本實(shí)用新型涉及一種采用同步天線遠(yuǎn)距離讀取ID卡的裝置。

背景技術(shù)：

目前在LF頻段，成熟的遠(yuǎn)距離(100cm以上)讀卡技術(shù)，均為獨(dú)立的個(gè)體讀卡器(以下簡(jiǎn)稱“讀頭”)。讀頭在理想環(huán)境下，可讀取LF頻段的無源卡，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度及尺寸的卡片，有效讀卡距離可達(dá)到80～150cm的距離。

但是現(xiàn)有的讀頭無法多讀頭協(xié)同工作?，F(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)讀頭在工作時(shí)，不能彼此靠近，否則會(huì)產(chǎn)生相互之間的干擾，導(dǎo)致讀卡距離下降，嚴(yán)重時(shí)將無法正常讀卡，因此，在通道設(shè)備應(yīng)用中受到限制，無法滿足多個(gè)天線在通道內(nèi)穩(wěn)定讀卡的需求。而且現(xiàn)有讀頭沒有有效場(chǎng)強(qiáng)的方向控制。

現(xiàn)有讀頭在前后兩個(gè)方向上均可進(jìn)行ID卡片的讀取，此特性在通道應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)用會(huì)造成“串卡”現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為相鄰?fù)ǖ赖目ㄆ部梢员槐就ǖ雷x取，形成串卡現(xiàn)象，當(dāng)相鄰?fù)ǖ烙锌ㄆ瑫r(shí)，無法有效識(shí)別本通道內(nèi)的有效卡片。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)公司在無障礙通道中的具體應(yīng)用場(chǎng)景，本實(shí)用新型采用同步技術(shù)，解決多讀頭彼此協(xié)同工作之間的互擾問題。使多個(gè)讀頭在同一個(gè)通道內(nèi)，可彼此穩(wěn)定的一同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下：

采用同步天線遠(yuǎn)距離讀取ID卡的裝置，包括外部主機(jī)、單向讀卡器、主控板，單向讀卡器與外部主機(jī)信號(hào)連接，單向讀卡器讀取ID卡的信息，外部主機(jī)判斷讀卡器接收的ID卡信息的合法性，單向讀卡器包括外殼，其中外殼內(nèi)安裝天線、天線驅(qū)動(dòng)板，天線驅(qū)動(dòng)板、主控板和天線之間互相電連接，天線驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)天線工作，其特征在于：天線的功率控制在2-3瓦之間。

優(yōu)選的，所述外殼為具有開口的箱體結(jié)構(gòu)，外殼包括背板、側(cè)板，側(cè)板圍繞背板的邊緣形成容納腔，其中，容納腔內(nèi)懸置天線，天線與背板之間間隔8-12厘米的距離；

所述背板與側(cè)板為金屬材質(zhì)，金屬材質(zhì)的背板防止天線的信號(hào)穿過背板，將背板后方的電磁場(chǎng)信號(hào)屏蔽，天線形成一個(gè)諧振回路，其中金屬外殼作為天線諧振回路的一部分，通過調(diào)整金屬外殼與天線之間的距離改變天線的Q值和電感量，使天線的Q值和電感量分別控制在15～20和160～165uH之間，從而調(diào)整諧振回路的諧振點(diǎn)，使諧振回路工作在最佳狀態(tài)。

本裝置還可以采用下述方案：

采用同步天線遠(yuǎn)距離讀取ID卡的裝置，包括外部主機(jī)、單向讀卡器、主控板，單向讀卡器與外部主機(jī)信號(hào)連接，單向讀卡器讀取ID卡的信息，外部主機(jī)判斷讀卡器接收的ID卡信息的合法性，單向讀卡器包括外殼，其中外殼內(nèi)安裝天線、天線驅(qū)動(dòng)板，天線驅(qū)動(dòng)板、主控板和天線之間互相電連接，天線驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)天線工作，其特征在于：所述外殼為具有開口的箱體結(jié)構(gòu)，外殼包括背板、側(cè)板，側(cè)板圍繞背板的邊緣形成容納腔，其中，天線懸置在容納腔內(nèi)，天線與背板之間具有間隙；

所述背板與側(cè)板為金屬材質(zhì)，金屬材質(zhì)的背板防止天線的信號(hào)穿過背板，將背板后方的電磁場(chǎng)信號(hào)屏蔽，其中金屬外殼與天線形成諧振回路，通過調(diào)整金屬外殼與天線之間的距離改變天線的Q值和電感量，使天線的Q值控制在15～20之間，電感量控制在160～165uH，從而調(diào)整整個(gè)諧振回路的諧振點(diǎn)，使諧振回路工作在最佳狀態(tài)。

優(yōu)選的，天線的功率控制在2-3瓦之間；或者天線與背板之間間隔的距離為8-12厘米。

優(yōu)選的，外殼內(nèi)設(shè)置調(diào)整裝置，天線安裝在調(diào)整裝置上，調(diào)整裝置調(diào)整天線與背板之間的距離。

優(yōu)選的，所述天線采用直徑為1mm²的單股BV線繞制11圈形成環(huán)形的封閉結(jié)構(gòu)，其中環(huán)形的封閉結(jié)構(gòu)包括兩段平行設(shè)置的、長(zhǎng)度為150-250mm的直線線段，兩段直線線段之間通過半徑為150-250的弧形結(jié)構(gòu)連接，其中兩段弧形結(jié)構(gòu)之間的長(zhǎng)度在500-700mm之間。

優(yōu)選的，開口上安裝透明的蓋板，所述蓋板將外殼的內(nèi)部形成封閉的空間，所述蓋板材質(zhì)為玻璃、亞克力、PC材料。

優(yōu)選的，所述單向讀卡器間隔對(duì)稱的設(shè)置，形成雙向讀卡器，其中雙向讀卡器中的天線為同源控制天線，兩根天線之間的電磁場(chǎng)相位差控制在70-90之間。

優(yōu)選的，其中所述天線通過信號(hào)連接有可編程邏輯器件，可編程邏輯器件通過SPI接口與外部主機(jī)進(jìn)行通訊連接；

其中外部主機(jī)內(nèi)安裝有相位偏移計(jì)數(shù)器、原始相位計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘，可編程邏輯器件內(nèi)部的相位調(diào)整寄存器與相位偏移計(jì)數(shù)器信號(hào)連接，同時(shí)相位偏移計(jì)數(shù)器和原始相位計(jì)數(shù)器分別與時(shí)鐘信號(hào)連接，外部主機(jī)將相位調(diào)整數(shù)據(jù)寫到可編程邏輯器件內(nèi)部的相位調(diào)整寄存器中；

外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相位偏移計(jì)數(shù)器和原始相位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生占空比為50％的方波；

其中，原始相位計(jì)數(shù)器輸出原始相位方波；

其中，相位偏移計(jì)數(shù)器使用相位調(diào)整寄存器中的數(shù)據(jù)作為偏移值，相位偏移計(jì)數(shù)器延遲預(yù)設(shè)時(shí)間后輸出與原始相位計(jì)數(shù)器頻率一致的方波，兩個(gè)相位偏移計(jì)數(shù)器輸出方波之間具有時(shí)間差，時(shí)間差形成方波相位的差異；

其中，兩個(gè)相位偏移計(jì)數(shù)器輸出的方波在天線處通過諧振回路的調(diào)諧作用，變成正弦波，從而控制兩根天線之間的相位差。

優(yōu)選的，主控板上安裝晶體振蕩器，晶體振蕩器與可編程邏輯器件信號(hào)連接，晶體振蕩器輸出的震蕩信號(hào)輸入到可編程邏輯器件中產(chǎn)生固定相位差信號(hào)。

優(yōu)選的，其中天線并聯(lián)有兩路二極管檢波電路，兩路二極管檢波電路共同連接有加法電路，其中所述天線兩端都具有125K載波信號(hào)和調(diào)幅的有效信號(hào)，其中天線兩端的125K載波大小相等，相位相反，調(diào)幅的有效信號(hào)相位相同，其中天線兩端的信號(hào)分別經(jīng)過二極管檢波電路后解調(diào)出有用的調(diào)幅信號(hào)和殘余的干擾載波，經(jīng)過加法電路后，相位相反的殘余載波相互抵消，有用的調(diào)幅信號(hào)相互疊加，增加信號(hào)的信噪比；

加法器將兩根天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的單邊載波進(jìn)行抵消，消除電磁場(chǎng)載波對(duì)讀卡器的噪音影響，同時(shí)增大讀卡器讀取ID卡有效信號(hào)的距離。

本實(shí)用新型中，背板與側(cè)板為金屬材質(zhì)，金屬材質(zhì)的背板防止天線的信號(hào)穿過背板，將背板后方的電磁場(chǎng)信號(hào)屏蔽，其中金屬外殼與天線形成諧振回路，金屬背板作為L(zhǎng)C諧振回路的一部分形成一個(gè)調(diào)整參數(shù)，通過調(diào)整金屬外殼與天線之間的距離改變天線的Q值和電感量，使諧振回路工作在最佳狀態(tài)，當(dāng)LC諧振回路處于純阻性狀態(tài)，振蕩波形最大時(shí)為諧振回路工作的最佳狀態(tài)。本實(shí)用新型中天線處于自由空間中的參數(shù)，即原始電感量為190uH，Q值65左右。

采用這樣的結(jié)構(gòu)，防止串卡，同時(shí)卡的有效讀取距離增大，通過本裝置的時(shí)候卡片不需要近距離靠近天線，方便人們的行走，同時(shí)提高讀卡的距離，避免人過多的時(shí)候造成擁堵。

附圖說明

圖1為讀卡器讀取ID卡示意圖

圖2為本實(shí)用新型單向讀卡器示意圖

圖3為天線示意圖

圖4為相位控制原理示意圖

圖5為本實(shí)用新型整體示意圖

附圖序號(hào)說明：外殼1、天線2、天線驅(qū)動(dòng)板3、主控板4、調(diào)整裝置5、紅外探頭6

具體實(shí)施方式

首先簡(jiǎn)單介紹下LF頻段的無源卡的工作原理，LF頻段的無源卡簡(jiǎn)稱ID卡。

讀卡器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)ID卡進(jìn)入讀卡器工作區(qū)域時(shí)，其ID卡天線線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而ID卡獲得能量被激活并向讀卡器發(fā)送出自身的數(shù)據(jù)編碼信息，讀卡器接收來自ID卡的載波信號(hào)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)解和解碼后根據(jù)卡號(hào)信息進(jìn)行相應(yīng)操作。讀卡器主要由單片機(jī)作為主控制器，同時(shí)還包括射頻模塊，存儲(chǔ)模塊、耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元等部件組成；射頻模塊驅(qū)動(dòng)天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，傳輸?shù)阶鳛橹骺刂破鞯膯纹瑱C(jī)，單片機(jī)核對(duì)卡號(hào)信息。讀卡器與外部主機(jī)電連接或者信號(hào)連接，具體的連接關(guān)系不在本實(shí)用新型的創(chuàng)新之內(nèi)，上述工作原理大體如圖1所示。

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)的說明。本實(shí)用新型的主要實(shí)用新型點(diǎn)在于解決串卡現(xiàn)象和提升讀卡的有效距離。本實(shí)用新型中是在不改變現(xiàn)有技術(shù)中的ID卡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)。

圖2中，使用LF頻段多天線同步技術(shù)應(yīng)用于通道遠(yuǎn)距離讀卡的裝置，包括單向讀卡器(簡(jiǎn)稱單個(gè)讀頭)、主控板、天線驅(qū)動(dòng)板，主控板、天線驅(qū)動(dòng)板形成電路板，單向讀卡器讀取ID卡的信息，其中單向讀卡器包括外殼1，外殼1內(nèi)懸置天線2，天線驅(qū)動(dòng)板3分別與主控板4和天線2電連接，天線2的功率控制在2-3瓦之間。準(zhǔn)確控制天線2的功率可以控制讀卡的有效距離。

讀卡器讀取能量必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)條件，一是在遠(yuǎn)距離內(nèi)獲取讀卡的能量，二是信號(hào)調(diào)制的過程中需要一定的靈敏度被ID卡接收到，這兩點(diǎn)在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)往往是矛盾的，當(dāng)天線的能量做的很大，當(dāng)大到一定程度的時(shí)候就會(huì)影響ID卡接收信號(hào)的靈敏度，能量小的時(shí)候，靈敏度很高，ID卡中的信息可能不會(huì)被讀取。為了克服上述缺陷，本實(shí)用新型中天線為一環(huán)形的封閉結(jié)構(gòu)，天線的尺寸與場(chǎng)強(qiáng)為立方的關(guān)系，天線的尺寸越大，讀卡器讀取ID卡的有效距離越遠(yuǎn)，但是如果天線的場(chǎng)強(qiáng)過強(qiáng)，會(huì)影響讀卡器的天線發(fā)射信號(hào)，同時(shí)影響ID卡的信號(hào)接收，因此本實(shí)用新型中采用直徑為1mm²的單股BV線繞制11圈形成環(huán)形的封閉結(jié)構(gòu)，其中環(huán)形的封閉結(jié)構(gòu)包括兩段平行設(shè)置的、長(zhǎng)度為150-250mm的直線線段，兩段直線線段之間通過半徑為150-250的弧形結(jié)構(gòu)連接，其中兩段弧形結(jié)構(gòu)之間的長(zhǎng)度在500-700mm之間，優(yōu)選天線的長(zhǎng)度為600毫米，高度400毫米，天線的厚度為10毫米。如圖3所示。

本實(shí)用新型中所述外殼1為具有開口的箱體結(jié)構(gòu)，外殼1包括背板1-1、側(cè)板1-2，側(cè)板1-2圍繞背板1-1的邊緣形成容納腔，其中，容納腔內(nèi)懸置天線2，同時(shí)外殼1內(nèi)設(shè)置調(diào)整裝置5，天線2安裝在調(diào)整裝置5上，調(diào)整裝置5調(diào)整天線2與背板1-1之間的距離，天線2與背板1-1之間間隔8-12厘米的距離，天線2與背板1-1之間的距離決定天線場(chǎng)強(qiáng)與ID卡的有效讀取距離，通過微調(diào)天線與背板距離，可以使天線工作在最佳狀態(tài)。容納腔內(nèi)的部件安裝完成后，可以在箱體的開口上安裝透明的蓋板，蓋板的材質(zhì)只要不影響天線信號(hào)的發(fā)射與外殼內(nèi)部接收ID卡信號(hào)的接收即可，例如，蓋板可以選取玻璃、塑料、亞克力、PC等材質(zhì)均可。

在實(shí)際使用中，為了增加讀卡的效率，讀卡器通常設(shè)置數(shù)臺(tái)，而人們?cè)谧x卡器之間的過道內(nèi)通過時(shí)，如果背板選取的是塑料等材質(zhì)的話，會(huì)造成串卡的現(xiàn)象，即多個(gè)讀頭在工作時(shí)，不能彼此靠近，否則會(huì)產(chǎn)生相互之間的干擾，導(dǎo)致讀卡距離下降，嚴(yán)重時(shí)將無法正常讀卡，因此，在通道設(shè)備應(yīng)用中受到限制，無法滿足多個(gè)天線在通道內(nèi)穩(wěn)定讀卡的需求。為了杜絕這種現(xiàn)象，背板和/或側(cè)板采取金屬的材質(zhì)，例如鐵質(zhì)的金屬材質(zhì)制作外殼，將背板后方的信號(hào)進(jìn)行屏蔽，當(dāng)多臺(tái)單向讀卡器并列排列時(shí)，不會(huì)再造成串卡的現(xiàn)象。金屬背板作為天線的分布參數(shù)，在整個(gè)系統(tǒng)中作為一個(gè)部件使用，避免了金屬物體對(duì)天線輸出造成的失諧影響。

同時(shí)，采用金屬板將天線后方的信號(hào)屏蔽后，人們從讀卡器的旁側(cè)經(jīng)過時(shí)，還可以避免ID卡的信息被讀卡器誤讀。

在單向讀卡器讀卡的過程中，還存在著這樣的缺陷，即當(dāng)人們經(jīng)過單向讀卡器的時(shí)候，佩戴的ID卡沒有達(dá)到讀卡的有效距離內(nèi)，例如，讀卡器的天線位于身體的右側(cè)，如果佩戴的卡片在右側(cè)的包里或者右側(cè)的手里，那么ID卡位于讀卡的有效距離內(nèi)，但是當(dāng)佩戴的ID卡位于左側(cè)的包里或者手里的時(shí)候，ID卡不在有效的讀卡范圍內(nèi)，為了能夠讀取卡片，人們往往會(huì)把佩戴的卡片換一個(gè)方向，很多時(shí)候給人們?cè)斐芍T多不變，為了克服上述類似的缺陷，本實(shí)用新型中將單向讀卡器設(shè)置成雙向讀卡器，雙向讀卡器既是將兩個(gè)單向讀卡器間隔對(duì)稱的設(shè)置，即形成了雙向讀卡器。單向讀卡器之間的距離形成人們通過的完整通道，通道內(nèi)對(duì)側(cè)放置的天線為同源天線，當(dāng)人們從雙向讀卡器的過道中通過時(shí)，不論卡片佩戴在什么方位，ID卡都能夠被有效的讀取，ID卡不用再固定在某一個(gè)方位。但是當(dāng)兩個(gè)單向讀卡器并列對(duì)稱的設(shè)置時(shí)，兩根天線的磁場(chǎng)會(huì)互相干擾，為了克服此缺陷，需要精確的控制兩根天線之間的相位關(guān)系，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩根天線之間的相位控制在70-90的時(shí)候，相位差穩(wěn)定，且讀卡效果最好，同時(shí)兩根天線采取同源控制，同源控制的意思是兩根天線采用一個(gè)電源進(jìn)行控制，采用同源控制可以同時(shí)控制兩邊讀卡器的工作，使讀卡器的工作精確、穩(wěn)定。

本實(shí)用新型中，天線通過信號(hào)與可編程邏輯器件(圖中未示出)連接，可編程邏輯器件(FPGA芯片)通過SPI接口與外部主機(jī)進(jìn)行通訊連接；其中外部主機(jī)內(nèi)安裝有相位偏移計(jì)數(shù)器、原始相位計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘，可編程邏輯器件內(nèi)部的相位調(diào)整寄存器與相位偏移計(jì)數(shù)器信號(hào)連接，同時(shí)相位偏移計(jì)數(shù)器和原始相位計(jì)數(shù)器分別與時(shí)鐘信號(hào)連接，外部主機(jī)將相位調(diào)整數(shù)據(jù)寫到可編程邏輯器件內(nèi)部的相位調(diào)整寄存器中；外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相位偏移計(jì)數(shù)器和原始相位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生占空比為50％的方波；其中，原始相位計(jì)數(shù)器輸出原始相位方波；相位偏移計(jì)數(shù)器使用相位調(diào)整寄存器中的數(shù)據(jù)作為偏移值，相位偏移計(jì)數(shù)器延遲預(yù)設(shè)時(shí)間后輸出與原始相位計(jì)數(shù)器頻率一致的方波，兩個(gè)相位偏移計(jì)數(shù)器輸出方波之間具有時(shí)間差，時(shí)間差形成方波相位的差異；而兩個(gè)相位偏移計(jì)數(shù)器輸出的方波在天線處通過諧振回路的調(diào)諧作用，變成正弦波，從而控制兩根天線之間的相位差。使兩根天線之間的相位控制在70-90之間。

主控板上還安裝振蕩電路，振蕩電路可以是晶體振蕩器，晶體振蕩器與可編程邏輯器件信號(hào)連接，晶體振蕩器輸出的震蕩信號(hào)輸入到可編程邏輯器件中產(chǎn)生固定相位差信號(hào)。產(chǎn)生的固定相位差信號(hào)傳遞到天線驅(qū)動(dòng)板3，進(jìn)而成為天線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，初始固定的相位差，就是天線之間電磁場(chǎng)的相位差。

輸出的信號(hào)之間的相位在運(yùn)行中，因?yàn)橥吹脑颍虼丝墒冀K保持固定的相差，并且相差可進(jìn)行調(diào)整。

本實(shí)用新型中，主控板內(nèi)部的振蕩電路及可編程邏輯器件(FPGA芯片)負(fù)責(zé)產(chǎn)生原始的具備固定相差的振蕩信號(hào)，此信號(hào)分別傳遞給通道左右兩邊的天線驅(qū)動(dòng)板，天線驅(qū)動(dòng)板將主控板傳遞來的信號(hào)進(jìn)行放大以及功率驅(qū)動(dòng)，并從天線輸出，并同時(shí)從天線取得用戶的卡信息，進(jìn)行處理后再傳遞回主控板，完成一個(gè)完整的工作循環(huán)。

本實(shí)用新型中天線的兩端還并聯(lián)有兩路二極管檢波電路，兩路二極管檢波電路共同連接有加法電路，由于所述天線兩端都具有125K載波信號(hào)和調(diào)幅的有效信號(hào)，且天線兩端的125K載波大小相等，相位相反，調(diào)幅的有效信號(hào)相位相同，因此天線兩端的信號(hào)分別經(jīng)過二極管檢波電路后解調(diào)出有用的調(diào)幅信號(hào)和殘余的干擾載波，經(jīng)過加法電路后，相位相反的殘余載波相互抵消，有用的調(diào)幅信號(hào)相互疊加，增加信號(hào)的信噪比。

加法器將兩根天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的單邊載波進(jìn)行抵消，消除電磁場(chǎng)載波對(duì)讀卡器的噪音影響，同時(shí)增大讀卡器讀取ID卡有效信號(hào)的距離。天線后方還可以設(shè)置紅外探頭6。紅外探頭6可以判斷通道內(nèi)是否有人通過，以及通過方向，結(jié)合讀卡信息，完整判斷人員身份。

本實(shí)用新型中，ID卡的輸出方式采用LVDS方式，輸出到不同的讀卡器，作為L(zhǎng)F頻段的讀頭載波，大部分情況下，兩個(gè)輸出信號(hào)幅度相同，但保持固定相差的讀頭天線兩兩配對(duì)使用。兩個(gè)讀頭天線，位于通道的左右兩邊，高度一致，前后位置一致，通過相位的匹配，保證在通道中存在均勻穩(wěn)定的電場(chǎng)，達(dá)到通過電場(chǎng)的125K頻段的ID卡可被穩(wěn)定讀取的目的(配對(duì)使用的讀頭，任意一個(gè)讀頭讀到有效ID卡信息，均認(rèn)為正確)。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本通道(使用雙讀頭)針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度及尺寸的ID卡及復(fù)合卡，讀取有效率可達(dá)99.99％(公司內(nèi)部測(cè)試)。經(jīng)過調(diào)整，本通道(使用雙讀頭)可對(duì)5cm*2cm異形卡，讀取有效率可達(dá)99.95％。

以上僅為本實(shí)用新型實(shí)施例的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型實(shí)施例，凡在本實(shí)用新型實(shí)施例的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型實(shí)施例的保護(hù)范圍內(nèi)。