用IAR for MSP430專業集成開發環境，應用C語言進行編程。系統軟件采用模塊化設計思想，主要由主程序、AD9833驅動程序、ADS1115驅動程序、液晶觸摸屏驅動程序等幾個模塊構成，各驅動程序的編程可參考相應說明書。主從工作流程框圖和壓磁調頻軟件流程圖如圖6、圖7所示。

圖6 主從工作流程框圖

圖7 壓磁調頻軟件流程圖

4 試驗與結果分析

4.1 測試方法

以用于聲磁防盜系統，工作頻率為58 kHz的無源硬標簽為對象，從合作廠家提供的待調頻“中榔頭”型硬標簽中抽取20對，放入圖1(b)底座中，設置壓磁調頻壓棒下移高速為20 mm/s，低速為5 mm/s。啟動控制系統，自動完成每個硬標簽插磁調頻過程。

插磁后斷開電容電感焊接引腳，用市售3060型掃頻儀檢測硬標簽諧振頻率。為說明本裝置的插磁性能，隨機抽取等數人工插磁的硬標簽的諧振頻率為對比(人工插磁采用骨架與磁棒是間隙配合通過膠水固定)。根據測試數據，調高信號源頻率至58.05 kHz再進行試驗，測試數據如表1所示。

表1 測試數據分析表 單位:kHzp

4.2 數據分析

據表1可知，兩次試驗雙路壓磁調頻機控制硬標簽諧振頻率的最大誤差分別為-66 Hz、69 Hz，控制精度比人工(人工控制最大誤差138 Hz)提高了一倍左右；人工插磁調頻方法極差范圍235 Hz，而機器僅為90 Hz左右，產品質量的波動性也大為降低；對方差進一步分析，壓磁調頻機控制的硬標簽諧振頻率方差降低了一個數量級，僅為0.000 6、0.000 8，效果明顯。另外，進行了連續插磁200個試驗，諧振頻率誤差都在±75 Hz內(剔除電容電感引腳焊接不合格品)，此設備對“中榔頭”插磁調頻的平均速度為2.14 s/個，是熟練人工效率的3倍左右。

5 結束語

針對目前無源電子硬標簽生產過程，傳統硬標簽諧振頻率檢測技術用于插磁調頻控制存在的不足，設計用于插磁調頻裝置的控制系統。該系統包括以MSP430F149處理器為核心控制電路及其配套控制策略組成。其核心是基于電容補償原理的單線圈敏感硬標簽諧振頻率傳感技術，采用了硬標簽調頻頻率值為發射信號頻率，以相位變化為控制系統提供反饋信號，采用相位差值反轉特性實現下壓高低速切換，相位極性反轉特性完成下壓控制的控制決策。

以生產58 kHz“中榔頭”型電子硬標簽進行測試，數據分析表明，當此套控制系統高速運行在20 mm/s，低速為5 mm/s時，硬標簽諧振頻率控制誤差在±75 Hz內，方差為0.0006～0.0008，運行穩定。本技術為機器下壓磁棒調頻提供了技術支持，下一步可針對不同類型的硬標簽試驗在合理控制精度前提下，匹配最快下壓速度，開發相應的智能速度匹配程序；另一面可研制自動上料環節，研制全自動插磁調頻機，完全實現此工序的智能自動生產。