Proteus在硬标签质量参数测量设计中的应用*

盛庆元，蔡晓霞，朱 丹

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000)



Proteus在硬标签质量参数测量设计中的应用*

盛庆元，蔡晓霞，朱 丹

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

电子商品防盗系统(EAS)中的硬标签电路是由磁棒线圈和电容串联而成，其组成的LC电路谐振频率Fx和品质因素Q是硬标签的关键质量参数。针对此类硬标签参数检测的市场需求，在研制便携式标签质量Fx、Q值检测仪过程中，设计了一种四线圈结构传感探头感知被测参数的方法，并采用Proteus软件对此传感探头的等效电路模型进行仿真，验证此测量方法的可行性；同时以AT89C51为处理器设计了便携式检测仪的软硬件，采用Keil和Proteus联调联试，仿真达到预期效果，为下一步仪器开发提供了技术支持。

硬标签；Proteus；谐振频率；品质因素

0 引言

ISO/IEC18046-3-2007等标准给出了电子商品防盗系统(EAS)标签检测的基本规范要求[1-3]。目前国内硬标签生产厂家对标签质量检测采用的方法与ISO/IEC18046-3-2007中给出的方法一致。从现有文献来看，国内外研究的对象以软标签为主，围绕双线圈结构传感器进行。如宋小锋[4-5]、朱亚萍[6]研究了单线圈传感器模型和双线圈传感器模型结构特点；李佳骏[1,7]利用磁场仿真软件Ansoft HFSS对多种双线圈传感器模型进行仿真建模。研究表明，双线圈式传感器圈的面积、绕制匝数、标签放置位置及标签与传感器相对位置都会影响硬标签质量参数的准确性[6,8-10]。这种双线圈结构存在的缺陷在于发射与接收线圈间，标签与发射和接收线圈间都会互相干扰；同时，发射线圈对接收线圈的影响叠加于标签产生的磁场上，无法区分。这些都会导致谐振频率产生偏差，对Q值判定误差的影响将更为严重。

针对上述问题，本文提出了四线圈传感探头结构感知被测参数的方法，并采用差分电路提取测试信号，用二级积分电路进行信号处理，获取硬标签的幅频特性信号。设计过程中首先采用Proteus软件对四线圈传感探头结构等效电路模型仿真，验证测量方法的可行性，同时以AT89C51为处理器设计了便携式仪的软硬件，采用Keil和Proteus联调联试，完成了电路设计和程序设计，为下一步仪器开发提供了技术支撑。

1 EAS工作原理

1.1 标签工作原理

硬标签实物分解如图1所示。由图1可知硬标签电子元器件的核心是由插有磁棒的多圈线圈与电容串联。对电子标签的电路结构进行等效，其电路原理图如图1所示。此电路的谐振角频率为：

(1)

其中，L为标签线圈等效电感，C为标签的等效电容，w为角频率。

图1 硬标结构、原理图

1.2 EAS系统的工作原理

在监视区，发射器以一定的频率向接收器发射信号。发射器与接收器一般安装在零售店、图书馆等的出入口，形成一定的监视空间。当标签经过检测区域时，检测区域含有随频率变化的磁场，标签内部的电感会产生感应电压，形成感应电流，此感应电流也会产生磁场，反过来干扰检测区域的磁场分布，使检测线圈产生一个明显的扰动信号，这种干扰信号也会被接收器接收，再经过微处理器的分析判断，就会控制警报器发出鸣响。接收线圈接收到的感应信号含有标签的质量参数信息。显然当标签发生谐振时产生的扰动信号最强，标签的品质因数Q值越大，标签的选频特性越好，相应地接收器越容易识别标签的存在。

目前常规的测试装置与实际中所使用的EAS系统相似。朱亚萍[6]对这种双线圈检测方法研究表明：标签线圈与发射和接收线圈间的互感系数增大，谐振频率偏差加剧，甚至无法对标签进行检测。

2 传感器设计

2.1 传感器探头设计

设计的传感器结构如图2所示，由磁场发射线圈1、2，主接收线圈和辅接收线圈组成。此传感器特别适合磁棒线圈型的硬标签质量参数检测。结构特点在于：工作时发射线圈1、2组成亥姆赫兹线圈；主、辅接收线圈直径相同，旋向相反；发射线圈的直径是接收线圈的4倍左右，接收线圈的直径比磁棒线圈直径稍大，正常情况应小于1.5倍磁棒线圈直径。

图2 传感器结构示意图

2.2 传感器探头工作原理分析

当发射线圈施加交流激励时，在轴中心附近较大范围内产生均匀磁场，主、辅接收线圈形成的闭合区域内磁通量为零[11-12](主、辅接收线圈旋向相反)。将硬标签置于主接收线圈中心区域，硬标签感应也产生磁场，此磁场对于发射线圈1组成的闭合区域而言，磁通量为零；发射线圈2和辅接收线圈离硬标签较远，不受硬标签感应磁场的影响，但对于主接收线圈而言，因为直径与硬标签磁棒线圈相近，且位于硬标签的感应磁场区域内，因而主接收线圈的磁通变化可以认为完全由硬标签感应磁场决定。

2.3 传感器探头电路等效模型分析与仿真

2.3.1 传感器探头等效电路模型

进行传感器电路等效模型分析时，将线圈互感的感应电压等效为电流控制的电压源。由上述传感器探头工作原理，传感器探头对应的电路模型如图3所示。其中，Rs为发射线圈1、2的内阻，Lf1、Lf2为发射线圈1、2的等效电感，LZ为主接收线圈等效电感、Lf为辅助线圈等效电感。图3中发射和标签部分电路的向量关系如下：

(2)

(3)

由式(2)、式(3)可得接收线圈输出信号：

(4)

对式(4)两边取模，并结合标签归一化幅频特性曲线式(5)，可得式(6):

(5)

(6)

上述式(2)～式(6)中，M1、M分别为硬标签与发射线圈、主接收线圈的互感系数，Z，Z1分别为标签、发射线圈的阻抗。由式(7)可知，对传感器和某一检测硬标签来说，参数M、M1、Z1、R都是确定值，由式(6)可以推演出T(jw)，如式(7)所示：

(7)

图3 传感器等效电路工作模型

2.3.2 传感器电路模拟仿真

本传感器电路设计中，根据式(7)中T(jw)与图3接收线圈上的信号U0的转换关系，还需要处理w2，仿真时采用二级积分电路处理。传感器仿真采用的仿真电路和具体参数如图4(a)所示，使用Proteus的频率分析功能，图4(a)中的C3(1)处的输出信号以图中激励U1为参考，绘制的归一化仿真幅频特性曲线如图4(b)所示。根据图4(b)的曲线可获取标签的质量参数Fx和Q值，说明了此方法的可行性。

图4 传感器电路仿真

3 硬标签参数测量仪电路设计与仿真

3.1 仿真电路设计

硬件仿真电路设计时以检测58 kHz声磁硬标签为对象，电路原理图如图5所示。系统的主控模块采用AT89C51单片机；发射线圈的交流激励信号由信号发生器芯片ICL8038产生，ICL8038工作在调频模式，ICL8038方波信号输出口与AT89C51单片机P3.4口相接，提供交流激励信号频率信息。调频电压Uf由12位的数模转换芯片MAX5822控制，MAX5822芯片模拟电压输出经一级比例放大电路Ⅱ输出Uf；ICL8038芯片产生的正弦波信号经跟随器电路后接到传感器的发射线圈上，传感器接收线圈的输出信号经AD736处理，完成AC-DC转换，获取信号的有效值电压，此有效值电压被比例运算放大后，经MAX1240芯片，实现A/D转换后送入单片机进行数据处理，处理数据的结果标签谐振频率Fx和品质因数Q用LM016L液晶模块显示。

3.2 软件设计

软件程序采用了模块化设计方案，采用C51语言编写，C51语言的结构化和高效性能更好地实现模块化设计。主要由主程序、A/D转换子程序、方波频率测量子程序、D/A转换子程序、LED显示驱动子程序几个模块构成。其中A/D转换子程序、D/A转换子程序、LED显示驱动子程序的编程可参考使用说明书，本文不再赘述。

主程序流程如图6所示，首先完成对I/O口、定时器/计数器T0及液晶驱动的初始化设置，然后调用D/A转换子程序输出扫频控制电压Uf，接着调用A/D转换子程序记录响应信号Udc值，调用方波频率测量子程序，记录激励信号频率F；扫频控制电压Uf由小变大扫频结束后，最后程序寻找Udc的最大值及其对应的Fx值，并寻找0.707(Udc)max对应的两个频率值F1、F2，求出Q，显示Fx、Q。

图5 硬标签参数测量仪仿真电路

图6 主程序流程图

仿真调试在Proteus中进行，仿真电路如图5所示。把编译生成的目标代码.hex文件添加到AT89C51中，启动仿真按钮后，可以通过液晶屏显示测量结果。

4 结论

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。本文针对现有双线圈检测标签参数存在的不足，提出一种四线圈传感探头结构感知被测参数的方法，该方法采用亥姆赫兹线圈磁场为激励，基于互感耦合原理，采用差分方法获取硬标签幅频特性信号，并使用Proteus软件仿真验证此方法的可行性。同时以AT89C51为处理器设计了便携式仪的软硬件，采用Keil和Proteus联调联试，仿真达到预期效果，为下一步仪器开发提供了技术支持。

[1] 李佳骏.防盗电子标签检测技术研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[2] ISO/IEC 18046-3-2007.信息技术-射频识别装置性能试验方法-第3部分：标签性能的试验方法[S].2007.

[3] Vilnius.Sharing between inductive srd systems and radio communication systems operating in the frequency band 10.2～11 MHz[S].2000.

[4] 宋小锋.电子标签测试分析系统研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[5] 宋小锋，杨成忠.电子防盗标签检测电路的参数优化[J].杭州电子科技大学学报，2011，31(4)：157-160.

[6] 朱亚萍，郑卫红，徐巍华，等.电子标签质量在线检测传感器的研制[J].浙江大学学报(工学版)，2012，46(4)：719-724,738.

[7] 李佳骏，杨成忠，杨志凯，等.电子防盗标签检测系统Q值稳定性分析[J].杭州电子科技大学学报，2012，32(4)：148-150.

[8] 杨成忠，陈高强.基于互感耦合原理的传感器设计[J].机电工程，2011，28(5)：590-593.

[9] 牛元海.EAS系统设计与电子标签抗干扰检测技术研究[D].宁波:宁波大学，2015.

[10] 牛元海，刘太君，叶焱，等.一种EAS扫频信号源的设计与实现[J].无线电通信技术，2014，40(6)：93-96.

[11] 刘彩凤，王忠于，杜玉宝，等. 检测无源RFID电子标签谐振频率的耦合器之关键技术研究[J].仪器仪表学报，2008，29(4)：260-264.

[12] 肖骁. 基于亥姆霍兹线圈励磁的电容式电磁流量测量技术研究[D].成都:电子科技大学，2014.

The application of Proteus in the design of hard label quality parameter measurement

Sheng Qingyuan, Cai Xiaoxia, Zhu Dan

(Shaoxing Vocational Technical College, Shaoxing 312000, China)

The circuit of hard tags used in electronic anti-theft system of goods (EAS) is composed of magnet coil and capacitor in series. The LC resonant frequencyFxand quality factorQare the key quality parameters of the hard tag. According to the market demand of the hard tags parameters detection, in the process of developing a portable hard tags quality tester, the four coil sensing probe structure is proposed and is used as the method for sensing the measured parameters. Proteus software is used to simulate the equivalent circuit model, which verifies the feasibility of the measurement method. At the same time, the hardware and software of the portable instrument is designed by using AT89C51 as processor, and the Keil and Proteus are used in the test. The simulation result is good, which provides the technical support for the next step of hardware production.

hard tags; Proteus; resonant frequency; quality factor

绍兴职业技术学院2016-2017学年科研项目(SZK201629)；浙江省教育厅科研项目(Y201534898)

TP212.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.028

盛庆元，蔡晓霞，朱丹.Proteus在硬标签质量参数测量设计中的应用[J].微型机与应用，2017,36(11)：94-97.

2017-01-01)

盛庆元(1988-)，通信作者，男，硕士研究生，助教，主要研究方向：测控技术与仪器技术。E-mail：604606112@qq.com。