三线圈式无源电子标签质量参数检测技术研究*

盛庆元,蔡晓霞,朱 丹

(绍兴职业技术学院,浙江 绍兴 312000)

三线圈式无源电子标签质量参数检测技术研究*

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)中的无源电子标签工作原理可等效为LCR串联电路,其谐振频率FX和品质因素Q是无源电子标签关键质量参数。针对目前二线圈式检测方法检测此类标签参数存在的不足,设计一种差分式三线圈传感探头,分析了三线圈传感探头的工作原理,并采用Proteus软件对此传感探头的等效电路模型仿真,验证测量方法的可行性。同时设计了以MSP430F149处理器为核心的检测硬件电路,并基于二分法设计了快速寻找FX和Q值的跳频程序。以58 kHz声磁无源电子硬标签为测试对象,试验表明:此检测技术的FX、Q值测量的绝对误差分别小于9.1 kHz和1.0,其性能优于市售EAS频率检测仪(E-X5006AM)。

电气工程;电子标签;Proteus;谐振频率;品质因素

无源电子标签的谐振频率FX和品质因素Q是其关键质量参数[1]。ISO/IEC 18046-3-2007等[3-4]标准给出了EAS系统的电子标签以及防盗检测系统的基本规范要求。依据上述规范,目前无源电子标签的传感探头一般分为单线圈、双线圈两种结构模型。赵万年[5]、宋小锋[6]研究表明单线圈探头检测方法可以检测电子标签的谐振频率,但无法对其Q值和其他参数进行分析和计算。李佳骏[1,7]利用磁场仿真软件Ansoft HFSS,对多种检测传感器模型进行仿真建模,研究了传感器形状对测试性能的影响;牛元海[8-9]分析了标签信号特征,提出了一种标签信号的综合判决流程,并设计出一种EAS扫频信号源。杨成忠、朱亚萍等人[10-12]利用互感耦合原理建立了双线圈探头检测模型,通过此模型可以检测电子标签的FX、Q值和有效容积等参数,而此方法也存在一些不足:(1)发射线圈和无源电子标签耦合系数值增大,测试的中心频率发生很大的偏移;(2)发射线圈和接收线圈耦合系数值逐渐增大,系统偏差减小,但整体波形的带宽发生了变化,即影响到无源电子标签Q值。

为克服上述问题,专利CN 102735943A[13]提供一种消除上述发射与接收线圈间,无源电子标签与发射和接收线圈间互相干扰问题。但是此专利传感器结构复杂,其实质需要6个线圈;本团队专利CN106443826A[14]对上述专利进行改进,提出了一种四线圈探头结构,并给出了传感器检测模型,此专利的不足在于使用的线圈数还是较多,用二阶积分电路进行前期信号处理。另外,现有无源电子标签质量参数检测都是通过扫频方法,获取无源电子标签幅频特性曲线,进而得到谐振频率FX和品质因素Q值,这种方法扫描时间长;在无源电子标签生产过程中,此方法提供的反馈信号无法满足快速定位磁棒插入深度要求,影响生产效率。

针对上述问题,本文提出了三线圈传感探头结构,对此传感探头的等效电路模型用Proteus软件仿真,验证测量方法的可行性;同时以MSP430处理器为核心,设计检测技术的硬件电路和程序。解决了传统双线圈结构传感器存在各部分间干扰导致测试FX值误差大和无法测试Q值的等问题。

1 无源电子标签工作原理

电子商品防盗系统简称EAS,又称电子商品防窃(盗)系统,是目前大型零售行业广泛采用的商品安全措施之一。EAS主要由检测器、解码器和无源电子标签三部分组成;无源电子标签又可分为软标签和硬标签。

图1 常规无源电子标签测试方法示意图

如图1所示,常规无源电子标签FX和Q值检测装置与实际中所使用的EAS系统相似。在监视区,发射线圈以一定的频率向接收器发射信号。发射线圈与接受器一般安装在零售店等的出入口,形成一定的监视空间。当无源电子标签经过检测区域时,检测区域含有随频率变化的磁场,无源电子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,就会控制警报器的鸣响。接收线圈接收到的感应信号含有无源电子标签的质量参数信息。显然当无源电子标签发生谐振时产生的扰动信号最强,无源电子标签的品质因数Q值越大,无源电子标签的选频特性越好,相应接收器越容易识别无源电子标签的存在。朱亚萍[11]对图1中的双线圈检测方法研究表明:无源电子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,甚至无法对无源电子标签进行检测。

2 传感探头设计

2.1 传感探头结构

设计的三线圈式传感探头结构如图2所示。传感探头包括发射线圈、左接收线圈、右接收线圈。结构特点在于:①发射线圈位于左、右接收线圈正中间;②左、右接收线圈结构完全相同;③左、右接收线圈通过导线串联,当左、右接收线圈有电流时,电流在左、右接收线圈内的流转旋向相反;④发射线圈的直径是接收线圈直径的1.5～2.5倍,接收线圈的直径是无源电子标签直径的1.2～1.5倍,发射线圈与左、右接收线圈之间的间距为接收线圈直径的1.3～1.8倍。

图2 传感器结构示意图

2.2 传感探头工作原理分析

无源电子标签未进入探头检测区域时,发射线圈施加交流信号激励,在发射线圈附近较大范围内产生磁场,由于左、右接收线圈旋向相反,所以左、右接收线圈形成的闭合区域内磁通量为零,感应电动势之和为零。当被测硬标签置于右接收线圈(以被测硬标签置于右接收线圈为例说明)附近的中心区域,无源电子标签受发射线圈磁场的影响,产生感应电动势,在无源电子硬标签内形成感应电流,此感应电流也会产生磁场。左、右接收线圈感应无源电子标签产生的磁场,形成感应电动势;其中,右接收线圈位于无源电子硬标签附近,受无源电子硬标签产生的磁场的影响明显,而左接收线圈远离无源电子硬标签,受无源电子硬标签感应磁场的影响很弱。所以,发射线圈施加不同频率的交流信号激励时,左接收线圈、右接收线圈的感应电动势之和包含了无源电子硬标签的谐振频率FX和Q值信息。

2.3 传感探头电路等效模型分析与仿真

2.3.1 传感探头等效电路模型

分析传感探头工作状态的等效电路模型时,采用互感耦合原理,将线圈感应电压等效为电流控制的电压源。由上述传感探头工作原理,探头工作时对应的电路模型如图3所示。

图3 传感探头工作等效电路模型

图3中,无源电子标签被等效为线圈、电容的LCR串联电路,其中,R为线圈内阻,L为电子硬标签线圈电感值,C为电子硬标签的电容值,此RLC串联电路的谐振频率FX:

(1)

图3中M、M1分别为无源电子标签与发射线圈、右接收射线圈的互感系数,L1、L2、L3分别是发射线圈、左接收线圈、右接收线圈的等效电感,图3中发射线圈和无源电子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)

(5)

(6)

式(2)～式(6)中:Z、Z1分别为无源电子标签,发射线圈同信号源内阻的阻抗。对传感探头和某一被检测无源电子标签来说,参数M、M1、R是确定值,施加给定的激励源时|Z1|也是确定值。因此,由U0可反推无源电子标签T(jw)参数信息。

2.3.2 探头工作电路仿真

探头工作电路时采用的仿真电路如图4(a)所示,对式(6)中的w2在图4(a)中采用了二级积分电路处理,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4(a)中激励U1为参考,仿真得到C3(1)处的归一化幅频特性曲线如图4(b)所示。依图4(b)仿真结果曲线与标签LCR幅频特性曲线一致,可由图4(b)的曲线获取无源电子标签的质量参数FX和Q值,说明此方法的可行性。

图4 传感器电路仿真

图5 硬件设计总体方案框图

3 检测电路与软件设计

3.1 硬件设计方案

硬件设计总体方案框图如图5所示,包括:敏感探头、信号处理模块、控制单元、人机交互接口和电源模块。其中信号处理模块包括激励信号源单元、差分单元、真有效值检测单元、A/D转换单元。激励信号源为发射线圈提供激励源,差分单元的两个输入端分别与所述左接收线圈、右接收线圈相连,真有效值检测单元获取交流信号U0的真有效值。

3.2 电路详细设计

图6 主要模块单元的电路原理图

3.2.1 激励信号源设计

激励信号源单元采用DDS电路。如图6所示本文中设计的激励信号源采用了AD9833芯片,它是可编程波形发生器,能够产生正弦波、三角波、方波输出。AD9833频率寄存器是28 bit的,主频时钟为25 MHz时,精度为0.1 Hz。AD9833有3根串行接口线,易于与DSP和各种主流微控制器兼容。图6中的信号SMA、GND端分别与发射线圈两端相连。

3.2.2 差分单元设计

差分单元可以用差分运放实现。图6中差分单元可采用了AD8129差分放大器,AD8129为差分至单端放大器,它可以有效地用作高速仪表放大器,或用于将差分信号转换为单端信号。图6中的信号SMB、SMC端分别与左接收线圈、左接收线圈未相连端连接。

3.2.3 真有效值检测单元设计

真有效值检测单元的功能是将交流信号转化为有效值直流电压作为输出。图6中采用了真有效值检测AD637芯片,AD637可计算任何复杂交流(或交流加直流)输入波形的真均方根值、均方值或绝对值,并提供等效直流输出电压。

3.2.4 A/D转换单元

公示语汉英语料库的充实有助于公示语翻译的统一性与规范性。当翻译公示语时，译者可以首先从语料库中查找相对应的译文，这样既可以规范了公示语的翻译，准确率又得到提高。语料库可以不断地充实、更新，以便跟上时代的发展以及大众的心理要求。

A/D转换单元采用ADS1115芯片,它是具有16 bit分辨率的高精度模数转换器(ADC),数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输,能够以高达每秒860个采样数据(SPS)的速率执行转换操作,具有一个板上可编程增益放大器(PGA)。其他部分电路属电路设计的常规电路,本文中不再做详细阐述。

3.3 软件设计

软件程序采用了模块化设计,在IAR集成开发环境中,采用C语言编写。主要由主程序、AD9833驱动子程序、ADS1115驱动子程序、液晶触摸屏驱动子程序等几个模块构成,各个驱动子程序的编程可参考使用说明书。

3.3.1 主程序设计

主程序流程如图7所示,首先完成对I/O口、定时器/计数器T0及液晶触摸屏驱动等的初始化设置,然后调用AD9833驱动子程序产生激励信号,接着调用A/D转换子程序记录响应信号Udc,寻找(Udc)max对应谐振频率FX;之后寻找0.707(Udc)max对应的上、下频率FU、FD,按式(7)求出Q;最后调用显示驱动子程序,显示结果。

Q=FX/(FU-FD)

(7)

图7 主程序流程图

3.3.2FX值测试方法

无源电子标签的谐振频率FX的检测方法,包括如下步骤:

S1:确定电子无源电子标签谐振频率FX的测试范围[fa,fb];

S2:确定激励信号源的最小分辨率ε,赋值f0=fa,f2=fb;

S3:计算Δf=(f2-f0)/4;

S4:控制单元发送命令,使激励信号源单元依次产生幅值相等,频率为f0、f0+Δf、f0+2Δf、f0+3Δf、f2的正弦波激励信号;

S5:控制单元依次获取经过信号处理模块处理的左接收线圈、右接收线圈感应差分信号对应的数字量响应信号U0(f0)、U0(f0+Δf)、U0(f0+2Δf)、U0(f0+3Δf)、U0(f2),对U0(f0)、U0(f0+Δf)、U0(f0+2Δf)、U0(f0+3Δf)、U0(f2)分别按1、(f0/(f0+Δf))2、(f0/(f0+2Δf))2、(f0/(f0+3Δf))2、(f0/f2)2倍进行修正,修正后这5个值中最大值对应的频率记为fmax。

S6:若Δf≤ε,fmax即为作为电子无源电子标签的谐振频率F值,程序结束,否则进入步骤S7;

S7:设定f0=fmax-Δf,f2=fmax+Δf,并返回步骤S3。

其中,频率范围[fa,fb],可由电子无源电子标签的工作范围确定,如58 kHz的声磁无源电子标签合格的工作范围一般为57.8 kHz～58.2 kHz;ε可由信号激励单元确定,如上述AD9833芯片,主频时钟为25 MHz时,精度为0.1 Hz,既最小频率分辨率ε为0.1 Hz。

3.3.3Q值测试方法

无源电子标签的品质因素Q值的检测方法,是基于二分法寻找真有效值检测单元输出最大值Umax、0.707Umax时对应频率FU、FD的跳频方法。

寻找FD值的方法具体包括如下步骤:

S11:确定FD寻找范围[fa,FX];

S12:赋值f0=FX,f1=fa;

S13:计算Δf=(f0-f1)/2;

S14:控制单元发送命令,使激励信号源单元产生频率为f1+Δf正弦波激励信号;

S15:控制单元获取经过信号处理模块处理的左接收线圈、右接收线圈感应差分信号对应的数字量响应信号U0(f1+Δf),对U0(f1+Δf)按(FX/(f1+Δf))2倍进行修正后记为Ux,修正后的值与0.707U0(FX)比较;

S16:若Ux>0.707U0(FX),进入步骤S17,否则进入步骤S18;

S17:赋值f0=f0-Δf,进入步骤S19;

S18:赋值f1=f1+Δf;

S19:若Δf≤ε,f1即作为FD值,程序结束,否则返回步骤S13。

寻找FU值的方法具体包括如下步骤:

S21:确定FU寻找范围[FX,fb];

S22:赋值f0=F,f2=fb;

S23:计算Δf=(f2-f0)/2;

S24:控制单元发送命令,使激励信号源单元产生频率为f2-Δf正弦波激励信号;

S25:控制单元获取经过信号处理模块处理的左接收线圈、右接收线圈感应差分信号对应的数字量响应信号U0(f2-Δf),对U0(f2-Δf)别按(FX/(f2-Δf))2倍进行修正后记为Ux,修正后的值与0.707U0(FX)比较;

S26:若Ux>0.707U0(FX),进入步骤S27,否则进入步骤S28;

S27:赋值f0=f0+Δf,进入步骤S29;

S28:赋值f2=f2-Δf;

S29:若Δf≤ε,f2即作为FU值,程序结束,否则返回步骤S23。

4 试验与结果分析

4.1 试验方法

为了测试设计的检测技术性能,以市售58 kHz声磁无源电子硬标签为测试对象,将硬标签中的磁棒插入不同的深度,形成硬标签等效不同LCR串联电路,电容C和电阻R值不变,L变化。进而形成谐振频率FX和Q值不同LCR回路。试验用测试设备为LCR测试仪(固纬LCR-8105G)、EAS频率检测仪(E-X5006AM),分3种方法测试。

方法一:用LCR测试仪直接与硬标签电容、电感断开引脚连接测量FX和Q值,作为标准参考值,记为Fc、Qc。

方法二:用EAS频率检测仪检测得到FX值,作为对比值Fb(EAS频率检测仪无Q值检测功能)。

方法三:用本文的传感探头(由PCB技术制作螺旋线圈得到)和检测技术测试得到的FX和Q值记为Fm、Qm,此方法的测试装置如图8所示。在未放置无源电子硬标签前,对左右接收线圈的相对位置进行微调,使U0输出为0 V,消除系统误差后进行试验。

图8 方法三试验测试装置图

4.2 试验数据分析

本次试验的测试谐振频率FX、品质因素Q原始数据如表1所示。

表1 测试数据分析表

通过数据分析可知:方法三测试的谐振频率FX绝对误差要比市售E-X5006AM型小的多,其测试最大绝对误差为9.1 Hz,比E-X5006AM测试的最大绝对误差0.082 kHz小9.01倍。方法三测试计算得到的品质因素Q值的绝对误差值也较小,其最大绝对误差为1.0。

5 结论

硬标签生产插入磁棒过程需实时测量FX和Q值,以确定磁棒插入深度;另一方面,标签FX和Q值是EAS系统灵敏性的关键指标。本文针对二线圈式检测无源电子标签参数存在的不足,提出了一种三线圈传感探头结构,采用Proteus软件对此传感探头等效工作电路就行仿真,验证测量方法的可行性。同时完成了以MSP430F149处理器为核心的检测的软硬件设计;在软件设计中采用了基于二分法快速寻找FX、FU、FD跳频程序,缩短了检测时间。实验以58 kHz声磁无源电子标签进行测试,试验表明此检测技术的FX、Q值测量的绝对误差分别小于9.1 Hz和1.0,其谐性能优于市售EAS频率检测仪(E-X5006AM)。下一步可对本设计方法的灵敏度、重复性以及标签不同摆放位置对测量精度的影响等进行研究。

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盛庆元(1988-),男,2013年毕业于江苏大学农业生物环境与能源工程专业,获硕士学位,现为绍兴职业技术学院机电一体化技术专业专任教师;主要从事电磁传感器设计、专机设备研发和农业生物环境参数检测技术研究,shengqingyuan@sxvtc.com;

蔡晓霞(1978-),女,2001年毕业于浙江工业大学机械工程领域工程专业,获硕士学位,现为绍兴职业技术学院副教授,主要从事研究方向为设备远程智能维护与智能控制的研究,caixiaoxia@sxvtc.com。

ResearchonQualityParametersDetectionofPassiveElectronicLabelUsingThree-Coil*

SHENGQingyuan*,CAIXiaoxia,ZHUDan

(Shaoxing Vocational and Technical College,Shaoxing Zhejiang 312000,China)

The principle of passive electronic tags in electronic goods anti-theft systems(EAS)can be equivalent toLCRseries circuits whose resonant frequencyFXand quality factorQare the key quality parameters of passive electronic tags. Aiming at the shortcomings of the current two-coil detection method to detect such tag parameters,a three-coil sensor probe structure is designed. The working principle of the three-coil sensing probe is analyzed,and the equivalent circuit of the sensor is adopted by Proteus software Model simulation,verify the feasibility of the measurement method. At the same time,the detection hardware circuit with MSP430F149 processor is designed,and the hopping-frequency program ofFXandQis designed based on dichotomy. The experimental results show that the absolute error ofFXandQvalue measurement is less than 9.1 kHz and 1.0,respectively. The performance is better than that of commercial EAS frequency detector(E-X5006AM).

electrical engineering;electronic tags;proteus;resonant frequency;quality factor

TH7;TP212

A

1004-1699(2017)11-1653-07

项目来源:浙江省教育厅科研项目(Y201738724);绍兴职业技术学院2017年一般科研项目(201712)

2017-05-08修改日期2017-06-28

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.007