一種基于SAW的無線標簽識別系統(tǒng)

http://butianyuan.cn/article/201612/333185.htm

聲表面波（Surface Acoustic Wave）技術(shù)是聲學和電子學相結(jié)合而形成的一門新興邊緣學科。在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)已經(jīng)成功地研制出聲表面波帶通濾波器、延遲線、振蕩器和表面波卷積器等聲表面波器件。由于聲表面波器件具有體積小、可靠性高、一致性好以及設(shè)計靈活等優(yōu)點，所以在雷達、通信等領(lǐng)域的研究得到了廣泛的應(yīng)用。把聲表面波技術(shù)應(yīng)用于傳感器技術(shù)領(lǐng)域在近十幾年得到了很大的發(fā)展，目前，采用SAW技術(shù)來研制力、加速度、溫度、濕度、氣體及電壓等一系列新型傳感器的工作逐漸成為傳感器研究的一個熱點。

無線標簽識別系統(tǒng)可廣泛用于電子門鎖、各種庫門管理以及安全防盜等方面。另外，由于它具有獲取信息快的特點，因此非常適用于自動路橋或停車收費系統(tǒng)、路標識別系統(tǒng)、鐵路車輛車號識別以及列車準確停靠控制等系統(tǒng)[1]。

本文在延遲線型聲表面波傳感原理[2]和無線通訊相關(guān)技術(shù)[3]的基礎(chǔ)上，介紹了一種應(yīng)用聲表面波技術(shù)研制設(shè)計的無線標簽識別系統(tǒng)，并通過實驗對同型號的標簽傳感器的不同體編碼進行了驗證。

1 概述

聲表面波傳感器的工作模式基礎(chǔ)上可分為延遲線型和諧振型兩類[2]，其中利用各種薄膜技術(shù)的諧振型傳感器主要用來制作化學傳感器，延遲線型則主要應(yīng)用于溫度、壓力、應(yīng)力等物理量的檢測。

聲表面波傳感器的工作頻率通常為數(shù)十MHz，甚至高達1～2GHz，由于其本身具有高頻率信號輸出和低功耗等特點，因而非常適合于遙測信號的傳感和傳感器無源化的實現(xiàn)[2]。人們在幾年前開始研究利用聲表面波無源器件進行遙測，并采用時間延遲方式研制出了時延式聲表面波遙測系統(tǒng)。但相對于頻率量來說，利用該系統(tǒng)進行測量不很方便，且測量精度不高，同時，遙測系統(tǒng)與無源傳感器之間的距離對信號的延遲也有較大影響。本文所研究的無線標簽識別系統(tǒng)雖然也同樣采用了類似延遲線型的標簽傳感器的遙測，但由于系統(tǒng)是對標簽傳感器的條形碼式反射信號進行判斷，因而從原理上消除了對延遲時間的高精度測量要求和遙測距離對結(jié)果的影響等缺點。

聲表面波傳感器構(gòu)成的標簽識別系統(tǒng)主要由一個聲表面波傳感器標簽、一個帶主動式天線的射頻信號收發(fā)單元和一個信號處理單元組成。信號收發(fā)單元主要用于高頻激勵的發(fā)送和標簽響應(yīng)信號的讀取，信號處理單元則主要用于翻譯標簽代碼并組成向計算機傳輸?shù)男畔ⅲ▍⒁妶D1）。它們的基本原理是：收發(fā)單元經(jīng)天線發(fā)射高頻脈沖信號，聲表面波傳感器標簽經(jīng)天線接收至叉指換能器，換能器即產(chǎn)生聲表面波，然后聲表面波再通過一系列緊密排列及編碼的反射極電路的反射后回到叉指換能器，最后由天線發(fā)射出來，以得到一系列編碼的高頻回波信號（見圖2）。從而代表了不同的目標。

聲表面波標簽傳感器的反射極可看作是條形碼般的編碼裝置，如在反射極區(qū)域能布置32條標簽條，則回波信號可得到2 32個狀態(tài)，這些狀態(tài)分別表示不同編號的車輛、集裝箱、工件、人或動物等目標以供識別。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 標簽傳感器

無線標簽系統(tǒng)的核心是聲表面波標簽識別傳感器。該標簽識別傳感器主要由傳感器天線、壓電基片、叉指換能器和經(jīng)傳感器體外編碼的反射極組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)壓電基片的特性可合理選取基片的切向，并可從工作頻率、頻寬寬度及加工精度的角度來設(shè)計叉指換能器的指寬、指間和指對數(shù)等參數(shù)。在設(shè)計反射極電路時，主要應(yīng)考慮反射效率、躲避激勵信號所引起的體波噪聲對反射信號的影響并應(yīng)有效避免三次及多次回波對編碼信號的影響。

當反射極電路處于開路或為感性負載時，反射極電路將對來自于叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波進行反射，而當相當反射極電路短路或為容性負載時，反射極電路對聲表面波的反射能力顯著下降。這時可以通過改變反射極電路的狀態(tài)來達到對反射極的體外編碼的目的。

2.2 信號收/發(fā)及處理

標簽傳感器由一個短暫的高頻脈沖（這時用270MHz）來激勵，一旦激勵去除，它即以相同的頻率反射同一個阻尼衰減的正弦振蕩。其回波由相應(yīng)的接收電路檢測、解調(diào)和輸出。高頻信號的收/發(fā)及處理電路采用類似于無線系統(tǒng)的高頻信號處理電路，具體框圖見圖4。高頻激勵信號的發(fā)送和傳感器回波信號的接收均由非接觸方式來實現(xiàn)。設(shè)計時應(yīng)參考中國無線電管理委員會對無繩電話要販發(fā)射功率的限制，其允許的信號發(fā)射功率為20nW，在聲表面波工作頻率為270MHz時，有效遙測距離約為3～5米，系統(tǒng)的幅度分辨率為10分貝，相位分辨率為正負1度。

高頻激勵脈沖以100kHz的頻率周期性地進行發(fā)/收轉(zhuǎn)換，因此每秒鐘可完成多達10 5次測量。一個周期（約為1ms）內(nèi)發(fā)送時間約為100ns，其余時間為接收時間，在發(fā)送期間，大約可傳輸120個波長的正弦波。

在接收期間，回波信號通過放大器輸入到90°相位差的信號解調(diào)電路，分別得到由式（1）和（2）表示的信號。

式中：

ω表示激勵脈沖信號的角頻率；

表示激勵信號與回波信號間的相位差；

式（1）和（2）分別代表回波信號的同相分量I和正交分量Q，兩信號經(jīng)低通濾波器去除高頻分量cos(2ωt+i)，再經(jīng)快速A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到計算機進行運算，解得的相位差為：

i=tg-1(I/Q) (3)

回波信號的幅值由咖外的A/D轉(zhuǎn)換變換得到，與相位數(shù)據(jù)相結(jié)合能夠得到整個信號時域響應(yīng)的離散數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過對響應(yīng)數(shù)據(jù)進行處理和分析即可得出標簽?zāi)繕说木幋a。

3 實驗測量

標簽傳感器件基底采用機電耦合系數(shù)較大且溫度系數(shù)較小的LiNbO3壓電晶體為材料，取YZ切向，基片尺寸為10mm×6mm×0.6mm，叉指換能器電路和反射極電路應(yīng)用了薄膜技術(shù)制備，它覆蓋的薄鋁的厚度為0.1μm，指寬和指間均取2.8μm，標簽傳感器的中心頻率為270MHz，帶寬為36MHz。在傳感器封裝之前，叉指電路和反射極相關(guān)電路由引線引出，并在體外分別接微帶天線并進行編碼。

實驗中的標簽傳感器設(shè)計四個反射條電路，并對標簽傳感器外編碼為1011的反射響應(yīng)進行了實驗，其實驗結(jié)果見圖5。

從圖5中可知：編碼為1和0的反射條的響應(yīng)幅值較環(huán)境噪聲大數(shù)十分貝，同時編碼為0和1的反射響應(yīng)幅度之差約十幾個分貝，通過信號處理電路可以有效地對反射信號進行處理和分辨。實驗表明：標簽體外編碼基本上符合目標識別的要求，能達到對目標標簽的有效識別。

4 結(jié)束語

聲表面波識別技術(shù)是一種新興的技術(shù)，在用于不停車車輛自動收費自動識別方面（AVI），它具有低能耗、抗環(huán)境干擾能力強、快速數(shù)據(jù)讀取及傳輸處理和低價格、小體積等優(yōu)點，而且具有極強的實用性。

體外編碼的標簽識別系統(tǒng)避免了不同目標需要設(shè)計不同的聲表面波傳感器反射極的問題，從而為該系統(tǒng)的鋪平了道路。為簡潔起見，在實驗中采用的只是四位編碼，實際上，在同樣的聲表面波信號傳輸效率下可采用相關(guān)技術(shù)來增加反射極，以使其擴展到八位或十六位編碼。

當然，為了進一步有效地擴展編碼位數(shù)，還需對聲表面波信號的傳輸效率、反射電路的設(shè)計以及信號數(shù)據(jù)的處理技術(shù)等方面進行深入的探討。同時，系統(tǒng)在如何避免統(tǒng)一型號的多個目標同時出現(xiàn)在有效識別范圍內(nèi)所引起的識別混亂，以及遙測距離對回波幅值的影響等方面有待于進一步的研究和處理。

隨著聲表面波技術(shù)研究的不斷深入以及在目標識別系統(tǒng)中可靠性的提高，應(yīng)用聲表面波技術(shù)設(shè)計的運動目標識別和定位系統(tǒng)必將具有廣闊的發(fā)展前景。