一种基于射频识别技术的无线装定系统

摘要

本发明一种基于射频识别技术的无线装定系统，包括上位机、装定器和接收器；装定器包括装定器控制系统、装定射频接口电路和发射天线；接收器包括接收器控制系统、接收射频接口电路和接收天线；发射天线和接收天线通过电感耦合进行信号传输；装定器控制系统接收上位机的装定信息并传输给装定射频接口电路，装定射频接口电路对装定信息进行处理后通过发射天线传输给接收天线，接收天线将装定信息传输给接收射频接口电路，接收射频接口电路对装定信息进行数字解调、译码；接收射频接口电路采用集成射频电路和基带电路的射频标签芯片，装定射频接口电路与接收射频接口电路之间的通讯采用15693无线通讯协议。本发明可实现能量和信息的同步传输。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及无线装定领域，特别涉及一种基于射频识别技术的无线装定系统。

背景技术

现有的无线装定系统主要分为三类：射频装定、感应装定和光学装定。射频装定在雷达、通信设备辐射出高能电场的情况下，系统工作会受到严重影响，且只能进行信息传输；电磁感应装定利用电磁感应原理，通过电磁场传递信号，初级线圈和次级线圈相距很近，需设计复杂的磁芯结构；光学装定技术难度大。以上三种无线装定方式对应的接收器和接收天线体积较大，均不能实现装定系统的小型化设计，无法适用于对装定信息载体体积小、对装定系统有小型化要求的场合。

基于射频识别技术进行无线装定系统设计目前并不多见，所能查询的该方面技术的系统实现主要基于分立器件进行设计，且不能实现能量和信息的一体化传输。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于射频识别技术的无线装定系统，无需设计复杂的磁芯结构，可实现能量和信息的同步传输。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于射频识别技术的无线装定系统，包括上位机、装定器和接收器；

装定器包括装定器控制系统、装定射频接口电路和发射天线；接收器包括接收器控制系统、接收射频接口电路和接收天线；发射天线和接收天线分别作为初级线圈和次级线圈，发射天线和接收天线通过电感耦合进行信号传输；

装定器控制系统接收上位机发送的装定信息，并将装定信息传输给装定射频接口电路，装定射频接口电路对装定信息进行信源编码、信道编码以及数字调制处理，经过装定射频接口电路处理后的装定信息通过发射天线传输给接收天线，接收天线将接收的装定信息传输给接收射频接口电路，接收射频接口电路对装定信息进行数字解调、信道译码、信源译码和存储，接收器控制系统对接收射频接口电路进行访问读取装定信息；

接收射频接口电路采用集成射频电路和基带电路的射频标签芯片，装定射频接口电路与接收射频接口电路之间的通讯采用15693无线通讯协议。

优选的，上位机与装定器控制系统之间通过RS422串口通信；接收器控制系统与接收射频接口电路的通讯采用IIC通信协议。

优选的，装定器控制系统所用的装定控制器芯片为ST公司STM32L476RE。

优选的，装定射频接口电路采用意法的无线专用射频芯片ST25R3911B。

优选的，接收器控制系统所用接收控制器芯片为TI公司TMS320f28377D。

优选的，射频标签芯片选用意法的射频标签芯片ST25DV64K。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的基于射频识别技术的无线装定系统，具有体积小、无源、非接触、能量与数据一体化传输等特点。传统的电磁感应装定系统体积大、结构复杂，需要设计复杂的磁芯结构进行电磁耦合从而实现信息的传输，本发明所述的无线装定系统，基于射频识别技术，采用集成射频电路和基带电路的射频标签芯片，实现了装定系统中接收器的小型化设计；无需设计复杂的磁芯结构，只需外接一个线圈天线，即可实现无线、非接触信息传输；接收器和装定器之间采用ISO 15693协议，该协议采用13.56MHz频段，频率高、传输速度快，可实现能量与数据的同步传输，即可实现无源信息装定。

附图说明

图1是无线装定系统框架图；

图2是无线装定系统通信模型示意图；

图3是无线装定系统硬件组成示意图；

图4是无线装定系统STM32L476RE电路原理图；

图5是无线装定系统ST25R3911B电路原理图；

图6是无线装定系统装定器天线电路原理图；

图7是无线装定系统接收器天线电路原理图；

图8是ST25DV64K电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

射频识别技术是一种自动识别技术，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对射频标签进行读写，从而达到识别目标和能量、数据交换的目的。其工作原理为读卡器通过发射天线发送一定频率的射频信号，向周围发射固定频率电磁波能量信号。当射频标签进入发射天线的工作区域时，射频标签上携带的天线根据电磁耦合原理感应到读卡器发送的射频信号，并将其传输到模拟前端电路中，使芯片产生感应电流，射频标签获得能量被激活，开始处于工作状态。此时射频标签可以接收读卡器发出的信息。射频标签将读卡器发射来的信号解码后，转化为射频标签能够读懂的命令，执行完这些命令行，射频标签通过内部电路将信号调制为读卡器能接收到的信号反射回读卡器。同时射频标签将存储在标签芯片中自身编码等信息通过卡内发送天线发送出去。读卡器接收反射回的幅度调制信号，从中提取来自于射频标签中保存的标识性数据信息，或对射频标签中的信息进行修改。

图1所示，本发明所述的基于射频识别技术的无线装定系统，由上位机、装定器和接收器组成。其中，装定器由装定器控制系统、装定射频接口电路、发射天线及相关外围组成，接收地面上位机的信息、完成信息处理并发射装定信息和能量。接收器由接收器控制系统、接收射频接口电路、接收天线及相关外围组成，接收来自装定器的数据信息并存储。

本发明基于射频识别技术的无线装定系统的通讯接口为：上位机与装定器之间通过RS422串口通信；装定器与接收器之间的通讯采用15693无线通讯协议；接收器控制系统与接收射频接口电路的通讯采用IIC通信协议。

本发明无线装定系统的通信模型如图2所示。装定器实现所需装定信息的信源编码、信道编码以及数字调制，经装定器的发射天线和接收器的接收天线所形成的耦合回路将装定信息传递到接收器，接收器实现装定信息的数字解调、信道译码、信源译码。

本发明无线装定系统硬件组成如图3所示，地面包括上位机及手持式的装定器，其中装定器主要由装定器控制系统和无线专用射频芯片(RFID芯片)ST25R3911B组成；接收器包括射频标签芯片ST25DV64K和接收器控制系统组成。

装定器控制系统所用的装定控制器芯片为ST公司STM32L476RE，该单片机具有体积小、功耗低、控制方便、成本低等特点。其通过RS422接口完成上位机读写命令解析；通过SPI接口完成无线读写控制单元的数据传输。原理图如图4所示。

装定射频接口电路选择意法的无线专用射频芯片ST25R3911B，该电路连接装定控制器芯片与发射天线，完成无线信号的调制、解调、编码功能，采用ISO 15693无线通讯协议。支持6Mbit/s SPI，具有96字节的FIFO。包括模拟前端和一个数据帧系统，与标签芯片ST25DV64K可实现无线通信；作为从设备，与装定控制器芯片STM32L476RE通过SPI接口通讯，原理图如图5所示。

无线装定系统采用电感耦合原理，耦合天线的设计主要是线圈天线以及匹配电路的设计。耦合天线包括发射天线和接收天线，两者分别作为初级线圈和次级线圈，进行电感耦合从而实现数据和能量的一体化传输。发射天线采用板载形式进行线圈设计；接收天线采用在片状聚酰亚胺上进行线圈设计，以方便安装。电路原理图分别见图6、图7。

接收器控制系统所用接收控制器芯片为TI公司TMS320f28377D，该芯片通过IIC接口对接收射频接口电路中EEPROM进行访问。

接收射频接口电路采用集成射频电路和基带电路的射频标签芯片，具体选用意法的射频标签芯片ST25DV64K，实现射频信号的调制解调和存储功能。该射频标签芯片内部集成64Kbit EEPROM存储器；与无线专用射频芯片ST25R3911B基于ISO 15693协议通信；接收控制器芯片TMS320f28377D通过IIC接口对接收射频接口电路进行访问。引脚ACO和AC1连接接收天线两端，构成射频接口；引脚SCL和SDA连接接收控制器芯片TMS320f28377D，构成I2C接口；Vcc为串行通信供电；EEPROM存储器通过射频接口读写数据时无需外置电源。原理图如图8所示。

本发明系统的原理为：装定器接收来自上位机的装定信息，装定射频接口电路利用RFID芯片输出装定信号，控制发射天线的驱动电路，从而改变发射天线端电压参数的变化，如频率、幅值或者相位变化；根据电磁感应原理，接收天线能够感知这种变化，并且体现在其端电压中，接收射频接口电路对接收天线的端电压进行处理，将端电压的参数变化转换为数字信号，即可得到装定信号。装定器负责接收上位机的信息、信息处理和发射装定信息和能量；接收器负责接收装定信息及存储等。装定器和接收器进行无线装定时，接收器可处于无源状态；当接收器上电时，接收器控制系统从EEPROM存储器中读取数据。

系统的具体工作过程如下：装定器接收来自上位机的装定信息，利用感应原理，通过装定器中发射天线和接收器中接收天线的电磁耦合，实现装定信息和能量由装定器到接收器的无线传输。装定信息存储于接收器中，实现信息的无源装定；接收器在有源时，接收方计算机通过有线的方式获得装定信息。

本发明基于射频识别技术的无线装定系统，通过结合射频识别技术和电磁耦合技术，实现数据与能量的无线、一体化传输。所述无线装定系统由上位机、装定器和接收器组成。装定器由控制系统、阅读器ST25R3911B、发射天线及相关外围组成，接收地面上位机的信息、完成信息处理并发射装定信息和能量；接收器由控制系统、专用射频标签芯片ST25DV64K、接收天线及相关外围组成，接收来自装定器的数据信息并存储。系统的具体工作过程为：装定器接收来自上位机的装定信息，通过天线耦合方式将信息和能量发送给接收器，装定信息存储于接收器中，实现信息的无源装定；接收器在有源时，接收方计算机通过有线的方式获得装定信息。

本发明公开的基于射频识别技术的无线装定系统具有体积小、装定速度快、传输可靠、成本低的特点，可用于对数据有无线装定需求的产品线以及试验场所。