盛慶元，蔡曉霞，朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

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Proteus在硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)測量設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

盛慶元，蔡曉霞，朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

電子商品防盜系統(tǒng)(EAS)中的硬標(biāo)簽電路是由磁棒線圈和電容串聯(lián)而成，其組成的LC電路諧振頻率Fx和品質(zhì)因素Q是硬標(biāo)簽的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)。針對此類硬標(biāo)簽參數(shù)檢測的市場需求，在研制便攜式標(biāo)簽質(zhì)量Fx、Q值檢測儀過程中，設(shè)計(jì)了一種四線圈結(jié)構(gòu)傳感探頭感知被測參數(shù)的方法，并采用Proteus軟件對此傳感探頭的等效電路模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證此測量方法的可行性；同時(shí)以AT89C51為處理器設(shè)計(jì)了便攜式檢測儀的軟硬件，采用Keil和Proteus聯(lián)調(diào)聯(lián)試，仿真達(dá)到預(yù)期效果，為下一步儀器開發(fā)提供了技術(shù)支持。

硬標(biāo)簽；Proteus；諧振頻率；品質(zhì)因素

0 引言

ISO/IEC18046-3-2007等標(biāo)準(zhǔn)給出了電子商品防盜系統(tǒng)(EAS)標(biāo)簽檢測的基本規(guī)范要求[1-3]。目前國內(nèi)硬標(biāo)簽生產(chǎn)廠家對標(biāo)簽質(zhì)量檢測采用的方法與ISO/IEC18046-3-2007中給出的方法一致。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外研究的對象以軟標(biāo)簽為主，圍繞雙線圈結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行。如宋小鋒[4-5]、朱亞萍[6]研究了單線圈傳感器模型和雙線圈傳感器模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；李佳駿[1,7]利用磁場仿真軟件Ansoft HFSS對多種雙線圈傳感器模型進(jìn)行仿真建模。研究表明，雙線圈式傳感器圈的面積、繞制匝數(shù)、標(biāo)簽放置位置及標(biāo)簽與傳感器相對位置都會影響硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)的準(zhǔn)確性[6,8-10]。這種雙線圈結(jié)構(gòu)存在的缺陷在于發(fā)射與接收線圈間，標(biāo)簽與發(fā)射和接收線圈間都會互相干擾；同時(shí)，發(fā)射線圈對接收線圈的影響疊加于標(biāo)簽產(chǎn)生的磁場上，無法區(qū)分。這些都會導(dǎo)致諧振頻率產(chǎn)生偏差，對Q值判定誤差的影響將更為嚴(yán)重。

針對上述問題，本文提出了四線圈傳感探頭結(jié)構(gòu)感知被測參數(shù)的方法，并采用差分電路提取測試信號，用二級積分電路進(jìn)行信號處理，獲取硬標(biāo)簽的幅頻特性信號。設(shè)計(jì)過程中首先采用Proteus軟件對四線圈傳感探頭結(jié)構(gòu)等效電路模型仿真，驗(yàn)證測量方法的可行性，同時(shí)以AT89C51為處理器設(shè)計(jì)了便攜式儀的軟硬件，采用Keil和Proteus聯(lián)調(diào)聯(lián)試，完成了電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，為下一步儀器開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

1 EAS工作原理

1.1 標(biāo)簽工作原理

硬標(biāo)簽實(shí)物分解如圖1所示。由圖1可知硬標(biāo)簽電子元器件的核心是由插有磁棒的多圈線圈與電容串聯(lián)。對電子標(biāo)簽的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效，其電路原理圖如圖1所示。此電路的諧振角頻率為：

(1)

其中，L為標(biāo)簽線圈等效電感，C為標(biāo)簽的等效電容，w為角頻率。

圖1 硬標(biāo)結(jié)構(gòu)、原理圖

1.2 EAS系統(tǒng)的工作原理

在監(jiān)視區(qū)，發(fā)射器以一定的頻率向接收器發(fā)射信號。發(fā)射器與接收器一般安裝在零售店、圖書館等的出入口，形成一定的監(jiān)視空間。當(dāng)標(biāo)簽經(jīng)過檢測區(qū)域時(shí)，檢測區(qū)域含有隨頻率變化的磁場，標(biāo)簽內(nèi)部的電感會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流也會產(chǎn)生磁場，反過來干擾檢測區(qū)域的磁場分布，使檢測線圈產(chǎn)生一個(gè)明顯的擾動(dòng)信號，這種干擾信號也會被接收器接收，再經(jīng)過微處理器的分析判斷，就會控制警報(bào)器發(fā)出鳴響。接收線圈接收到的感應(yīng)信號含有標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)信息。顯然當(dāng)標(biāo)簽發(fā)生諧振時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)信號最強(qiáng)，標(biāo)簽的品質(zhì)因數(shù)Q值越大，標(biāo)簽的選頻特性越好，相應(yīng)地接收器越容易識別標(biāo)簽的存在。

目前常規(guī)的測試裝置與實(shí)際中所使用的EAS系統(tǒng)相似。朱亞萍[6]對這種雙線圈檢測方法研究表明：標(biāo)簽線圈與發(fā)射和接收線圈間的互感系數(shù)增大，諧振頻率偏差加劇，甚至無法對標(biāo)簽進(jìn)行檢測。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 傳感器探頭設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由磁場發(fā)射線圈1、2，主接收線圈和輔接收線圈組成。此傳感器特別適合磁棒線圈型的硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)檢測。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于：工作時(shí)發(fā)射線圈1、2組成亥姆赫茲線圈；主、輔接收線圈直徑相同，旋向相反；發(fā)射線圈的直徑是接收線圈的4倍左右，接收線圈的直徑比磁棒線圈直徑稍大，正常情況應(yīng)小于1.5倍磁棒線圈直徑。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器探頭工作原理分析

當(dāng)發(fā)射線圈施加交流激勵(lì)時(shí)，在軸中心附近較大范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻磁場，主、輔接收線圈形成的閉合區(qū)域內(nèi)磁通量為零[11-12](主、輔接收線圈旋向相反)。將硬標(biāo)簽置于主接收線圈中心區(qū)域，硬標(biāo)簽感應(yīng)也產(chǎn)生磁場，此磁場對于發(fā)射線圈1組成的閉合區(qū)域而言，磁通量為零；發(fā)射線圈2和輔接收線圈離硬標(biāo)簽較遠(yuǎn)，不受硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場的影響，但對于主接收線圈而言，因?yàn)橹睆脚c硬標(biāo)簽磁棒線圈相近，且位于硬標(biāo)簽的感應(yīng)磁場區(qū)域內(nèi)，因而主接收線圈的磁通變化可以認(rèn)為完全由硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場決定。

2.3 傳感器探頭電路等效模型分析與仿真

2.3.1 傳感器探頭等效電路模型

進(jìn)行傳感器電路等效模型分析時(shí)，將線圈互感的感應(yīng)電壓等效為電流控制的電壓源。由上述傳感器探頭工作原理，傳感器探頭對應(yīng)的電路模型如圖3所示。其中，Rs為發(fā)射線圈1、2的內(nèi)阻，Lf1、Lf2為發(fā)射線圈1、2的等效電感，LZ為主接收線圈等效電感、Lf為輔助線圈等效電感。圖3中發(fā)射和標(biāo)簽部分電路的向量關(guān)系如下：

(2)

(3)

由式(2)、式(3)可得接收線圈輸出信號：

(4)

對式(4)兩邊取模，并結(jié)合標(biāo)簽歸一化幅頻特性曲線式(5)，可得式(6):

(5)

(6)

上述式(2)～式(6)中，M1、M分別為硬標(biāo)簽與發(fā)射線圈、主接收線圈的互感系數(shù)，Z，Z1分別為標(biāo)簽、發(fā)射線圈的阻抗。由式(7)可知，對傳感器和某一檢測硬標(biāo)簽來說，參數(shù)M、M1、Z1、R都是確定值，由式(6)可以推演出T(jw)，如式(7)所示：

(7)

圖3 傳感器等效電路工作模型

2.3.2 傳感器電路模擬仿真

本傳感器電路設(shè)計(jì)中，根據(jù)式(7)中T(jw)與圖3接收線圈上的信號U0的轉(zhuǎn)換關(guān)系，還需要處理w2，仿真時(shí)采用二級積分電路處理。傳感器仿真采用的仿真電路和具體參數(shù)如圖4(a)所示，使用Proteus的頻率分析功能，圖4(a)中的C3(1)處的輸出信號以圖中激勵(lì)U1為參考，繪制的歸一化仿真幅頻特性曲線如圖4(b)所示。根據(jù)圖4(b)的曲線可獲取標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)Fx和Q值，說明了此方法的可行性。

圖4 傳感器電路仿真

3 硬標(biāo)簽參數(shù)測量儀電路設(shè)計(jì)與仿真

3.1 仿真電路設(shè)計(jì)

硬件仿真電路設(shè)計(jì)時(shí)以檢測58 kHz聲磁硬標(biāo)簽為對象，電路原理圖如圖5所示。系統(tǒng)的主控模塊采用AT89C51單片機(jī)；發(fā)射線圈的交流激勵(lì)信號由信號發(fā)生器芯片ICL8038產(chǎn)生，ICL8038工作在調(diào)頻模式，ICL8038方波信號輸出口與AT89C51單片機(jī)P3.4口相接，提供交流激勵(lì)信號頻率信息。調(diào)頻電壓Uf由12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX5822控制，MAX5822芯片模擬電壓輸出經(jīng)一級比例放大電路Ⅱ輸出Uf；ICL8038芯片產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)跟隨器電路后接到傳感器的發(fā)射線圈上，傳感器接收線圈的輸出信號經(jīng)AD736處理，完成AC-DC轉(zhuǎn)換，獲取信號的有效值電壓，此有效值電壓被比例運(yùn)算放大后，經(jīng)MAX1240芯片，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理數(shù)據(jù)的結(jié)果標(biāo)簽諧振頻率Fx和品質(zhì)因數(shù)Q用LM016L液晶模塊顯示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，采用C51語言編寫，C51語言的結(jié)構(gòu)化和高效性能更好地實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。主要由主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、方波頻率測量子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序、LED顯示驅(qū)動(dòng)子程序幾個(gè)模塊構(gòu)成。其中A/D轉(zhuǎn)換子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序、LED顯示驅(qū)動(dòng)子程序的編程可參考使用說明書，本文不再贅述。

主程序流程如圖6所示，首先完成對I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0及液晶驅(qū)動(dòng)的初始化設(shè)置，然后調(diào)用D/A轉(zhuǎn)換子程序輸出掃頻控制電壓Uf，接著調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序記錄響應(yīng)信號Udc值，調(diào)用方波頻率測量子程序，記錄激勵(lì)信號頻率F；掃頻控制電壓Uf由小變大掃頻結(jié)束后，最后程序?qū)ふ襏dc的最大值及其對應(yīng)的Fx值，并尋找0.707(Udc)max對應(yīng)的兩個(gè)頻率值F1、F2，求出Q，顯示Fx、Q。

圖5 硬標(biāo)簽參數(shù)測量儀仿真電路

圖6 主程序流程圖

仿真調(diào)試在Proteus中進(jìn)行，仿真電路如圖5所示。把編譯生成的目標(biāo)代碼.hex文件添加到AT89C51中，啟動(dòng)仿真按鈕后，可以通過液晶屏顯示測量結(jié)果。

4 結(jié)論

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。本文針對現(xiàn)有雙線圈檢測標(biāo)簽參數(shù)存在的不足，提出一種四線圈傳感探頭結(jié)構(gòu)感知被測參數(shù)的方法，該方法采用亥姆赫茲線圈磁場為激勵(lì)，基于互感耦合原理，采用差分方法獲取硬標(biāo)簽幅頻特性信號，并使用Proteus軟件仿真驗(yàn)證此方法的可行性。同時(shí)以AT89C51為處理器設(shè)計(jì)了便攜式儀的軟硬件，采用Keil和Proteus聯(lián)調(diào)聯(lián)試，仿真達(dá)到預(yù)期效果，為下一步儀器開發(fā)提供了技術(shù)支持。

[1] 李佳駿.防盜電子標(biāo)簽檢測技術(shù)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2013.

[2] ISO/IEC 18046-3-2007.信息技術(shù)-射頻識別裝置性能試驗(yàn)方法-第3部分：標(biāo)簽性能的試驗(yàn)方法[S].2007.

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The application of Proteus in the design of hard label quality parameter measurement

Sheng Qingyuan, Cai Xiaoxia, Zhu Dan

(Shaoxing Vocational Technical College, Shaoxing 312000, China)

The circuit of hard tags used in electronic anti-theft system of goods (EAS) is composed of magnet coil and capacitor in series. The LC resonant frequencyFxand quality factorQare the key quality parameters of the hard tag. According to the market demand of the hard tags parameters detection, in the process of developing a portable hard tags quality tester, the four coil sensing probe structure is proposed and is used as the method for sensing the measured parameters. Proteus software is used to simulate the equivalent circuit model, which verifies the feasibility of the measurement method. At the same time, the hardware and software of the portable instrument is designed by using AT89C51 as processor, and the Keil and Proteus are used in the test. The simulation result is good, which provides the technical support for the next step of hardware production.

hard tags; Proteus; resonant frequency; quality factor

紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016-2017學(xué)年科研項(xiàng)目(SZK201629)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201534898)

TP212.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.028

盛慶元，蔡曉霞，朱丹.Proteus在硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)測量設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(11)：94-97.

2017-01-01)

盛慶元(1988-)，通信作者，男，碩士研究生，助教，主要研究方向：測控技術(shù)與儀器技術(shù)。E-mail：604606112@qq.com。