摘要:近年来,声表面波(SAW)技术的研究已经成为人们关注的热点,从理论到实践都取得了长足的进步。伴随着电子学,声学和微平面工艺的快速发展,各种声表面波器件的研究与应用在逐步展开,其应用已涉及到卫星通信,广播电视,导航制导,无损检测,识别定位和传感器等众多领域,尤其在非接触式读取识别上有着更为诱人的前景。本文介绍了一种基于声表面波器件的无线远距识别系统的实现。简述了目前RFID技术的优势和发展状部况,介绍了RFID系统的组成及其工作原理,对基于声表面波技术的阅读器和标签做了简要的介绍。对其工作原理做了比较详细的说明。标签编码是射频识别需要解决的关键技术。本文对标签编码做了探索式的研究。
关键词:声表面波;RFID;阅读器;无源电子标签;标签编码
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)26-7547-04
无线射频识别技术(RFID)作为一种新兴的自动识别技术,近年来在国内外已经得到了迅速发展。RFID技术的分类采用了先进微电子加工技术制造的声表面波器件,具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、 多功能以及设计灵活等优点,在通信、电视、遥控和报警系统中已得 到广泛应用,数以亿计的手机和电视机中都应用了多个声表面波滤波器。随着加工工艺的飞速发展,SAW器件的工作频率已覆盖10MHz～ 2.5GHz,是现代信息化产业不可或缺的关键元器件。由于SAW器件本身工作在射频波段,无源且抗电磁干扰能力强, 因此SAW技术实现的电子标签具有独特的优势。
1 声表面波
1.1 声表面波与相关运用
1.1.1 声表面波概述
声表面波(SAW)是传播于压电晶体表面的机械波,其声速仅为电磁波速的十万分之一,传播衰耗很小。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍,而且在它的传播路径上容易取样和进行处理,因此,用声表面波去模拟电子学的各种功能,能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时,由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能,因此,声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。
1.1.2 声表面波器件的基本结构和工作原理
声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。所谓叉指换能器,就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案,它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是,基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理,并利用声一电换能器的待性来完成的。
1.2 无线射频识别技术
无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID),或称射频识别技术,是利用射频方式进行非接触双向通信,以达到自动识别目标对象并获取相关数据,具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。 目前常用的自动识别技术中,条码和磁卡的成本较低,但是都容易磨损,且数据量很小;接触式IC卡的价格稍高些,数据存储量较大,安全性好,但是也容易磨损,寿命短;而射频卡实现了免接触操作,应用便利,无机械磨损,寿命长,无需可见光源,穿透性好,抗污染能力和耐久性强,而且,可以在恶劣环境下工作,对环境要求低,读取距离远,无需与目标接触就可以得到数据,支持写入数据,无需重新制作新的标签,可重复使用,并且使用了防冲撞技术,能够识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡。
1.3 RFID的组成与工作原理
最基本的RFID系统由三部分组成:
1) 标签(Tag):由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象;
2) 阅读器(Reader):读取(有时还可以写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;
3) 天线(Antenna):在标签和读取器间传递射频信号。
一套完整的系统还需具备:数据传输和处理系统。
RFID技术的基本工作原理并不复杂:标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签);解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。
1.4 基于声表面波的射频识别系统
1.4.1 基于声表面波的射频识别系统概述
射频识别技术RFID(英文Radio Frequency Identification的缩写)是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递达到识别目的的技术。利用声表面波技术实现射频识别称为声表面波射频识别(SAW-RFID),其特点:
1) 双重功能:同时具有识别+传感的双重功能,如温度传感器、压力传感器、汽体传感器、扭力矩传感器、角速度传感器(陀螺)等;
2) 可靠性高:SAW电子标签工作时不需要电源供电,是一种无源卡,可靠性很高,可长期在各种严酷的环境下工作;
3) 体积小、结构简单:SAW电子标签适合的工作频率范围433.82MHz～5.8GHz,,成本较IC标签更低(比IC工艺简单很多);
4) 识别距离远、识别速度快:无源识别距离一般可达10～20米以上(若加电池,可识别几公里到几百公里),一次准确识别时间约1ms左右。可识别以200公里/小时速度运动的物体;
1.4.2 (SAW)RFID的组成与原理
声表面波射频识别( SAW RFID) 终端系统由识读器、射频天线、RF SAW标签( 也称SAW声表面波应答器) 组成, 后者包括射频天线和声表面波器件。SAW RFID 的核心部件是声表面波器件, 其功的IC。SAW 能如同电子标签RFID 是在压电晶体( 如石英、铌酸锂等) 小基片上用半导体工艺制作出专门设计的叉指换能器( IDT) 和若干个反射器, 换能器的两条总线与电子标签的天线相连接, 反射器数量与配置决定于所要求的应答编码。SAW 无源电子标签采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。阅读器的天线周期性发送高频询问脉冲,在电子标签天线的接收范围内,被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波, 并在晶体表面传播。反射器组对入射表面波部分反射, 并返回到叉指换能器, 叉指换能器又将反射声脉冲串转变成高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计, 使其反射信号表示规定的编码信息, 那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串则带有该物品的特定编码。通过解调与处理,达到自动识别的目的。声表面波传播速度低, 有效的反射脉冲串经过几微秒的延迟时间后才返回到阅读器, 在此延迟期间, 来自阅读器周围的干扰反射已衰减, 不会对声表面波电子标签的有效信号产生干扰。
1.4.3 典型应用
列车自动抄号管理系统及自动测温系统;公路车辆自动识别管理系统;城市车辆信息化管理系统;邮政物流管理;危险品的运送管理、监控;矿山、大型工厂的自动化流水作业线上,实现自动控制、监视;贵重物品标签,货币防伪,防假胃伪劣产品;用于电力传输系统,无源无线检测电力传输系统电器的温度是否超标,以便采取保护措施,保证正常供电;可用于动物跟踪,兼测动物体温,识别动物的健康状况。建立饲养档案;用于停车场的存取出入管理;单位、宾馆、社区等人员的进出管理;场所的安全防范管理等等;可用于医院管理,监控病人的活动,定时、自动测量病人体温;在军事上,可用作敌我识别,识别人,识别兵器,防止导弹误击自己;SAW-RFID产品的前景非常可观,可实现高额利润,目前国内尚未制作。
2 SAW电子标签读卡器的工作原理
声表面波电子标签,作为声表面波IC卡的一种,可以说是一种新型非接触自动识别技术,或者,我们可以据此将RFID分成SAW RFID和IC RFID,需要说明的是,SAW RFID也属于无芯片电子标签系统(Chipless)。
射频识别(RFID),其组成一般包括:1)电子标签(Tag);2)阅读器(Reader)。电子标签中一般保存有约定格式的电子数据,在实际应用中,电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器又称为读出装置或读卡器,可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等功能。
显然阅读器的重要性不言而喻,它起着桥梁的作用。它的频率决定了射频识别系统的工作频段,同时其功率也直接影响了识别的距离。所以设计出与卡相配合的读卡器很是关键之一,有着广阔的应用前景。
2.1 SAW电子标签读卡器的工作原理
2.1.1 SAW电子标签的读卡应用系统
声表面波电子标签识别的读卡应用系统和IC RFID的基本一致,通常由读写器﹑控制器和电子标签构成,将声表面波电子标签安装在被识别对象物上,当带有电子标签的被识别对象物进入阅读器的有效阅读范围时,阅读器自动侦测到电子标签的存在,向电子标签发送指令,并接收从电子标签返回的信息,从而完成对物体的自动识别。图1表示声表面波电子标签识别系统的工作原理图。
系统的工作过程如下:
1) 读写器将要发送的信号编码后加载在某一频率上经过天线向外发送,即周期的发送高频询问脉冲。
2) SAW电子标签进入读写器的工作区域后,即能在标签天线的接收范围内,接收读写器发射的高频脉冲信号。
3) SAW电子标签上与标签天线相连的叉指换能器就将接收到的信号转变成声表面波,这种表面波纵向通过基片,即在晶体表面进行传播。
4) 反射器组对部分入射表面波进行反射,并返回到叉指换能器。对于剩余部分的入射波,则到达基片的终端后并被吸收。
5) 可将反射器组按某种特定规律设计,使其反射信号表示特定的编码信息,即表示所要识别物体的特定编码。叉能换能器将带有特定编码的反射脉冲转换成高频脉冲串。
6) 高频脉冲串再经标签天线反射,发送给读写器。
2.1.2 SAW电子标签读卡器的工作原理
读卡器的组成框图如图2所示,图中可看出,读卡器可以简化为两个基本部分:控制系统和由发送器及接收器组成的高频接口。
读卡器的高频接口担负有下列任务:
1) 对发射信号进行调制,用于将数据传送给电子标签;
2) 接收并解调来自电子标签的高频脉冲信号。
读卡器的控制单元担负着以下任务:
1) 与应用系统软件进行通信,并执行应用系统软件发来的命令;
2) 控制与标签卡的通信过程(主—从原则);
3) 信号的编码与解码。
对于复杂的系统还有下列附加的功能:
1) 执行反碰撞算法;
2) 对标签卡与读卡器之间要传送的数据进行加密和解密;
3) 进行应答器和读取器之间的身份验证。
为了完成这些复杂的任务,在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。应用系统软件与读卡器之间的数据交换是通过RS232或RS485串口来进行的。高频接口与控制单元之间的接口将高频接口的状态以二进制的形式表示出来。
在硬件设计上,SAW电子标签读卡器主要由控制器、发送部分、接收部分组成,一个完整的读卡过程如下:
1) 计算机向读卡器发出读卡信号。
2) 读卡发送部分将读卡命令和能量通过发射天线传送给标签卡;标签卡接收到信号后通过叉能转换器和反射器组处理读卡机传来的命令,形成相应的卡号等信息,采用反射调制方式调制发射天线发来的微波信号反射给接收天线。
3) 接收部分将接收天线接收的标签卡反射信号进行处理,形成相应的数字信号送到控制器。
4) 控制器将接收部分送来的数字信号进行解码处理,送至计算机。
3 SAW电子标签
IC卡是一种通过嵌在塑料卡片上的微型集成电路芯片来实现数据读写、存储的AIDC技术。随着技术发展,IC卡技术与射频识别技术的结合产生了CICC,它保留了接触式IC卡的原有优点,又具备安全性高抗干扰能力强等的系列新特点,电子标签作为CICC的一种,应用更是广泛。再随着声表面波识别技术的发展和应用,声表面波电子标签,它是上述各技术间结合的又一新产物。
3.1 SAW电子标签的识别原理
SAW电子标签是由叉指换能器和若干反射器组成,换能器和反射器是用压电基片按照平面电极结构制作的,通常是用铌酸锂作基片,利用光刻法完成电极结构的制作。换能器的两条总线与电子标签的天线(一般是偶极子天线)相连接,阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲,在电子标签天线的接收范围内,被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波,并在晶体表面传播。反射器组对入射表面波部分反射,并返回到叉指换能器。叉指换能器又将反射声脉冲串转变成高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计,使其反射信号表示规定的编码信息,那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码。通过解调与处理,达到自动识别的目的。
3.2 SAW电子标签的应用与特点
由于SAW器件本身工作在射频波段,无源且抗电磁干扰能力强,因此SAW技术实现的电子标签具有一定独特的优势,是对集成电路(IC)技术的补充。其主要特点有:
1) 读取范围大且可靠,可达数米至数十米;
2) 可使用在金属和液体产品上;
3) 标签芯片与天线匹配简单,制作工艺成本低;
4) 不仅能识别静止物体,而且能识别速度达300千米/小时的高速运动物体;
5) 可在高温差(-100℃～300℃)、强电磁干扰等恶劣环境下使用。
SAW电子标签技术应用领域非常广泛,包括物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、农场的健康与安全监控识别、超市防盗和收费、航空行李分拣、邮包跟踪、工厂装配流水线控制和跟踪、设备和资产管理、体育竞赛等。
SAW电子标签也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等参数变化的测量,如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。
4 标签编码
4.1 概述
声表面波无源辨识标签主要由压电基片、叉指换能器、天线和反射极组成。辨识标签工作原理(如图3所示)。
通过带主动式天线的射频信号发射出高频脉冲信号后,辨识标签经由其天线接收,该信号传至叉指换能器,由于基片的逆压电效应,换能器激发出同频的SAW,该SAW沿基片表面传播,到达一系列紧密排列编码的反射栅后,部分能量得以反射回叉指换能器,通过基片的压电效应再次转变成电磁波由天线发射回来,接收系统即可得到一系列编码的高频回波信号,由收发单元接收和信号处理后以辨识不同的目标。
传感器天线接收由远处访问机发送来的访问电磁脉冲信号,通过叉指换能器转化为声表面波,遇到反射条后形成回波,回波通过叉指换能器重新转化为电磁波并再次通过天线发射出去。这些回波信号形成了由晶体表面的反射条的数目和位置决定的脉冲序列,它类似于条形码图案,每个脉冲的时间延迟取决于SAW传播速度。信号后处理单元对脉冲延迟变化进行估计,实时解调出识别码。
4.2 编码原理
4.2.1 读写器
读写器又称为读出装置、扫描器、通讯器、阅读器,读写器可以是读/写或只读装置。当附着有电子标签的待识别物品通过其有效识别范围内时,自动以非接触方式与电子标签进行信息交换,从而实现自动识别物品或自动更新物品标识信息的功能。在读/写半无源标签时,还应提供维持该标签工作的功率电磁波能量。
读写器是一个基于雷达原理的射频收发与信号处理系统,采用的电路主要有:脉冲型、脉冲压缩型和调频连续波型等。目前采用的幅度解码的脉冲雷达系统.
4.2.2反射延迟线结构
由单换能器与有效长时延的反射器组成的反射延迟线结构,能压缩环境回波,提高标签的读写能力。反射器是按编码规则排列的反射体阵列,每个反射体提供一个有效回波脉冲分量。标签回波是一脉冲串,其脉冲串各分量的幅度、位相和时延等参数反映了编码特征。
对频率f0 (圆频率ω0)的高频询问脉冲,其回波的时域表示为:
其中Aj、θj和τj为第j个反射回波脉冲分量的幅度、位相和时延,E(t)为单个回波脉冲分量的包络。由于反射体间的多次反射,回波脉冲数j要比反射体的数目 大得多,多余部分形成干扰杂波,减小回波的信噪比。
4.2.3编码方式
采用时延值编码时,码容N量与读写器性能有关,由组合函数C确定:
其中m和L分别是标签有效反射体数和时延范围,而δT和δt则分别是读写器的脉冲分辨率和时基精度。
4.2.4 反射条的宽度
V=λf 得λ=v/f=3896/9.15*1010=4.2579*10-8
等间距均匀反射栅,其栅的宽度应为λ/4。λ为声表面波的波长。反射条的宽度为λ/4=0.0106448μm.
由上公式可知,当反射条的宽度为λ/4时,反射波的能量最强,回波越容易识别,读卡器越容易读出。因此,在设计读卡器时,在读卡器中设计三个门限电路。而反射栅的第一和最后一个的反射条的宽度为λ/4。这样通过标签反射回来的能量就大。就可以很容易辨别帧头帧尾即标签的开始和结束。当由读卡器读出的脉冲超过第三个门限值,表明读卡开始。当读卡器读出的脉冲再次超过第三个门限值,表明读卡结束。这样就完成了一次标签的读取识别。
5 结束语
声表面波识别技术是一种新兴的技术,在用于不停车车辆自动收费自动识别方面(AVI),它具有低能耗、抗环境干扰能力强、快速数据读取及传输处理和低价格、小体积等优点,而且具有极强的实用性。体外编码的标签识别系统避免了不同目标需要设计不同的声表面波传感器反射极的问题,从而为该系统的铺平了道路。为简洁起见,在实验中采用的只是四位编码,实际上,在同样的声表面波信号传输效率下可采用相关技术来增加反射极,以使其扩展到八位或十六位编码。当然,为了进一步有效地扩展编码位数,还需对声表面波信号的传输效率、反射电路的设计以及信号数据的处理技术等方面进行深入的探讨。随着声表面波技术研究的不断深入以及在目标识别系统中可靠性的提高,应用声表面波技术设计的运动目标识别和定位系统必将具有广阔的发展前景。
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