基于MATLAB儀器控制工具箱的SAW標(biāo)簽閱讀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

聲表面波(SAW)是一種能量集中在固體淺表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。由于聲表面波在介質(zhì)表面進(jìn)行換能和傳播，所以信息的注入、提取、處理都可以方便地實(shí)現(xiàn)。目前聲表面波器件主要應(yīng)用在濾波器、延遲線、振蕩器、觸摸屏等方面，其中移動(dòng)通信中的濾波器應(yīng)用最廣泛?；诼暠砻娌夹g(shù)的傳感器也被較廣泛的研究。隨著信息技術(shù)特別是射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，SAW標(biāo)簽成為聲表面波領(lǐng)域的另一個(gè)研究熱點(diǎn)。SAW標(biāo)簽的獨(dú)特性使其成為射頻識(shí)別領(lǐng)域的新生力軍。

SAW標(biāo)簽系統(tǒng)

如圖1所示，SAW標(biāo)簽系統(tǒng)包括閱讀器和射頻標(biāo)簽兩部分。SAW標(biāo)簽通常是一個(gè)單口器件，其包括標(biāo)簽天線、叉指換能器、反射柵以及壓電基體。標(biāo)簽天線與叉指換能器電氣連接，叉指換能器一方面把標(biāo)簽天線接收的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，并延基體表面?zhèn)鞑コ鋈ィ灰环矫姘呀邮盏降难踊w表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌ㄐ盘?hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)傳輸?shù)綐?biāo)簽天線。反射柵是一組蝕刻在基體表面的金屬指條，其能夠反射沿軌跡傳播的聲表面波信號(hào)。在聲表面波軌跡上放置多個(gè)反射柵并安排不同的位置，則實(shí)現(xiàn)了SAW標(biāo)簽的編碼?，F(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)的編碼方法有脈沖鍵控編碼、脈沖位置編碼、相位編碼以及脈沖位置和相位組合編碼等編碼方法。


圖1 SAW-RFID標(biāo)簽系統(tǒng)工作原理

SAW-RFID獨(dú)特的工作原理，使其與通用的基于IC技術(shù)的RF無(wú)源標(biāo)簽相比具有不同的特點(diǎn)：首先，在相同情況下，可讀取的距離較大；更能在存在液體或金屬物品等較惡劣環(huán)境下讀??；此外，SAW標(biāo)簽是純無(wú)源標(biāo)簽，多個(gè)目標(biāo)標(biāo)簽的辨識(shí)只能在閱讀器端解決。

SAW標(biāo)簽閱讀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在閱讀器的發(fā)射機(jī)發(fā)射查詢信號(hào)并在其接收機(jī)接收SAW標(biāo)簽信號(hào)的過(guò)程中，不可避免地要受到各種噪聲的干擾而使信號(hào)發(fā)生一定程度的畸變，使得在閱讀器接收機(jī)端對(duì)回波信號(hào)的檢測(cè)發(fā)生困難。噪聲是限制檢測(cè)系統(tǒng)性能的決定性因素。SAW標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)就是從噪聲中提取回波信號(hào)的過(guò)程。

另外電波傳播條件的變化、SAW標(biāo)簽的移動(dòng)以及回波信號(hào)通過(guò)閱讀器接收機(jī)等一系列因素，均會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽回波信號(hào)相位和幅度的變化。且由于信號(hào)持續(xù)時(shí)間總是比載波周期寬得多，因而回波信號(hào)時(shí)延上不大的變化也歸結(jié)為相位的變化。因此，回波信號(hào)的振幅和相位可都被看作隨機(jī)變量來(lái)處理。在確知信號(hào)的檢測(cè)中，振幅-相位檢測(cè)系統(tǒng)是最佳的檢測(cè)系統(tǒng)，這說(shuō)明信號(hào)存在與否的信息既包含在振幅中，也包含在相位中。由信號(hào)檢測(cè)理論，標(biāo)簽回波信號(hào)加噪聲的相位的概率密度為



其中，r為信噪比；為接受信號(hào)的相位。可以看出，當(dāng)相位時(shí)，，是只與信噪比r有關(guān)的常量。隨著相位的增大，很快地衰減到零。說(shuō)明在大信噪比的條件下，信號(hào)加噪聲的相位主要集中在信號(hào)的相位值附近。要想獲得好的檢測(cè)效果，就要充分利用回波信號(hào)的相位信息。而最佳處理相位，需采用雙通道系統(tǒng)。圖2給出了利用限幅器的回波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)的SAW標(biāo)簽閱讀器系統(tǒng)如圖3所示。主要分為射頻發(fā)射通道、射頻接收通道、數(shù)據(jù)采集/處理模塊以及天線等幾部分。在射頻發(fā)射通道，首先由頻率合成器產(chǎn)生固定的載頻信號(hào)，而后經(jīng)射頻開(kāi)關(guān)調(diào)制，變?yōu)樯漕l脈沖信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)帶通濾波和功率放大后經(jīng)天線發(fā)射出去。發(fā)射通道中射頻開(kāi)關(guān)的隔離度是一個(gè)關(guān)鍵因素，如果隔離度不夠高，會(huì)影響發(fā)射的射頻脈沖質(zhì)量，從而影響接收信號(hào)；在接收回波時(shí)，還會(huì)引起串?dāng)_。本系統(tǒng)中通過(guò)采用多個(gè)射頻開(kāi)關(guān)組合方式，使信號(hào)隔離度達(dá)到70dB。


圖2 回波信號(hào)的相位檢測(cè)系統(tǒng)框圖


圖3 閱讀器硬件原理框圖

標(biāo)簽的回波信號(hào)通常非常微弱，為了提高信噪比，通常采用相位估計(jì)方法來(lái)檢測(cè)回波信號(hào)。在射頻接收通道，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器、帶通濾波器、對(duì)數(shù)放大器、I/Q解調(diào)等部分，得到正交的I和Q兩項(xiàng)輸出信號(hào)。為了正確辨識(shí)標(biāo)簽編碼，對(duì)輸出的I/Q兩路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中工作頻率為433MHz，射頻脈沖寬度為100ns~200ns，為了正確識(shí)別標(biāo)簽編碼，需要不低于20MHz的采樣頻率來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

MATLAB采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)

由上文分析可知，要想正確識(shí)別SAW標(biāo)簽的編碼，在進(jìn)行A/D變換時(shí)，需要采樣頻率20MHz以上，而如果要進(jìn)行多標(biāo)簽的防沖突識(shí)別，需要的采樣頻率會(huì)更高。目前，國(guó)內(nèi)超高速A/D采集系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)較少、價(jià)格昂貴，而高速A/D采集電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、開(kāi)發(fā)調(diào)試硬件周期長(zhǎng)?，F(xiàn)在使用的數(shù)字示波器通常都有幾百兆到GHz的采樣頻率，且絕大部分都支持不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。MATLAB作為一款科學(xué)計(jì)算軟件，在研究算法和數(shù)據(jù)處理中經(jīng)常使用。而MATLAB的儀器控制工具箱則提供了示波器和MATLAB軟件之間的連接通道。從而解決了實(shí)驗(yàn)室研究階段對(duì)高速數(shù)據(jù)采集的要求。為了既節(jié)省時(shí)間及經(jīng)費(fèi)，又能夠滿足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理的要求，結(jié)合MATLAB軟件的儀器控制工具箱和數(shù)字示波器的高速采樣能力，快速搭建了一套穩(wěn)定而準(zhǔn)確的高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)字處理系統(tǒng)。

MATLAB儀器控制工具箱介紹

MATLAB儀器控制工具箱主要是提供MATLAB軟件與各種智能儀器的通訊功能。在MATLAB2009及以后的版本中都支持該工具箱。儀器控制工具箱使我們可以通過(guò)MATLAB與各種儀器通訊，比如示波器、函數(shù)發(fā)生器、分析儀器等。通過(guò)工具箱，可以在MATLAB下產(chǎn)生數(shù)據(jù)并發(fā)送到儀器，或從儀器讀取數(shù)據(jù)到MATLAB用于分析和可視化。工具箱提供的一致接口具有硬件協(xié)議無(wú)關(guān)性，無(wú)需了解各種通訊接口協(xié)議的具體內(nèi)容。工具箱支持IVI、VXI和MATLAB儀器驅(qū)動(dòng)等，同時(shí)提供了GPIB、VISA、TCP/IP和UDP等通信協(xié)議。儀器控制工具箱提供多種與儀器通訊的方法，包括儀器驅(qū)動(dòng)程序、通信協(xié)議、圖形用戶接口(GUI)。儀器控制工具箱提供的TMTool圖形用戶接口不僅能夠連接儀器、接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，而且可以自動(dòng)生產(chǎn)M代碼文件以加入編寫的MATLAB程序中。

示波器與MATLAB軟件的連接

本系統(tǒng)采用了Agilent公司的6000系列示波器，輸入帶寬為300MHz。其支持USB2.0、GPIB和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)通過(guò)路由器把示波器和PC連接，同時(shí)利用路由器的路由功能，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電腦都可訪問(wèn)示波器的功能。特別是在臨時(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)和示波器的連接，避免了連線。MATLAB與示波器的連接具體包括示波器的參數(shù)設(shè)置、PC端參數(shù)設(shè)置和MATLAB軟件設(shè)置。

示波器參數(shù)設(shè)置主要是根據(jù)連接方式來(lái)設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)，比如采用網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，需要設(shè)置IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、DNS服務(wù)器等參數(shù)，其過(guò)程相當(dāng)于PC端對(duì)網(wǎng)卡的設(shè)置。PC端主要是對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。以上兩項(xiàng)設(shè)置好后，就可以實(shí)現(xiàn)示波器和PC之間網(wǎng)絡(luò)物理層以及底層的連接。此時(shí)，在MATLAB命令窗口敲入TMTool命令，如圖4所示的GUI窗口會(huì)顯示出來(lái)。首頁(yè)顯示了必要的幫助內(nèi)容。而右側(cè)欄給出了三類連接方式選擇：硬件接口、儀器對(duì)象和儀器驅(qū)動(dòng)程序。如連接正確，在窗口中點(diǎn)擊掃描按鈕將顯示出已經(jīng)建立的儀器連接信息。


圖4 TMTool工具窗口

在TMTool圖形窗口中，可以對(duì)儀器進(jìn)行各項(xiàng)操作，包括控制示波器的顯示方式、顯示內(nèi)容、觸發(fā)方式等，也可以采集所需的數(shù)據(jù)。在設(shè)置好與儀器通訊的各種命令后，通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換就能夠把各種操作自動(dòng)轉(zhuǎn)換為.M文件，從而可以在編寫的MATLAB程序中直接實(shí)時(shí)對(duì)外部?jī)x器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。

試驗(yàn)

在用TMTool工具與示波器連接并設(shè)置好對(duì)應(yīng)的參數(shù)后，以下是本系統(tǒng)試驗(yàn)中自動(dòng)生成的M文件代碼：

% Find a VISA-TCPIP object.

obj1=instrfind('Type','visa-tcpip', 'RsrcName', 'TCPIP0::192.168.1.100::inst0::INSTR', 'Tag', '');

% Create the VISA-TCPIP object if it does not exist

% otherwise use the object that was found.

if isempty(obj1)

obj1=visa('AGILENT', 'TCPIP0::192.168.1.100::inst0::INSTR');

else

fclose(obj1);

obj1 = obj1(1);

end

% Configure instrument object, obj1

set(obj1, 'InputBufferSize', 250000);

% Configure instrument object, obj1

set(obj1, 'OutputBufferSize', 512);

% Connect to instrument object, obj1.

fopen(obj1);

% Communicating with instrument object, obj1.

fprintf(obj1, ':WAVeform:FORMat ASCii');

fprintf(obj1, ':WAVeform:SOURce CHANnel1');

CH1data = query(obj1, ':WAVeform:DATa?');

CH1strdat=CH1data(11:end);

temp1=textscan(CH1strdat,'%f,');

CH1dat=temp1{1,1};

%plot(1:size(CH1dat),CH1dat');

fprintf(obj1, ':WAVeform:SOURce CHANnel2');

CH2data = query(obj1, ':WAVeform:DATa?');

CH2strdat=CH2data(11:end);

temp2=textscan(CH2strdat,'%f,');

CH2dat=temp2{1,1};

% Disconnect from instrument object, obj1.

fclose(obj1);

把以上代碼加入到MATLAB算法處理文件中，則實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)采集標(biāo)簽回波信號(hào)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以識(shí)別標(biāo)簽編碼。圖5是采用MATLAB編寫的用戶程序界面，顯示了采集數(shù)據(jù)的曲線以及經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后得出的編碼等信息。圖6為在高交會(huì)上展示的實(shí)際樣機(jī)。


圖 5 SAW標(biāo)簽軟件界面

圖6 SAW標(biāo)簽系統(tǒng)樣機(jī)

結(jié)論

本文介紹了聲表面波射頻辨識(shí)標(biāo)簽的工作原理，分析閱讀器的設(shè)計(jì)原理，并給出了基于時(shí)域采樣的閱讀器設(shè)計(jì)方法。針對(duì)系統(tǒng)需要高速A/D采樣的需求，利用MATLAB儀器控制工具箱實(shí)現(xiàn)示波器和MATLAB軟件的連接，充分發(fā)揮后者的高速采集能力。避免把主要精力用于系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)和調(diào)試，提高了研究效率。本系統(tǒng)成功參加了深圳高新技術(shù)交易會(huì)展出，取得了良好的展示效果。