基于新型多進制正交幅度調制通信的可計算射頻識別系統設計

梁能

(廣東海洋大學,電子與信息工程學院,廣東,湛江 524088)

0 引言

射頻識別技術(RFID)是20世紀80年代發展起來的一種新興自動識別技術,射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[1]。RFID是一種簡單的無線系統,只有兩個基本器件,該系統用于控制、檢測和跟蹤物體[2]。系統由一個詢問器(或閱讀器)和很多應答器(或標簽)組成[3]。射頻識別系統被廣泛應用于物聯網無源識別系統中,特別在多車輛轉運系統中,復雜的遠距離大功率復雜射頻識別系統的工程意義尤為重要[4]。但常規射頻識別設備雖然識別分類較多,但識別范圍比較小,被識別節點的自由度比較低[5],為了開發一種新型正交調幅可計算射頻識別系統,本研究使用HQAM硬件算法,開發一種16進制射頻識別系統。HQAM(high layered quadrature amplitude modulation,分層正交幅度積分無線電系統)是正交幅度調制通信的重要實現方式[6],利用一對正交關聯的線圈組形成多種幅度的無線電波形組合,利用一個正交循環表示一個多進制位[7],相關研究中一般使用三進制、四進制等調制模式,部分研究使用八進制、十六進制等調制模式[8],該研究重點分析一個波形調制十六進制射頻信號的HQAM射頻通信模式,用于多機器人協同系統的相互身份識別。該系統需要2組正交線圈,每組線圈包含3個發射線圈,形成4種不同波幅調制信號,可以用于大部分射頻識別系統的編碼規則[9-10]。

1 發射響應與接收模塊的總體設計

1.1 基礎模塊結構設計

該研究設計的十六進制射頻識別系統包含1個無源發射響應模塊和1個有源控制及接收模塊,控制及接收模塊接收紅外探頭或者其他觸發式探頭信息感知多機器人系統中移動車輛的接近信號,發出1個激發射頻信號,無源發射響應模塊接收到該射頻信號后,其內部電容C被短時間充能,電壓達到T0臨界值后激發兩組線圈LB按照跳線SB的配置信息發出射頻信號。其中,無源發射響應模塊如圖1所示,有源控制及接收模塊如圖2所示。

圖1 無源發射響應模塊總體設計

圖2 有源控制及接收模塊總體設計

圖1中,無源發射響應模塊共設計7組線圈,其中X向布置串聯LA1、LA2、LA3線圈,由跳線SA1、SA2、SA3控制,Y向布置串聯LB1、LB2、LB3線圈,由跳線SB1、SB2、SB3控制,另外設置輔助充能線圈L0,用于加強射頻充能信號的充能效果。充能電容器C充能完成后在T0的激發下放電,使X向、Y向線圈發出一個上升沿信號,即該無源發射響應模塊每次受激發射射頻信號,給出的波形為1/4個波形。

圖2中,有源控制及接收模塊使用LA和LB兩個線圈感應無源發射響應模塊發出的射頻信號,使用電壓比較器LM339將信號解析成3個數據位,使用SC2272編碼器芯片見上述2路各3個數據位編碼成1個4位信號,使用SN74HC373 NSR芯片將編碼器輸出的4個數據位鎖存,用于后續分析。系統受到觸發后,使用有源射頻震蕩回路L0-C發射充能射頻信號,充能量為電容器C的預充能電能。該有源控制及接收模塊共設置8條引線,包括一個VCC電源引線,D0、D1、D2、D3共4個數據位讀取引線,鎖存器清空引線CLR,電容器預充能電位開關S1,預充能電容器放電開關S2。其中,S1與S2屬于互斥關系,當S2為高電平時,將S1調整為低電平,此時為震蕩電路激發狀態,反之,當S1為高電平時,將S2調整為高電平,此時為預充能電容器充能及電平保持狀態。

1.2 射頻識別系統的計算功能設計

如前文所述,無源發射響應模塊一次性向有源控制及接收模塊發射一個十六進制數據,在有源控制及接收模塊進行初步的電壓比較、編碼、鎖存處理后,向計算系統輸出1個4位數據,該系統的計算功能基于該4位數據展開。其數據采集與應用系統如圖3所示。

圖3 射頻識別系統嵌入式計算模塊設計圖

圖3中,射頻系統與嵌入系統之間存在3路單工數據,其中射頻系統的引線定義參照前文圖2,嵌入系統選型時需要4路相對獨立的至少4位輸入輸出接口,D0接口中4位用于接收射頻系統返回信號,D1接口用于向射頻系統發出控制指令,D3接口用于接收外部觸發信號,如激光、雷達等觸發探頭,另外,使用D2接口與網路接口卡雙工通信。嵌入系統中設有時鐘模塊,受到網絡接口卡接收的集中授時信號控制,網絡接口卡的通信地址與時鐘模塊提供的時間戳信息合并射頻系統返回的射頻信息,形成可計算的射頻微波物聯網探頭數據。

2 數據結構設計與數據計算模式

2.1 射頻微波信號的空間結構及數字化解析

實際控制中,因為無源發射響應模塊的充能電容器在三極管的激發下瞬時放電,形成一個上升沿,構建發射信號的前1/4個周期,隨后因為電路沒有設計震蕩功能,線圈與電容器構成的開式回路逆向放電,形成一個激發電位差的下降沿,當電容器點位差下降到一定幅度時,激發三極管激發極失壓導致激發電路被關閉,在接地回路的影響下,激發電平快速下降至0。但在第一個上升沿起,發射線圈內的交變電場上升沿在空間中激發出一列電磁波,該激發過程如圖4所示。

圖4 射頻微波信號的理論激發模式

圖4中,粗實線部分為線圈激發回路的電平曲線,細實線部分為空間電磁波的理論激發波形,因為線圈中的激發過程僅為1/4個波形周期,所以空間電磁波存在3個特征:① 空間電磁波能量波峰顯著低于線圈激發能量波峰,該損失值在固定激發電路中屬于固定比例,可以歸為系統誤差,可以通過調整激發電路的電容器、激發線圈容量整定值有效平衡該誤差;② 因為激發線圈的激發過程僅為一個上升沿,不能對控件電磁波持續激發,所以,系統每激發一次可以發出電磁波振蕩波形快速衰減,有效測量模式下,該振蕩衰減過程越快,數據接收端受到的干擾越小;③ 接收端接收線圈收到的頻率、相位與射頻電磁波傳輸距離無關,但其波幅與電磁波傳輸距離有關,距離過長時,電磁波傳輸能量損失可能導致數據誤讀。

理想狀態下,X向與Y向電磁波信號均可在有源控制及接收模塊激發3種不同的信號峰值。因為信號激發時可串聯三種不同的發射線圈,3種信號峰值分別理論值為1.00、0.79、0.63及空白信號共4種信號模式,分別定義為A、B、C、D四種信號,兩個正交信號通道分別構成以下數據定義(如表1)。

表1 信號接收側數據定義表

表1中,為了確保實際接收效果,考慮到距離對接收端數據接收峰值的影響,仿真實驗及現場實驗中,嚴格約束發射端與接收端的距離,獲得該系統可以服務的最遠距離。常規非正交射頻卡系統最遠服務距離一般在厘米級,即射頻卡需要貼近控制端才可以有效傳輸數據,而該系統支持非接觸傳輸,在實驗中測定該最遠服務距離。

2.2 數據防干擾算法模型

遠距離射頻信號傳輸的干擾來源主要有以下2點:① 因為傳輸距離和系統誤差產生的波形畸變,如前文所述發射線圈的發射效率引起發射功率低于發射線圈供能功率,射頻信號空間分布導致發射線圈到接收線圈的功率損耗,接收線圈接收功率與數模轉換回路內波形的功率損耗,根據仿真試驗結果,該部分干擾可以通過修正算法和修正回路予以矯正;② 正交波形除使用90度正交線圈實現空間異向性外,使用不同的固有頻率防止正交波形相互干擾,即接收線圈的固有頻率應與發射線圈相符,另外使用輔助線圈給電壓比較器提供比較電位,充分保障比較器的識別靈敏度。

在前文圖2接收架構的基礎上,增加LM339芯片比較電位回路,增加LA、LB線圈至LM339芯片之間的濾波回路,同時實現高通濾波和低通濾波,可以有效避免上述倆種干擾。兩個濾波功能加入回路后,一方面可以避免2列正交波形的相互干擾,另一方面可以減少環境雜波的干擾,但濾波回路本身產生一定能耗,對射頻信號的接收識別距離有負面影響。即提升識別精度會減少識別距離,但考慮到因為干擾波形導致的識別距離下降幅度與系統精度保障回路導致的識別距離下降幅度之間的相互關系,可以在仿真實驗中對二者平衡選型。

3 射頻識別系統的仿真測試與現場測試

在MATLAB下構建仿真測試環境,環境中加載無線電仿真引擎控件,物理粒子引擎控件,光學控件,模擬電路及數字電路仿真控件,仿真環境中搭建無源發射響應模塊和有源控制及接收模塊,測試不同硬件選型優化條件下的系統表現。現場測試環境中,根據仿真測試優選后成型方案搭建實體射頻發射、接收裝置,比較該裝置與傳統裝置之間的性能差異,與之比較的傳統裝置選擇日本三菱公司生產的十六進制遠距離正交調幅射頻識別裝置。

3.1 系統抗干擾能力仿真測試結果

仿真測試中,前文所述的電壓比較器參照電位控制系統、接收線圈濾波系統等全部部署后,單獨調整無源發射響應模塊中預充能電容器的容量,控制發射端的發射總電量,通過仿真測試研究不同預充能電容器容量條件下有效識別距離和識別準確率的變化情況,得到圖5。

圖5 預充能電容器容量對系統抗干擾能力的影響仿真結果

圖5中,預充能電容器容量坐標軸為對數坐標體系,此時有效識別距離呈現拋物線型分布規律,峰值出現在450 μF附近,超出該值后,因為充能過程所需的充能微波能量需求較大且較長充能周期帶來的充能過程不穩定性,導致其有效傳輸距離下降。而最大識別距離的識別準確率落點集中在95.8%至99.3%區間內,個別離群落點低于95%,但均在90%以上。代表系統在個別極端條件下會存在瞬態不穩定性。實際計算過程中,每次觸發射頻識別時,有源控制及接收模塊會向無源發射響應模塊發送多個激發脈沖,獲得多次識別結果,最終通過對比決策法選擇最高概率識別結果作為最終識別結果,不同問詢次數對最終識別結果的影響曲線如圖6所示。

圖6 同問詢次數對最終識別結果的影響曲線

圖6中,當識別次數達到25次以上時,最終識別結果準確率基本收斂到100%附近,即為了充分保障該系統的識別穩定性,每次觸發識別動作時,有源控制及接收模塊至少向無源發射響應模塊發送識別脈沖25次,根據接收到的識別數據判斷無源發射響應模塊發送的射頻信息。

3.2 現場測試結果與該系統優勢分析

選擇450 μF預充能電容器和25次激發識別機制,在現場測試中與三菱遠距離十六進制射頻識別系統對比,發現二者總體性能之間存在表2中差異:

表2 現場測試結果體現的該系統優勢

表2中,參與比較的三菱設備與所研制的新型設備應用場景有所差異,三菱設備需要被識別節點以不超過1.4 m/s的低速通過識別區,且識別距離小于7.5 m,而該研究設計的新型設備允許識別節點以不超過8.3 m/s的高速通過識別區,識別距離可達30 m,但表中未給出三菱設備可同時識別16個十六進制數據,而所研制的新型設備可僅可同時識別1個十六進制數據。所以,三菱設備多用于民用射頻卡識別,如智能門禁、考勤識別、快遞識別等。所研制的設備主要用于多機器人協同過程中對通過識別區的行走式機器人類型進行高效率識別,另外可作為16選一的動態口令用于涉密區域身份識別。

4 總結

與常規射頻識別設備相比,所研制的射頻識別設備,提供的識別分類較少,但識別范圍更大,被識別節點的自由度更高,在多機器人協同系統中,該設備可最多區分16種工作場地內行走機器人類型,為其數據采集提供穩定的探頭設備支持。未來研究中,會進一步擴展識別類型數量,革新方向之一為增加十六進制碼位數,革新方向之二為實現串行可編程通信。