蔡曉霞，張西良，盛慶元，陳科行

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學院 機電工程與交通學院，浙江 紹興 312000；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

無線射頻識別即射頻識別技術(shù)(RFID)，是自動識別技術(shù)的一種，目前在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-2]。電子商品防盜(EAS)技術(shù)也采用了RFID。EAS系統(tǒng)中的電子標簽質(zhì)量是整個系統(tǒng)能可靠運行的保障?；诼暣殴ぷ髟淼腅AS系統(tǒng)大都采用一種固定工作頻率的硬標簽[3]。目前，在硬標簽生產(chǎn)過程中，有一道插磁調(diào)頻工序——將磁棒插入繞有線圈的骨架中，以調(diào)整待調(diào)頻硬標簽線圈電感值，使線圈電感與其串聯(lián)電容組成的RLC回路諧振頻率符合行業(yè)要求[4-5]。

查閱現(xiàn)有文獻，現(xiàn)有的硬標簽諧振頻率檢測技術(shù)按探頭結(jié)構(gòu)可分單線圈、雙線圈、三線圈、四線圈[6-10]。楊成忠[11]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，得出雙線圈傳感器更加適合應(yīng)用于工程。朱亞萍[12]等在電路參數(shù)仿真分析基礎(chǔ)上，研究了雙線圈傳感器線圈匝數(shù)和空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸出響應(yīng)靈敏度影響。李佳駿[13]利用 HFSS 磁場仿真軟件研究了不同形狀單、雙線圈的理論測試誤差。為克服單、雙線圈測量的理論誤差，專利CN106443826A[10]提供一種四線圈結(jié)構(gòu)，可有效消除中心頻率偏移。盛慶元等[9,14]人基于差分設(shè)計思路，提出了三線圈探頭結(jié)構(gòu)，設(shè)計的傳感器測試硬標簽諧振頻率精度優(yōu)于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)。牛元海[15]、Soham[16]、王焱[17]分別在EAS掃頻信號源，線圈耦合影響因素，檢測器方面進行了相關(guān)研究。

在插磁裝置方面，文獻較少，CN108268929A[18]、CN107239079A[19]專利提供了不同形式的插磁機械裝置及其相應(yīng)的控制電路與控制方法。如CN108549265A提出一種基于模糊控制的無源電子硬標簽插磁控制方法，以三線圈傳感技術(shù)，結(jié)合模糊控制算法，提高了插磁硬標簽諧振頻率精確度控制。

可現(xiàn)有硬標簽諧振頻率檢測技術(shù)為機器插磁控制提供控制信號存在缺陷，既檢測時硬標簽與檢測探頭之間的互感系數(shù)M是不變的，而在插磁過程中，M隨磁棒插入骨架深度隨時變化，需要配合復(fù)雜的控制方法。文獻[18]中的恒頻控制壓入步驟和跳頻控制壓入步驟控制方法，文獻[20]中的基于模糊控制算法，可以一定程度上提高壓磁調(diào)頻精度，可無法消除原理誤差。

為解決上述問題，本文設(shè)計一種硬標簽插磁調(diào)頻機控制系統(tǒng)，采用單線圈探頭，設(shè)有電容補償環(huán)節(jié)，基于相位差變化特性，設(shè)計以相位差信號為控制系統(tǒng)提供反饋信號的控制系統(tǒng)，以期提高插磁調(diào)頻精度和效率。

1 硬標簽調(diào)頻原理與插磁調(diào)頻核心部件

1.1 硬標簽調(diào)頻原理

硬標簽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖1a)是一個電容電感串聯(lián)回路，其可等效為LCR串聯(lián)電路。判定標簽是否合格的標準之一是看硬標簽在規(guī)定諧振頻率范圍內(nèi)是否產(chǎn)生諧振。目前，在硬標簽生產(chǎn)過程中，硬標簽諧振頻率的調(diào)整是通過將磁棒插入繞有線圈的骨架中，以調(diào)整硬標簽諧振回路中電感值大小，使硬標簽電感和電容組成的串聯(lián)回路諧振頻率符合行業(yè)要求，此過程稱為插磁調(diào)頻工序。

圖1 硬標簽的實物圖與插磁調(diào)頻裝置圖

1.2 插磁調(diào)頻核心部件

硬標簽的插磁調(diào)頻核心部件由步進電機、絲桿組成，如圖1(b)所示?？刂茊卧刂撇竭M電機，可實現(xiàn)絲桿上下移動，壓塊下移時將磁棒壓入到待調(diào)頻的硬標簽骨架中。此部件下移控制的關(guān)鍵在于獲取硬標簽諧振頻率信號為控制系統(tǒng)提供反饋信號，并使得磁棒插入的深度滿足硬標簽的工作諧振頻率。

2 傳感電路設(shè)計原理與分析

2.1 傳感電路設(shè)計原理

控制系統(tǒng)采用單線圈探頭，傳統(tǒng)的單線圈探頭檢測硬標簽諧振頻率的電路模型如圖2(a)，硬標簽的電路結(jié)構(gòu)可等效為圖2(a)中的右半部分，由L2，C2，R2串聯(lián)。R1為精密電阻，L1為單線圈敏感探頭等效電感，M為單線圈敏感探頭與硬標簽線圈電感之間的互感系數(shù)。圖2中左右電路各部分電壓電流向量關(guān)系如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中的Z1為R1、L1串聯(lián)總阻抗，Z2為R2、C2、L2串聯(lián)總阻抗。

由式(1)～(2)可得精密電阻R1兩端的電壓U0向量為:

(3)

依據(jù)式(3)，文獻[3-4]研究表明通過掃頻法，獲取幅頻特性曲線，諧振頻率定義為最大值幅值對應(yīng)頻率fmax和最小值對應(yīng)頻率fmin的算術(shù)平均值，顯然，這種方法不利于提高插磁調(diào)頻效率。

圖2 傳感電路設(shè)計原理圖

改進設(shè)計電路，在信號源端增加補償環(huán)節(jié)，如圖2(b)所示。信號源頻率w大小設(shè)置為控制目標硬標簽諧振頻率w0，并通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容CX，使得w0L1=1/(w0C總)。在這種情況下，式(3)更改變形可得式(4)。

(4)

顯然式(4)中，L2值變化，對應(yīng)的Us、U0信號的幅值比和相位差也隨之變化，進而可以敏感待插磁調(diào)頻硬標簽的諧振頻率。

2.2 傳感電路模型仿真分析

2.2.1 模型的定性分析

在硬標簽插磁調(diào)頻過程中電感L2增大，敏感探頭與硬標簽電感L2之間的互感系數(shù)M也變大，對式(4)的幅值變化定性分析較難。從相位角度分析可知：角頻率為w0時，硬標簽L2，C2，R2串聯(lián)等效電路總阻抗成容性時，信號Us相位超前信號U0；硬標簽L2，C2，R2串聯(lián)等效電路總阻抗成感性時，信號Us相位滯后信號U0；硬標簽L2，C2，R2串聯(lián)等效電路總阻抗成阻性時，信號Us與信號U0相位一致。

在硬標簽生產(chǎn)插磁過程中，信號Us相位先超前U0，后滯后U0，信號Us與信號U0相位一致時，是磁棒插入深度的最佳控制點。

2.2.2 模型的定量分析

借助mutilism電路設(shè)計軟件，以廠家生產(chǎn)58 kHz“中榔頭”硬標簽提供的參數(shù)，C2取1 700 pF，R2取14 Ω；探頭L1選擇市售490 μH線圈，匹配電容值C總?cè)?5.367 nF，信號源頻率設(shè)置為58 kHz，對電感L2變化，Us、U0信號的幅值比和相位差隨之變化的關(guān)系進行仿真，同時考慮下壓過程M變化，對M變化引起的影響也進行仿真。采用mutilism的parameter sweep功能，選擇AC Analysis模式，將仿真結(jié)果導(dǎo)出到EXCEL，繪制參仿真結(jié)果見圖3。

圖3 電路幅值比、相位差仿真圖

通過圖3可知，M不影響對幅值比和相位差的變化趨勢；幅值比最小，相位差為零對應(yīng)的L2相等，并且此L2與C2串聯(lián)計算的諧振頻率與激勵信號頻率相等；隨L2增大，U0先滯后US，且相位差先變大后變小，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)特性，L2進一步增大相位差極性反轉(zhuǎn)。通過比較幅值比、相位差變化特征，本文采用相位差為反饋控制信號，利用相位差先變大后變小特性，在最大滯后相位差之前采用快壓，最大滯后相位差之后采用慢壓，并將相位差極性反轉(zhuǎn)(由滯后變?yōu)槌?特性提供完成下壓過程的觸發(fā)信號。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

本控制系統(tǒng)配合雙路壓磁調(diào)頻機設(shè)計，其基本工作過程，將壓磁調(diào)頻硬標簽放置于底座中，鏈條傳輸帶將底座輸送置壓棒正下方，左右步進電機分別下壓，完成插磁調(diào)頻過程后，左右步進電機反轉(zhuǎn)提起壓棒，完成一次壓磁調(diào)頻過程。

3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)以MSP430為控制核心設(shè)計，主要由開關(guān)電源、位置傳感器、步進電機驅(qū)動器、激勵信號源等信號處理模塊等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 硬件詳細設(shè)計

本控制系統(tǒng)需主從兩路控制板，設(shè)計的主從電路主要電路原理圖如圖5所示，核心電路介紹如下。

3.2.1 激勵信號源設(shè)計

激勵信號源采用了AD9833芯片，它是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗，可編程波形發(fā)生器。輸出頻率范圍為0～12.5 MHz，精度可以達到0.004 Hz，3線SPI接口易于與各種主流微控制器兼容。芯片設(shè)置為正弦波輸出，幅值0.6 VPP左右，輸出阻抗為200 Ω。圖5中的信號JP3端子分別與發(fā)射線圈兩端相連。

3.2.2 相位差檢測單元

插磁調(diào)頻裝置以信號Us、U0相位差為控制信號，設(shè)計的鑒相電路以AD8302為核心，提供模擬電壓信號輸出AA0。AD8302是ADI公司的用于RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路，能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號之間的幅值比和相位差。信號測量范圍為-60～0 dBm，相位檢測的范圍0°～180°，對應(yīng)電壓輸出范圍0～1.8 V，輸出電壓靈敏度為10 mV/度，測量誤差小于0.5°。

3.2.3 相位極性鑒別單元

另外，相位極性鑒別單元，信號Us、U0分別經(jīng)過零比較器A和過零比較器B整形為方波信號，再經(jīng)過邊沿D觸發(fā)器處理。

TLV3502雙通道比較器，實現(xiàn)了高速度(40 ns)與低功耗(40 μA)的完美組合，采用極小型封裝，具有軌至軌輸入、低偏移電壓(1 mV)和大輸出驅(qū)動電流等特性。SN74LVC1G79器件是一種的單路正緣觸發(fā)D型觸發(fā)器。當數(shù)據(jù)輸入 (D) 處的數(shù)據(jù)滿足設(shè)置時間要求時，將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)綍r鐘脈沖正向緣上的Q輸出。

圖5 主要模塊單元的電路原理圖

3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換單元

A/D轉(zhuǎn)換單元采用ADS1115芯片，它是兼容 I2C的16位高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，自帶可編程放大電路，可提供從±256 mV到±6.144 V 的輸入范圍，執(zhí)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)速率高達每秒860個樣本。配置寄存器值高低字節(jié)設(shè)為0xC6、0xe3，即選擇通道0、滿量程1.024 V，最快采樣率工作。

其他部分電路屬電路常規(guī)設(shè)計，本文中不再做詳細闡述。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)選用IAR for MSP430專業(yè)集成開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用C語言進行編程。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想，主要由主程序、AD9833驅(qū)動程序、ADS1115驅(qū)動程序、液晶觸摸屏驅(qū)動程序等幾個模塊構(gòu)成，各驅(qū)動程序的編程可參考相應(yīng)說明書。主從工作流程框圖和壓磁調(diào)頻軟件流程圖如圖6、圖7所示。

圖6 主從工作流程框圖

圖7 壓磁調(diào)頻軟件流程圖

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 測試方法

以用于聲磁防盜系統(tǒng)，工作頻率為58 kHz的無源硬標簽為對象，從合作廠家提供的待調(diào)頻“中榔頭”型硬標簽中抽取20對，放入圖1(b)底座中，設(shè)置壓磁調(diào)頻壓棒下移高速為20 mm/s，低速為5 mm/s。啟動控制系統(tǒng)，自動完成每個硬標簽插磁調(diào)頻過程。

插磁后斷開電容電感焊接引腳，用市售3060型掃頻儀檢測硬標簽諧振頻率。為說明本裝置的插磁性能，隨機抽取等數(shù)人工插磁的硬標簽的諧振頻率為對比(人工插磁采用骨架與磁棒是間隙配合通過膠水固定)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，調(diào)高信號源頻率至58.05 kHz再進行試驗，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)分析表 單位:kHzp

4.2 數(shù)據(jù)分析

據(jù)表1可知，兩次試驗雙路壓磁調(diào)頻機控制硬標簽諧振頻率的最大誤差分別為-66 Hz、69 Hz，控制精度比人工(人工控制最大誤差138 Hz)提高了一倍左右；人工插磁調(diào)頻方法極差范圍235 Hz，而機器僅為90 Hz左右，產(chǎn)品質(zhì)量的波動性也大為降低；對方差進一步分析，壓磁調(diào)頻機控制的硬標簽諧振頻率方差降低了一個數(shù)量級，僅為0.000 6、0.000 8，效果明顯。另外，進行了連續(xù)插磁200個試驗，諧振頻率誤差都在±75 Hz內(nèi)(剔除電容電感引腳焊接不合格品)，此設(shè)備對“中榔頭”插磁調(diào)頻的平均速度為2.14 s/個，是熟練人工效率的3倍左右。

5 結(jié)束語

針對目前無源電子硬標簽生產(chǎn)過程，傳統(tǒng)硬標簽諧振頻率檢測技術(shù)用于插磁調(diào)頻控制存在的不足，設(shè)計用于插磁調(diào)頻裝置的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括以MSP430F149處理器為核心控制電路及其配套控制策略組成。其核心是基于電容補償原理的單線圈敏感硬標簽諧振頻率傳感技術(shù)，采用了硬標簽調(diào)頻頻率值為發(fā)射信號頻率，以相位變化為控制系統(tǒng)提供反饋信號，采用相位差值反轉(zhuǎn)特性實現(xiàn)下壓高低速切換，相位極性反轉(zhuǎn)特性完成下壓控制的控制決策。

以生產(chǎn)58 kHz“中榔頭”型電子硬標簽進行測試，數(shù)據(jù)分析表明，當此套控制系統(tǒng)高速運行在20 mm/s，低速為5 mm/s時，硬標簽諧振頻率控制誤差在±75 Hz內(nèi)，方差為0.0006～0.0008，運行穩(wěn)定。本技術(shù)為機器下壓磁棒調(diào)頻提供了技術(shù)支持，下一步可針對不同類型的硬標簽試驗在合理控制精度前提下，匹配最快下壓速度，開發(fā)相應(yīng)的智能速度匹配程序；另一面可研制自動上料環(huán)節(jié)，研制全自動插磁調(diào)頻機，完全實現(xiàn)此工序的智能自動生產(chǎn)。