基于電容補償技術的硬標簽調頻系統設計與試驗

盛慶元，張西良，孔寶根

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

電子標簽通常被作為射頻識別技術（RFID）的簡稱，在工農業領域有廣泛的應用[1-2]。目前，國內外超市基本上都使用電子商品防盜系統（EAS），高品質的標簽質量是此系統正常工作的重要保證。硬標簽做為RFID 中的一類，其制作過程中，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，使線圈電感與電容串聯組成的LC 閉合回路固有諧振頻率符合行業范圍要求[3-4]。

現階段國內外對電子標簽行業技術研究的重點始終在EAS 系統本身和標簽天線上，對電子標簽本身技術的研究缺乏關注。在標簽品質檢測技術方面，按檢測探頭形式來分有單線圈、雙線圈、三線圈、四線圈[5-7]。文獻[4]基于差分原理設計了三線圈、四線圈探頭，并建立了各自的等效模型，有效提高了硬標簽諧振頻率檢測精度；文獻[7-9]研究表明單線圈、雙線圈式傳感器檢測技術存在原理誤差；文獻[10-12]分別在EAS 掃頻信號源，檢測電路，射頻接收前端進行了相關研究。

標簽插磁調頻方面，CN107239079A[13]、CN1085 49265A[14]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。文獻[15]分別基于三線圈探頭硬標簽諧振頻率檢測技術、單線圈探頭相位變化特性設計了壓磁調頻控制系統，基本滿足了企業對硬標簽產品質量控制要求。但其控制電路設計或控制方法復雜，再提高插磁調頻精度難度較大。

采用單線圈探頭，增加電容補償電路，基于傳感幅值變化特性，結合閾值的模糊控制策略，設計一套硬標簽調頻控制系統，以期提高插磁調頻精度和效率。

1 反饋信號測量原理與分析

1.1 反饋信號測量原理

控制系統反饋信號采用設有電容補償特點的單線圈式感知硬標簽插磁調頻諧振頻率變化信號。采用互感耦合原理建模，如圖1所示。常規單線圈探頭掃頻法測硬標簽諧振頻率的工作原理如圖1（a）所示，L1為單線圈探頭，R1為精密電阻，硬標簽可等效為電阻R2、電感L2、電容C2串聯形成閉合回路，圖1（a）中左右分別由基爾霍夫電壓定理可得：

圖1 傳感電路設計原理Fig.1 Schematic diagram of sensor circuit design

式中：Z1為R1，L1串聯總阻抗；Z2為R2，C2，L2串聯總阻抗；M 為單線圈敏感探頭與硬標簽線圈電感之間的互感系數。

由式（1）～式（2）可得電阻R1電壓向量表達式為

文獻[7-8]研究已表明通過掃頻法，輸出信號幅值U0與硬標簽諧振頻率存在頻移，且與單線圈探頭電感量、硬標簽測試擺放位置等因素有關。顯然，直接使用此信號作為反饋控制信號并不合適。

改進的電路是在信號源端增加補償電容，以插磁調頻硬標簽控制諧振頻率f0為激勵信號頻率，如圖1（b）所示。補償電容CT值由w0L1=1/（w0CT）確定，其中w0為f0對應的角頻率，CT為圖1（b）中C0和Cx的總電容。這種情況下，由式（3）可得式（4）：

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

1.2 反饋信號特性仿真分析

對式（4）分析可知，當信號源Us幅值一定時，對某個待調頻硬標簽來說，U0的幅值大小與M，L2有關，且M 不變時，L2與電容C2形成的諧振頻率為w0時，U0幅值取得最小值。

硬標簽插磁調頻過程示意圖如圖2所示，探頭接觸磁棒后，磁棒插入過程中電感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。借助Multisim 電路設計軟件，以EAS 中使用最多的58 kHz 聲磁標簽為對象，廠家提供數據C2為1700 pF，R2為14 Ω；探頭L1選擇市售490 μH 線圈，計算可得CT取15.367 nF。對不同互感系數M 下，電感L2變化，Us、U0信號的幅值比關系進行仿真。采用mutilism 的參數掃描功能，選擇交流分析模式，仿真結果導出到excel 后，用Matlab 繪制參仿真結果，如圖3所示。

圖2 插磁調頻示意圖Fig.2 Schematic diagram of inserting magnetic frequency modulation

圖3 Us，U0 信號的幅值比Fig.3 Amplitude ratio of Us and U0 signals

由圖3可知：①不同M 值，Us，U0信號幅值比極值點對應的L2值相同，且計算可得此值與CT值得到的硬標簽諧振頻率與信號源工作頻率58 kHz 相等；②同一M 值時，在Us，U0信號的幅值比變化趨勢反轉前，Us，U0信號的幅值比隨電感L2增大下降趨勢加快；③M 值大于0.7 時，不同M 的條件下，Us，U0信號的幅值比隨L2的變化曲線開始重合，即M對Us，U0信號的幅值比影響較弱。

2 控制系統電路設計

本控制系統電路設計配合雙路壓磁調頻機設備進行，設備實物如圖4所示。其工作過程：將壓磁調頻硬標簽放置于圖4中白色底座中，鏈條傳送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。

圖4 雙路壓磁調頻機Fig.4 Dual channel piezomagnetic frequency modulation machine

2.1 硬件總體結構

本電控系統分為主從兩路壓磁調頻，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，通過串口主從單元兩路實現通信，單路電路硬件結構如圖5所示。

圖5 單路硬件結構簡圖Fig.5 Single channel hardware structure diagram

2.2 硬件詳細設計

單路硬件電路原理如圖6所示，核心電路介紹如下。

2.2.1 激勵信號源設計

激勵信號源單元采用AD9833 芯片，它是一款低功耗、可編程波形發生器，可以產生正弦波、三角波、方波。采用25 M 的時鐘源，經過編程可以得到0.1 Hz 的時鐘；AD9833 通過3 線串口進行寫操作，并與DSP 和微處理器標準兼容。圖6中的信號JP2 端子與單線圈探頭兩端相連，本項目中此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6 硬件電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of hardware circuit

2.2.2 信號處理單元

信號處理單元包括差分信號提取模塊，真有效值（RMS）轉化模塊和信號放大模塊。其中差分信號提取模塊采用AD8130 芯片實現，AD8130 為差分至單端放大器，具有270 MHz 的帶寬，1 MΩ 差分高輸入阻抗，94 dB 高共模抑制比。真有效值轉化模塊采用LTC1968，它是一款真正的RMS 至DC 轉換器，并準確地支持高至4 的峰值因數。圖6中的精密電阻R4上的電壓信號ASROUT 經AD8130 芯片提取后，送至LTC1986，轉換為其自身的有效值電壓輸出，在經過AD8692 組成的同相比例運算放大電路放大，作為A/D 采樣信號。

2.2.3 A/D 轉換單元

A/D 轉換單元采用ADS1115 芯片，它是具有16位分辨率，數據通過一個I2C 兼容型串行接口進行傳輸，能夠以高達每秒860 個采樣數據的速率執行轉換操作，具有一個板上可編程增益放大器（PGA）。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。其它部分電路屬電路常規設計，不再做詳細闡述。

3 控制策略設計

結合壓磁調頻過程，信號源Us固定時，可以推理出插磁調頻初期M 和L2同時變大，U0信號幅值增大，且其幅值變化率也快速增大；之后M 值較穩定，U0信號的幅值變化主要由L2決定，當U0達到最大值時，就是插磁調頻的最佳控制點。本文基于上述仿真結論，針對極大值控制易超調并兼顧壓磁調頻效率，設計帶有閾值的模糊控制策略來實現硬標簽插磁調頻工序。

3.1 模糊控制器結構設計

本系統以控制步進電機轉速為目標，反饋信號U0變化量作為輸入變量ec，步進電機轉速y 即步進電機驅動的脈沖頻率為輸出量u，構建一個一維單變量模糊控制器，其控制器原理框圖如圖7所示。

圖7 控制器原理框圖Fig.7 Schematic diagram of controller

圖中KT 為控制切換，控制規則采用分段控制，系統設置一閾值。控制時，前半程U0數字量小于閾值時，以U0數字量為控制信號，使磁棒快速壓入；后半程采用模糊控制規則，輸入量經模糊化后輸入到系統中，進行模糊推理，最后進行解模糊化，得到精確的輸出量，來控制執行機構，實施磁棒壓入深度控制。

3.2 變量模糊化和隸屬函數的建立

輸入輸出ec，u 對應的模糊變量分別為EC，U。如圖8所示，各變量均選擇工程上常用的三角形隸屬函數。在磁棒壓入過程中，U0變化量先緩慢增大，接著急劇增大，后會出現增量變負現象。將ec 輸入變量語言值分成5 個檔級：NS（負小）、Z（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大），ec 量化后的論域選取［-1，3］，具體量化因子試驗得到；將u 輸出變量語言值分成5 個檔級：Z（零），PZ（正零）、PS（正小）、PM（正中）和PB（正大），對應壓入速度，停、慢、中速、快速、極快速，u 的論域是擬調試脈沖頻率與最大速度脈沖頻率的比值，量化后的論域取［0，4］。

圖8 輸入輸出隸屬度函數圖Fig.8 Input and output membership function diagram

3.3 模糊規則和決策方法

根據專家的理論和實踐經驗，采用模糊條件推理if A and B then C，得出模糊控制規則，如表1所示。模糊控制規則的編制基本原則是：U0變化量越大，控制步進電機的脈沖頻率越小，防止超調。偏差變化模糊量用來控制輸出量模糊集的切換。

表1 模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rules

4 試驗與結果分析

4.1 測試方法

以58 kHz 聲磁硬標簽為對象，在圖4所示的雙路壓磁調頻機上進行，控制策略中的慢、中速、快速、極快速，分別對應下壓速度0.5 mm/s，2 mm/s，8 mm/s，20 mm/s。從壓磁調頻好硬標簽中抽取20 個，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），測試數據如表2所示。

表2 測試數據分析Tab.2 Test data analysis kHz

4.2 數據分析

據表2可知，基于本文反饋信號模糊控制的雙路壓磁調頻機控制硬標簽諧振頻率的最大誤差為73 Hz，極差為116 Hz，控制精度比人工（人工控制最大誤差138 Hz）提高了近一倍；人工插磁調頻方法極差范圍235 Hz，而機器僅為116 Hz左右，產品質量的變異范圍也大為降低；從方差分析結果來看，機器壓磁調頻的離散程度小，產品諧振頻率一致性更好。另外，機器連續進行200 個插磁調頻試驗，諧振頻率誤差都在±80 Hz 內（剔除電容電感引腳焊接不合格品）。另外，此設備插磁調頻的平均速度可達1300 個/h，是熟練人工效率的3 倍左右。

5 結語

針對傳統硬標簽諧振頻率檢測技術輸出信號作為插磁調頻控制系統的反饋信號存在的不足，提出一種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。并分析了此技術輸出信號隨磁棒插入的信號變化特性，提出了適合硬標插磁調頻過程的設有閾值的模糊控制策略，以MSP430F149 處理器為核心研制一套雙路硬標簽插磁調頻控制系統。以生產58 kHz 聲磁硬標簽進行試驗，數據表明，此套控制系統對硬標簽諧振頻率的控制精度在±80 Hz內，產品質量穩定性高于手工，生產效率為1300 個/h，是手工效率的3 倍。