专利名称：Uhf主动式有源电子标签通讯系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子标签通讯方案，尤其是指一种UHF主动式有源电子标签通讯系统。
技术背景UHF标签是RFID电子标签中的一种，UHF电子标签属于无源电子标签， 在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，在读写器的读出范 围之内时，电子标签从读写器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。 无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电子标签信息向读写器的传 送。UHF电子标签具有识别距离远、识读率高、防冲突能力强、可扩展性 好等特点，目前市场上的各种类型的读写器基本的工作原理都是一样的， 不同的地方主要体现在标签返回信号的接^C方式，因为标签需要读写器提 供能量才能工作，如果标签微弱的信号在返回读写器期间微波功率发射不 能关闭，因此读写器信号接收电路必须要在很强的微波信号和微弱的标签 返回信号混合进入时，能够解调出所需的标签信号，可以说这是读写器设 计的难点、关键点所在，所以读写器设计的各种不同的方案的不同点也主 要集中在这里。电子标签分主动式工作和触发式工作二种，主动式有源电子标签基本工 作方式电子标签按照设定的间隔时间发射经过调制的微波信号，接收机接 收到该信号以后经过微波放大及解调出数裙信号，该数据信号送入控制单元 按照拟定的通讯协议译码并上传数据，完成一组数据的收发过程。接收机的 天线特性决定了标签工作时的方向性，即天—线为全向接收时，标签的位置相 对于天线是360度工作，天线为定向接收时，标签的位置相对于天线是在天 线的夹角内工作。实际上，由于定向天线的前后比不可能做得很大，再加上 接收机的高灵敏度，标签在定向天线的四周都可以工作，只是在天线的主瓣 区域内接收距离较远，其它角度接收距离较近，不同位置的工作距离差异与 天线的前后比相关。触发式有源电子标签的工作方式与主动式基本相同，不同点主要是标签 平时并不发射信号，只是在进入读写器的工作范围内(这里是指读写器发射 功率的场强)，标签被触发工作。工作以后的状态与主动的基本相同。上述有源电子标签通讯系统的组成主要'是电子标签部分由一块专用的 "微波数字集成电路"配合单片机控制单元组成，其中微波集成单元包括锁 相环、微波调制(ASK、 FSK)、微波功率放—大等功能，有的集成模块的发射功率可调。标签的主要作用是发射经过调制的微波信号。接收机部分主要也 是由"接受微波数字集成电路模块"配合控制单元组成，其中微波集成单元主要有低噪声接收放大器、锁相环、90度正交混频检波电路、I和Q两路正交解调及低频放大器、脉冲整形等电路单元。其主要作用是设定一个与电子 标签完全一样的本振频率， 一般是零中频接受并解调标签发射的微波信兮， 再经过控制单元处理后上传数据。 、除了上述的产品之外，还有双频工作模式、即标签及读写器部分收发采 用不同的频率。但不管什么模式的工作系统，其基本的解决方案都是采用发 达国家生产的微波集成收发电路，数据的调制与解调都由"微波集成电路" 完成，收发系统设计生产比较简单且但标签的钢性成本没有降价的空间。两 种标签通讯系统在实际应用中各有千秋，但在人员及车辆管理等方面，由于 人体及汽车金属膜的影响，无源卡的工作灵敏度不能满足实际要求，有源标 签由于灵敏度很高，可以满足距离要求。也正是有源系统灵敏度很高，导致 读卡的方向性比较差，即定向天线的背面也能进行通讯，这个特性给实际应 用带来许多难以克服的问题。目前市场上远距离RFID系统除UHF的—频段以外，基本都是有源标签工 作模式，从产品方案看主要是发达国家集成化的产品，不易仿制，从用户角 度讲，购买价格太高，以2.4G产品为例，读写器(指有方向性天线的读写 器)价格从3000元至5000元(人民币)不等，标签价格50元(人民币) 以上，这些对一般用户来讲都是难以承受的。综上，现有的电子标签通讯方案其定向天线的方向性的确定存在着相当 大的不足，且成本较高。基于以上分析，本发明人开发出来了 920MHZ主动 式有源电子标签通讯系统。发明内容本实发明的目的在于提供一种UHF主动'式有源电子标签通讯系统，它降 低了成，、使得接收电路接受到的模拟数据脉冲信号具有幅度可比性、接收灵敏度高。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是一种UHF主动式有源电子标签通讯系统，包括由接收机和标签两部分组 成，所述的接收机由MCU信号控制中心、信号比较单元、脉冲整形电路、(AMP) 差分放大电路、正交混频检波电路、电源、信号接收天线(認T)、滤波器 (BP)和微波低噪声放大器(LNA)组成，电源接至MCU信号控制中心，脉 冲整形电路与MCU信号控制中心相连，差分放大电路；所述的标签由MCU信 号控制中心、电池、调制单元电路、(FO)振荡电路、信号接收天线(ANT)、(ASK)信号直接检波电路、(V0)低电平电路组成，电池与MCU信号控制 中心相连。所述的(雄P)差分放大电路分为(AMP1)差分放大电路和(AMP2)差 分放大电路两路，两路为(Sl) 、 (S2)，两路(Sl) 、 (S2)均与信号比 较单元相连接，其中(S1)上连接有正交混频检波、微波低噪声放大器(LNA)、 滤波器(BP)及信号接收天线(ANT) ; (S2)连接有正交混频检波、微波 低噪声放大器(LNA)、滤波器(BP)及信号接收天线(ANT)。所述的(AMP)差分放大电路分为(AMP1)差分放大电路和(AMP2)差 分放大电路为完全对称设置。所述的正交混频检波电路为90度正交混频检波电路。所述的(F0)振荡电路输出的输出频率为920-925MHZ。所述的电池为钮扣电池。它还包括有三级差分恒流放大器。所述的三级差分恒流放大器由NPN3904组成，所述的NPN3904为双极型 晶体管。采用上述方案后，本发明带来了如下的显著效果 接收机部分a、 采用两路完全对称的微带圆极化天线以及两路完全对称的接受电路。 其目的是为了获得两个完全对称的天线方向图，使得两路接受到的模拟数据 脉冲信号具有幅度可比性。b、 采用天线后端滤波放大、有源正交、ASK信号直接检波电路模式，这个方案的好处是接收电路不需要本地振荡源，对接收的载波信号的稳定度 几乎没有要求，也不需要各种复杂的变频解调电路，大大降低了制作成本。c、 采用PNP3904组成的恒流源差分放大电路，由检波输出的I、 Q两路 信号直接输入差分放大器的两个输入端口，这样即节约了成本，又提高了接 收灵敏度。标签部分a、 直接采用普通的微波振荡器或VCO作为载波信号的来源，而不需要 成本较高的锁相环电路或对应的集成模块。b、 采用低功耗下可以自动唤醒的单片即MSP2011。c、 釆用高达300KHZ速率的信号调制发射模式。这个方案的优点是，发 射时间短， 一次仅需时0.8毫秒，这样的发-射时间，使得电路的平均功耗很 小，而且很容易实现多张标签数据的防冲突读取。d、 数据后面延时几十微秒，然后关断VCO的电源，这样做的目的是控 制电路通过判别延时部分的信号大小或相对值，就可以判定标签所在的位 置。这样的方案没有增加硬件成本，也没有增加软件的工作量。另一个方案 是检测标签数据的同步码，也可以达到同样的效果。下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明
图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明工作时接收机的结构原理图； 图3是本发明工作时标签的结构原理图； 图4是本发明工作时接收机差分恒流源放大器的电路图。 图号说明1、接收机2、标签 11、 MCU1信号控制中心 12、信号比较单元 13、脉冲整形电路 14、 AMP差分放大电路 15、 90度正交混 频检波电路 16、电源 ANT1、 ANT2、信号接收天线 BP1滤波器 LNA1微波低噪声放大器 141、 142、 AMP1差分放大电路 21、 MCU2信 号控制中心 22、钮扣电池 23、调制单元电路 F0振荡电路、ANT3、 信号接收天线 24、 ASK信号直接检波电路-25、V0低电平电路 17、三 级差分恒流放大器 --具体实施方式
如图卜3所示， 一种UHF主动式有源电子标签通讯系统，包括由接收机 1和标签2两部分组成，所述的接收机1由MCU1信号控制中心11、信号比 较单元12、脉冲整形电路13、 AMP差分放大电路14、 90度正交混频检波电 路15 、电源16、信号接收天线ANT1、 ANT2、滤波器BP1和微波低噪声放 大器LNA1组成，所述的信号接收天线ANT1、 ANT2为完全对称，所述的AMP 差分放大电路14分为AMP1差分放大电路141和AMP2差分放大电路142两 路Sl、 S2，两路AMP1差分放大电路141和AMP2差分放大电路142为完全 对称，两路S1、 S2均与信号比较单元12相连接，其中S1上连接有90度正 交混频检波152、微波低噪声放大器LNA1、滤波器BP1及信号接收天线ANT1; 而S2连接有90度正交混频检波151、微波低噪声放大器LNA2、滤波器BP2 及信号接收天线ANT2，电源16接至MCU1.信号控制中心11，脉冲整形电路 13与MCU1信号控制中心11相连。如图1所示，所述的标签2由MCU2信号控制中心21、钮扣电池22、调 制单元电路23、 FO振荡电路、信号接收天线認T3、 ASK信号直接检波电路 24、 VO低电平电路25组成，钮扣电池22与MCU2信号控制中心21相连， 其中FO振荡电路输出的输出频率为920-925MHZ内任一频率(此频率范围是 国家无委规定RFID的标准)，ASK信号直接检波电路24、 VO为低电平25 也分别接到MCU2信号控制中心21，而后ASK信号直接检波电路24再与调 制单元电路23相连，V0低电平电路25则与F0振荡电路相连接，VO低电平 电路25在与FO振荡电路相连接之后再与调制单元电路23、信号接收天线 ANT3相连接。本发明的工作原理是 -.正常状态下，标签2 (见图1) MCU2每化5 (由生产厂家任意设定)秒左 右从休眠状态自动唤醒开始工作，工作时先输出+VO， FO振荡电路开始起振， 输出频率为920-925MHZ内任一频率(此频率范围是国家无委规定RFID的标 准)，延时约几十微秒，FO振荡电路输出功率一般稳定在0.5毫瓦左右，这时MCU2信号控制中心21幵始输出内存数据脉冲至调制单元电路23，待 数据脉冲输出完毕后，MCU2信号控制中心21延时约几十微秒，延时部分将 作为模拟脉冲信号的电平大小判别，然后立即置+V0低电平并电路25进入 休眠状态，至此，标签2完成一次完整的工作周期。标签2的工作电源由一 颗500mAH的纽扣电池供电。接收机1 (见图1)平时处于接收标签2信号状态，在緒T1接收到信号 时，信号经过滤波器BP1到微波低噪声放大器LNA1进行放大，放大的信号 直接进行90度正交混频检波，然后输出两路Il、 Ql正交数据脉冲，再经过 差分放大認P1及脉冲整形电路13，最后进入MCU1信号控制中心11译码并 通过接口上传数据，完成一个完整的信号接收周期。而实际上ANT1和緒T2通道是同时接收标签2的信号，最后通过比较两 路Sl和S2的大小，确定标签2的相对位置，如果设定标签2在天线ANT1 的背面，在靠近天线的位置上的S1和S2的比值是预知的，这样就可以做到 判定数据是否上传，从而实现了天线的"方询性"。本发明接收机1的的具体电路实施方式,如图2所示，信号接收天线ANT1、 ANT2、 ANT3、为圆极化接收天线(ANT1，增益7dBi)，在接收到的920-925MHZ 范围内的标签微波信号采用微波声表带通滤波器先进行滤波，然后经两级低 噪声(MINI公司的MAR-8低噪声放大管)放大大约1000倍的微波信号，再 直接进行两路90度正交有源检波，检波管采用惠普公司歷S2812，检波输 出的I、 Q两路低频脉冲信号送入三级差分恒流放大器17(ampl\amp2\a,3) 放大，配合图4所示，三级差分恒流放大器17主要由NPN3904组成，NPN3904 属双极型晶体管，再经过史密特触发器整形后变成TTL电平送入MCU1信号 控制中心11进行信号处理，最后经不同的数据口上传标签的数据。另一路 信号通过認T2，过程同ANT1路完全相同。在低频放大部分，两路的第一和 第二级输出信号分别进入运算放大器(amp6^mp7)进行放大、比较，最后决 定当次读取的标签数据是否上传。
—.信号调制部分及标签2，具体电路实施方式，如图3所示，采用900MHZ 的微波PIN (MHS3890)管，连接在天线与VCO的微波信号输出端，通过调 节PIN管的电阻大小，实现数据的ASK调制。采用低功耗(luA)的单片机 (MSP2011)，实现极低功耗下的自动唤醒。电路及天线部分采用环氧介质电 路板进行一体化设计，加上纽扣电池，全部封装在标准尺寸的塑料外壳里， 整个电路部分采用一颗500MAH的纽扣电池供电。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对发明的限制，有关技术领域的技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。 因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
权利要求
1、一种UHF主动式有源电子标签通讯系统，包括由接收机和标签两部分组成，其特征在于所述的接收机由MCU信号控制中心、信号比较单元、脉冲整形电路、(AMP)差分放大电路、正交混频检波电路、电源、信号接收天线(ANT)、滤波器(BP)和微波低噪声放大器(LNA)组成，电源接至MCU信号控制中心，脉冲整形电路与MCU信号控制中心相连，差分放大电路；所述的标签由MCU信号控制中心、电池、调制单元电路、(FO)振荡电路、信号接收天线(ANT)、(ASK)信号直接检波电路、(V0)低电平电路组成，电池与MCU信号控制中心相连。
2、 如权利要求1所述的UHF主动式有源电子标签通讯系统，其特征在于 所述的(AMP)差分放大电路分为(AMP1)差分放大电路和(AMP2)差分放 大电路两路，两路为(Sl) 、 (S2)，两路(Sl) 、 (S2)均与信号比较单 元相连接，其中(Sl)上连接有正交混频检波、微波低噪声放大器(LNA)、 滤波器(BP)及信号接收天线(ANT) ; (S2)连接有正交混频检波、微波 低噪声放大器(LNA)、滤波器(BP)及信号接收天线(ANT)。
3、 如权利要求2所述的UHF主动式有源电子标签通讯系统，其特征在于 所述的(AMP)差分放大电路分为(AMP1)差分放大电路和(細P2)差分放 大电路为完全对称设置。
4、 如权利要求1所述的UHF主动式有源电子标签通讯系统，其特征在于 所述的正交混频检波电路为卯度正交混频检波电路。
5、 如权利要求1所述的UHF主动式有源电子标签通讯系统，其特征在于 所述的(FO)振荡电路输出的输出频率为920-925MHZ。
6、 如权利要求1所述的UHF主动式有i电子标签通讯系统，其特征在于 所述的电池为钮扣电池。
7、 如权利要求1所述的UHF主动式有源电子标签通讯系统，其特征在于 它还包括有三级差分恒流放大器。
8、 如权利要求7所述的UHF主动式有源电子标签通讯系统，其特征在于 所述的三级差分恒流放大器由NPN3904组成，所述的NPN3904为双极型晶体 管。
全文摘要
本发明公开了一种UHF主动式有源电子标签通讯系统，包括由接收机和标签两部分组成，所述的接收机由MCU信号控制中心、信号比较单元、脉冲整形电路、(AMP)差分放大电路、正交混频检波电路、电源、信号接收天线(ANT)、滤波器(BP)和微波低噪声放大器(LNA)组成，电源接至MCU信号控制中心，脉冲整形电路与MCU信号控制中心相连，差分放大电路；所述的标签由MCU信号控制中心、电池、调制单元电路、(FO)振荡电路、信号接收天线(ANT)、(ASK)信号直接检波电路、(VO)低电平电路组成，电池与MCU信号控制中心相连。所述的(AMP)差分放大电路分为(AMP1)差分放大电路和(AMP2)差分放大电路两路，两路为(S1)、(S2)，两路(S1)、(S2)均与信号比较单元相连接，其中(S1)上连接有正交混频检波、微波低噪声放大器(LNA)、滤波器(BP)及信号接收天线(ANT)；(S2)连接有正交混频检波、微波低噪声放大器(LNA)、滤波器(BP)及信号接收天线(ANT)。本发明降低了成本、使得接收电路接受到的模拟数据脉冲信号具有幅度可比性、接收灵敏度高。
文档编号G06K19/07GK101404067SQ20081014190
公开日2009年4月8日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者周必友 申请人:周必友