專利名稱：：射頻識別字輪直讀方法射頻識別字輪直讀方法一、
技術(shù)領(lǐng)域：
家用計量儀表以及一些工業(yè)計量儀表，如水表、電表、煤氣表等，他們大都有著共同的特征字輪。用戶通過字輪讀取計量結(jié)果。機械計量與電子計量相比，有著一些固有的優(yōu)點，抗破壞、抗干擾性強；計量結(jié)果直觀準(zhǔn)確，沒有數(shù)據(jù)丟失的問題。H前，已有一些專利圍繞如果從字輪直接讀取數(shù)據(jù)，將自動抄表系統(tǒng)建立在機械計量的基礎(chǔ)上，避免電子計量造成的數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)損壞問題。本發(fā)明提出了一種新型的基于射頻識別(RFID)技術(shù)的無源射頻識別字輪直讀方法。使用該技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)字輪的無源直讀。該方法保留了傳統(tǒng)的機械計量裝置，同時無接觸的讀取字輪數(shù)字。這樣，電子計量裝置寄生在機械計量裝置之上，電子計量部分的損壞不會影響機械計量部分，保證了計量過程的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，避免了純電子計量中電子計量部分損壞導(dǎo)致整個計量裝置失效的缺陷。該方法分閱讀器和應(yīng)答器兩部分，應(yīng)答器嵌入或粘附在字輪中，閱讀器與字輪無機械接觸，固定在字輪周邊于的空間，或者嵌入到字輪周邊的部件中。由于無機械接觸，密閉在字輪和周邊部件中，因而本方法適應(yīng)多種環(huán)境，可以在液體、氣體等各種環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作，識別率高，成本極低。本方法使用于所有使用字輪的場合，包括水表、電表、煤氣表等，基于本方法，可以實現(xiàn)新型的無線抄表系統(tǒng)。二、
背景技術(shù)：
射頻識別是無線電識別的簡稱，即通過無線電波進行識別。射頻系統(tǒng)統(tǒng)場由應(yīng)答器和閱讀器組成。數(shù)據(jù)存儲在應(yīng)答器中，應(yīng)答器的能量供應(yīng)以及應(yīng)答器與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換通過磁場或電磁場完成，實現(xiàn)了無接觸的能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)交換。本方法所稱的射頻識別字輪直讀方法，是一種無源射頻直讀方法。該方法通過射頻的方法讀取或提取信息，這種信息直觀的反應(yīng)了被測量的對象，無須進行額外的物理量之間的變換，所以稱之為直讀。這種方法本質(zhì)上屬于射頻識別系統(tǒng)，因而同樣具有應(yīng)答器和閱讀器。射頻識別系統(tǒng)中的應(yīng)答器放置在要識別的物體上，應(yīng)答器是射頻識別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)載體。通常應(yīng)答器沒有自己的供電電源，在閱讀器的響應(yīng)范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)；只有在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器所需的能量，是通過非接觸的耦合單元傳輸給應(yīng)答器的。射頻識別系統(tǒng)中的閱讀器可以是讀或者寫/讀裝置，取決所使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。閱讀器通常與閱讀器線圈相連。應(yīng)答器所需的能量來源于閱讀器線圈所形成的場能。射頻識別系統(tǒng)中應(yīng)答器的數(shù)據(jù)量通常在幾個字節(jié)到幾千個字節(jié)之間。但是有一種特別的應(yīng)答器，其數(shù)據(jù)量只有1比特，這就是1比特應(yīng)答器。1比特只有1比特的數(shù)據(jù)量，他使閱讀器能發(fā)出兩種狀態(tài)的信息，"有應(yīng)答"或"無應(yīng)答"。1比特應(yīng)答器的工作模式有射頻、微波、分頻器、電磁法等方法。本方法所涉及的射頻識別理論屬于射頻方法1比特應(yīng)答器的范疇，應(yīng)答器運用L-C振蕩回路工作，能量的耦合方式為密耦合，此時，能量通過磁場進行耦合。當(dāng)閱讀器線圈中流過電流時，產(chǎn)生磁場。初始磁場從天線上開始，在空間感應(yīng)電力線。這個范圍是天線的近場。當(dāng)距離為A/2;r時，電磁場脫離天線，并作為電磁波進入空間，這種脫離的電磁波被稱作為遠距離場。當(dāng)距離小于々2;r時，能量通過磁場進行耦合，類似變壓器的工作模式。當(dāng)閱讀器天線線圈產(chǎn)生高頻的強電磁場時，磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。通常使用的頻率范圍內(nèi)的波長比閱讀器天線和應(yīng)答器之間的距離大好多倍，因而可以把應(yīng)答器到天線的距離間的電磁場當(dāng)作簡單的交變磁場來對待。發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過距離閱讀器天線線圈一定距離的應(yīng)答器天線線圈。通過感應(yīng)，在應(yīng)答器的天線線圈上產(chǎn)生一個電壓C/,。將其整流后作為應(yīng)答器的電源。將-一個電容器c;與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，它與天線線圈的電感一起構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。電容c;的選擇使諧振電路的諧振頻率與閱讀器的發(fā)射頻率相同，此時，電路進入諧振狀態(tài)，閱讀器天線線圈產(chǎn)生非常大的電流，產(chǎn)生供應(yīng)答器工作所需要的場強。應(yīng)答器的天線線圈和電容器G構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率，見圖1。通過該回路的諧振，應(yīng)答器上的電壓C/達到達到最大值。這兩個線圈的結(jié)構(gòu)也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線線圈與應(yīng)答器的之間的功率傳輸效率與工作頻率/、應(yīng)答器線圈的匝數(shù)"、被應(yīng)答器線圈包圍的面積J、兩個線圈的相對角度以及他們之間的距離成比例。處于諧振狀態(tài)的應(yīng)答器(應(yīng)答器的諧振頻率與閱讀器的發(fā)送頻率相符合)從閱讀器的交變磁場中獲取能量。從供應(yīng)閱讀器天線的電流在閱讀器內(nèi)阻/,上的壓降可以測量這一附加功耗。當(dāng)閱讀器與應(yīng)答器的相對位置不變時，雖然通過測量內(nèi)阻i,上的壓降可以測量這一附加功耗，但是并無法感知出應(yīng)答器產(chǎn)生諧振，因為沒有參照可以用于判斷。此時如果閱讀器與應(yīng)答器產(chǎn)生相對位移，由于在不同位置，應(yīng)答器與閱讀器的能量耦合程度不同，則可以在閱讀器內(nèi)阻《上檢測出一個變化的電壓。這個電壓對應(yīng)于閱讀器天線電流的變化。反之，如果閱讀器與應(yīng)答器的相對位置不變，則需要通過掃頻的方法來得到這種線圈電流的變化，從而感知應(yīng)答器發(fā)生了諧振。設(shè)閱讀器的掃頻范圍從<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>，其中/;為掃頻器中心頻率，厶為掃頻器帶寬。設(shè)應(yīng)答器的諧振頻率為厶，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>，在掃頻器的整個掃頻帶寬內(nèi)，通過選擇發(fā)送線圈和c;，使發(fā)送線圈和Cf構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路能夠諧振，即諧振電路的中心頻率為X，A/《厶。當(dāng)掃頻器從(,-厶/2)開始掃頻，輸出頻率等于厶時，應(yīng)答器產(chǎn)生諧振，此時通過測量i,上的電壓能夠觀察到線圈電流/e的變化，如圖2所示。三、
發(fā)明內(nèi)容本方法提出了一種采用電感耦合的近距離的射頻字輪直讀方法。本方法包含閱讀器和應(yīng)答器兩部分。應(yīng)答器鑲嵌或粘附于字輪上，每個字輪鑲嵌或粘附有多個應(yīng)答器，每個應(yīng)答器的諧振頻率各不相同，當(dāng)應(yīng)答器鑲嵌或粘附于字輪后，應(yīng)答器的諧振頻率和字輪數(shù)字構(gòu)成位移的一組對應(yīng)關(guān)系。閱讀器位于字輪外部，每個字輪有一個或多個閱讀器線圈，它們處于以字輪的圓心為圓心的一個圓周上。閱讀器的核心為掃頻器，以下用掃頻器代替閱讀器。閱讀器線圈和應(yīng)答器距離很近，通常在幾個毫米左右，它們通過磁場耦合能量，構(gòu)成電感耦合的密耦合系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由控制器、掃頻器和應(yīng)答器組成。應(yīng)答器和閱讀器工作于電感耦合模式。應(yīng)答器嵌入或粘附在字輪上，是字輪的一部分。掃頻器的輸出發(fā)送至閱讀器線圈，并有電容和發(fā)送線圈并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)諧振電路?？刂破骺刂茠哳l器的掃頻頻率和掃頻速度，并檢測線圈電流，對應(yīng)答器進行識別。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。掃頻器的中心頻率為y;，掃頻帶寬為厶，掃頻范圍從(/;,厶/2)到(/:.+/(!/2)。掃頻器在控制器的控制下產(chǎn)生掃頻波，掃頻頻率和速度由控制器控制。在整個掃頻帶寬中，發(fā)送線圈和并聯(lián)電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路處于諧振狀態(tài)，此時發(fā)送線圈中產(chǎn)生非常大的電流。每個字輪都鑲嵌有多個諧振頻率各不相同的應(yīng)答器。應(yīng)答器為一個線圈以及一個與之并聯(lián)的電容構(gòu)成，為一個i:-c諧振電路。選擇合適的諧振頻率，使應(yīng)答器的設(shè)計微型化。微型化的應(yīng)答器能夠方便的嵌入或粘附在字輪上。以每個字輪鑲嵌io個諧振頻率各不相同的應(yīng)答器為例說明字輪數(shù)字與應(yīng)答器的對應(yīng)關(guān)系。各個應(yīng)答器的諧振頻率為/。到/9。不失一般性，設(shè)(X-A^)-^-/;^'^^-^,^^^),稱頻率為乂的應(yīng)答器為應(yīng)答器y;。不失一般性，設(shè)應(yīng)答器/。鑲嵌在字輪數(shù)字o的位置，應(yīng)答器y;鑲嵌在字輪數(shù)字i的位置，依次類推。字輪的結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。全部的對應(yīng)關(guān)系見下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>控制器控制掃頻器的掃頻速度和掃頻頻率。在控制掃頻速度和頻率的同時，控制器測量當(dāng)前輸出頻率和線圈電流，進行應(yīng)答器識別?？刂破鬏敵鲱l率控制信號P7控制掃頻器的頻率輸出。按照一定的規(guī)律調(diào)整^，控制器就能同時控制掃頻器的頻率和掃頻速度。當(dāng)控制器接收到識別請求后，啟動掃頻器，控制器輸出頻率控制信號r,，該信號控制掃頻器的輸出頻率?？刂破鬏敵龊线m的^，使掃頻器從(y;,厶/2)開始掃頻，同時控制器測量掃頻器的輸出頻率，校正控制信號r,，通過這樣一個閉環(huán)控制，控制器控制掃頻器輸出正確的掃頻頻率。控制器在控制掃頻的同時，通過檢測i,上的電壓來測量線圈電流。在每一個頻率乂處，如果線圈電流/e大于某一個電流閾值/,，則認為應(yīng)答器/,產(chǎn)生了諧振，系統(tǒng)檢測到了當(dāng)前字輪的數(shù)字；反之沒有諧振，系統(tǒng)繼續(xù)掃頻過程。為了識別結(jié)果準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)應(yīng)該進行幾次掃頻過程，當(dāng)系統(tǒng)檢測到應(yīng)答器乂后，繼續(xù)掃頻至(,+y;/2)。如果有多個應(yīng)答器諧振，則應(yīng)判斷線圈電流強度，線圈電流最強的應(yīng)答器為識別后的應(yīng)答器。系統(tǒng)識別完成后，將字輪數(shù)字發(fā)送給請求方，完成一次識別過程。由于每個字輪有10個數(shù)字，因此閱讀器的數(shù)目A^與應(yīng)答器的數(shù)目7V,具有如下關(guān)系xWj》10。當(dāng)使用10個頻率點時，字輪與IO個應(yīng)答器相對應(yīng)，字輪至少需要一個閱讀器線圈。每個應(yīng)答器/;與數(shù)字0-9中的一個相對應(yīng)。此時，相鄰應(yīng)答器的夾角為36。。見圖5，應(yīng)答器/與閱讀器線圈的距離《。閱讀器與相鄰應(yīng)答器的距離《一==vV+r.(1-cos36'))2+(/.sin36')2=+0.38r2+0.38rfr。當(dāng)使用5個頻率點時，字輪與5個應(yīng)答器相對應(yīng)，此時字輪至少需要2個閱讀器線圈，對應(yīng)關(guān)系及閱讀器的配置見圖6。工作時，首先測量閱讀器線圈1的電流，如果發(fā)現(xiàn)有應(yīng)答器諧振，則識別成功；反之，則測量閱讀器線圈2的電流，如果發(fā)現(xiàn)有應(yīng)答器諧振，則識別完成。此時相鄰應(yīng)答器的夾角為72'，閱讀器與相鄰應(yīng)答器的距離C=d'=+「(1-cos72'))2+(r.sin72')2=々2+1.38一+°四圖l:電感耦合射頻識別裝置原理圖2:射頻掃頻法閱讀器線圈電流的變化圖3:射頻識別字輪直讀結(jié)構(gòu)圖圖4:字輪結(jié)構(gòu)示意5:IO個頻率點時應(yīng)答器與閱讀器線圈的配置圖6:5個頻率點時應(yīng)答器與閱讀器線圈的配置五具體實施方式本方法的關(guān)鍵部分為應(yīng)答器和掃頻器的設(shè)計，其次是頻率的測量和線圈電流的測量。下面詳細說明各部分的設(shè)計。1、應(yīng)答器的設(shè)計應(yīng)答器采用PCB線圈和電容。應(yīng)答器的諧振頻率選定后，相應(yīng)確定應(yīng)答器的Q因子。根據(jù)應(yīng)答器的諧振頻率和Q因子，確定PCB線圈的電感和電容值。2=A///。這里/是應(yīng)答器的諧振頻率，A/是應(yīng)答器的帶寬。/和A/的選取要保證各個應(yīng)答器的諧振頻率不能重疊，并且需要保留一定的保護間隔。應(yīng)答器的Q因子一般盡可能的大，保證諧振頻率范圍很窄。2、掃頻器的設(shè)計掃頻器需要產(chǎn)生頻率可變的掃頻波。掃頻器的設(shè)計首先需要結(jié)合應(yīng)答器的尺寸確定其工作頻段。掃頻器的另一個需要確定的參數(shù)是掃頻帶寬。掃頻器掃頻帶寬一定要涵蓋所有應(yīng)答器的諧振頻率。掃頻器可以使用壓控振蕩器(VC0)來實現(xiàn)。控制器控制壓控振蕩器的變?nèi)荻O管的偏置電壓改變振蕩頻率?？梢酝ㄟ^一個D/A器件產(chǎn)生這個偏置電壓，此時D/A的分辨率決定了掃頻器輸出的頻率變化步長。閱讀器線圈和與之并聯(lián)的電容必須要與掃頻器的輸出諧振。由于掃頻器的輸出帶寬比較寬。所以閱讀器線圈的Q因子相對比較小。g=AF/F，這里AF為掃頻器的帶寬，F(xiàn)為掃頻器的中心頻率。由于AF相對很大，所以Q因子相對比較小。3、頻率的測量閱讀器需要測量頻率的值以進行應(yīng)答器的識別。掃頻器輸出的波形不能直接進行測量。首先，通過比較器將正弦信號變?yōu)榉讲〝?shù)字信號，然后通過一個計數(shù)器將方波信號分頻，分頻后的信號頻率相對較低。對分頻后的信號的頻率測量有多種方法，通?？梢圆捎妹}寬(周期)測量法和頻率測量法進行測量。脈寬測量法被測量信號的上升沿(或者下降沿)啟動一個高頻計數(shù)器。高頻計數(shù)器的時鐘頻率為已知頻率F。被測量信號的下降沿(或者上升沿)停止計數(shù)。跟據(jù)計數(shù)值N和時鐘頻率F就能得出被測量信號的頻率/=F/7V。脈寬測量法適用于測量一個頻率比較低的信號。頻率測量法啟動一個計數(shù)器，計數(shù)器的計數(shù)源為被測量信號。在某一個時刻啟動計數(shù)器，經(jīng)過一個已知的時間間隔T后，停止計數(shù)器，通過計數(shù)器的計數(shù)值n可以得到被測量信號的頻率/^A7^。頻率測量法適用于測量頻率比較高的信號。4、線圈電流的測量電流的測量通過測量采樣電阻R上的壓降實現(xiàn)。使用差分放大器對采樣信號進行放大，再經(jīng)過信號濾波，進入A/D器件。5、應(yīng)答器識別應(yīng)答器的識別通過對線圈電流和與之對應(yīng)的頻率值來判別。在開始識別前，需要取得沒有應(yīng)答器時各個頻率的線圈電流值。在識別過程中，每一個掃頻過程只可能有某一個應(yīng)答器諧振，在其它應(yīng)答器頻率位置，對這些線圈電流值進行修正，以防止品質(zhì)退化造成的電流變化。權(quán)利要求1.一種射頻識別字輪直讀方法，它包括應(yīng)答器和字輪、閱讀器和閱讀器線圈電路、控制器組成。其特征在于整個射頻直讀方法通過射頻識別的方式非接觸的識別字輪當(dāng)前轉(zhuǎn)動位置，進而讀取字輪數(shù)字；應(yīng)答器鑲嵌或粘附于字輪上，每個字輪鑲嵌或粘附有多個應(yīng)答器；在字輪的同一圓周上有一個或多個閱讀器線圈，他們可以屬于一個或多個閱讀器；整個直讀過程在控制器的控制下進行。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種射頻識別字輪直讀方法，其特征在于所說的應(yīng)答器采用LC諧振電路的方式實現(xiàn)。當(dāng)外界電磁場的頻率和應(yīng)答器的諧振頻率一致時，應(yīng)答器產(chǎn)生諧振。3、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種字輪的射頻直讀方法，其特征在于所說的每個字輪有多個應(yīng)答器與之對應(yīng)，每個應(yīng)答器的諧振頻率各不相同。字輪與應(yīng)答器的對應(yīng)關(guān)系決定了字輪轉(zhuǎn)動位置即字輪數(shù)字與應(yīng)答器的對應(yīng)關(guān)系。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種射頻識別字輪直讀方法，其特征在于所說的閱讀器能夠在控制器控制下依次產(chǎn)生涵蓋所有應(yīng)答器諧振頻率的射頻信號，處于掃頻工作模式。閱讀器產(chǎn)生的信號發(fā)送至閱讀器線圈。閱讀器線圈為LC諧振電路。5、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種射頻識別字輪直讀方法，其特征在于所說的每個字輪有一個或多個閱讀器線圈與之對應(yīng)，閱讀器線圈位于字輪的外部，處于以字輪圓心為圓心的同一圓周上。6、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種射頻識別字輪直讀方法，其特征在于所說的控制器能夠控制閱讀器的掃頻工作，產(chǎn)生指定的射頻信號，能夠測量閱讀器線圈電流。7、根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種射頻識別字輪直讀方法，其特征在于所說的控制器能夠根據(jù)測量出的線圈電流判斷出是否有應(yīng)答器諧振，進而根據(jù)諧振時的頻率判斷出字輪上哪一個應(yīng)答器產(chǎn)生了諧振，從而判斷出字輪的轉(zhuǎn)動位置。全文摘要本發(fā)明提出了一種新型的基于射頻識別(RFID)技術(shù)的無源射頻識別字輪直讀方法。該方法使用基于射頻法的1比特射頻識別應(yīng)答器原理，在字輪上鑲嵌或粘附有多個不同工作頻率的無源應(yīng)答器，通過閱讀器閱讀識別后，確定字輪的轉(zhuǎn)動位置，從而識別字輪數(shù)字。該方法保留了傳統(tǒng)的機械計量裝置，同時無接觸的讀取字輪數(shù)字。這樣，電子計量裝置寄生在機械計量裝置之上，電子計量部分的損壞不會影響機械計量部分，保證了計量過程的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，避免了純電子計量中電子計量部分損壞導(dǎo)致整個計量裝置失效的缺陷，可廣泛用于各種使用字輪的計量場合。文檔編號G06K7/10GK101211405SQ20061014797公開日2008年7月2日申請日期2006年12月26日優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日發(fā)明者曾洪慶申請人:曾洪慶