一種基于SAW的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)

http://www.ex-cimer.com/article/201612/333185.htm

聲表面波（Surface Acoustic Wave）技術(shù)是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合而形成的一門(mén)新興邊緣學(xué)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(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以在雷達(dá)、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(lái)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(gè)熱點(diǎn)。

無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)可廣泛用于電子門(mén)鎖、各種庫(kù)門(mén)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(diǎn)，因此非常適用于自動(dòng)路橋或停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)、路標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)、鐵路車(chē)輛車(chē)號(hào)識(shí)別以及列車(chē)準(zhǔn)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(wú)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(jì)的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)同型號(hào)的標(biāo)簽傳感器的不同體編碼進(jìn)行了驗(yàn)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(lèi)[2]，其中利用各種薄膜技術(shù)的諧振型傳感器主要用來(lái)制作化學(xué)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(cè)。

聲表面波傳感器的工作頻率通常為數(shù)十MHz，甚至高達(dá)1～2GHz，由于其本身具有高頻率信號(hào)輸出和低功耗等特點(diǎn)，因而非常適合于遙測(cè)信號(hào)的傳感和傳感器無(wú)源化的實(shí)現(xiàn)[2]。人們?cè)趲啄昵伴_(kāi)始研究利用聲表面波無(wú)源器件進(jìn)行遙測(cè)，并采用時(shí)間延遲方式研制出了時(shí)延式聲表面波遙測(cè)系統(tǒng)。但相對(duì)于頻率量來(lái)說(shuō)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量不很方便，且測(cè)量精度不高，同時(shí)，遙測(cè)系統(tǒng)與無(wú)源傳感器之間的距離對(duì)信號(hào)的延遲也有較大影響。本文所研究的無(wú)線標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)雖然也同樣采用了類(lèi)似延遲線型的標(biāo)簽傳感器的遙測(cè)，但由于系統(tǒng)是對(duì)標(biāo)簽傳感器的條形碼式反射信號(hào)進(jìn)行判斷，因而從原理上消除了對(duì)延遲時(shí)間的高精度測(cè)量要求和遙測(cè)距離對(duì)結(jié)果的影響等缺點(diǎn)。

聲表面波傳感器構(gòu)成的標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)主要由一個(gè)聲表面波傳感器標(biāo)簽、一個(gè)帶主動(dòng)式天線的射頻信號(hào)收發(fā)單元和一個(gè)信號(hào)處理單元組成。信號(hào)收發(fā)單元主要用于高頻激勵(lì)的發(fā)送和標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)的讀取，信號(hào)處理單元?jiǎng)t主要用于翻譯標(biāo)簽代碼并組成向計(jì)算機(jī)傳輸?shù)男畔ⅲ▍⒁?jiàn)圖1）。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(hào)，聲表面波傳感器標(biāo)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(guò)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(lái)，以得到一系列編碼的高頻回波信號(hào)（見(jiàn)圖2）。從而代表了不同的目標(biāo)。

聲表面波標(biāo)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(biāo)簽條，則回波信號(hào)可得到2 32個(gè)狀態(tài)，這些狀態(tài)分別表示不同編號(hào)的車(chē)輛、集裝箱、工件、人或動(dòng)物等目標(biāo)以供識(shí)別。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 標(biāo)簽傳感器

無(wú)線標(biāo)簽系統(tǒng)的核心是聲表面波標(biāo)簽識(shí)別傳感器。該標(biāo)簽識(shí)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(lái)設(shè)計(jì)叉指換能器的指寬、指間和指對(duì)數(shù)等參數(shù)。在設(shè)計(jì)反射極電路時(shí)，主要應(yīng)考慮反射效率、躲避激勵(lì)信號(hào)所引起的體波噪聲對(duì)反射信號(hào)的影響并應(yīng)有效避免三次及多次回波對(duì)編碼信號(hào)的影響。

當(dāng)反射極電路處于開(kāi)路或?yàn)楦行载?fù)載時(shí)，反射極電路將對(duì)來(lái)自于叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波進(jìn)行反射，而當(dāng)相當(dāng)反射極電路短路或?yàn)槿菪载?fù)載時(shí)，反射極電路對(duì)聲表面波的反射能力顯著下降。這時(shí)可以通過(guò)改變反射極電路的狀態(tài)來(lái)達(dá)到對(duì)反射極的體外編碼的目的。

2.2 信號(hào)收/發(fā)及處理

標(biāo)簽傳感器由一個(gè)短暫的高頻脈沖（這時(shí)用270MHz）來(lái)激勵(lì)，一旦激勵(lì)去除，它即以相同的頻率反射同一個(gè)阻尼衰減的正弦振蕩。其回波由相應(yīng)的接收電路檢測(cè)、解調(diào)和輸出。高頻信號(hào)的收/發(fā)及處理電路采用類(lèi)似于無(wú)線系統(tǒng)的高頻信號(hào)處理電路，具體框圖見(jiàn)圖4。高頻激勵(lì)信號(hào)的發(fā)送和傳感器回波信號(hào)的接收均由非接觸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考中國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)對(duì)無(wú)繩電話要販發(fā)射功率的限制，其允許的信號(hào)發(fā)射功率為20nW，在聲表面波工作頻率為270MHz時(shí)，有效遙測(cè)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(fù)1度。

高頻激勵(lì)脈沖以100kHz的頻率周期性地進(jìn)行發(fā)/收轉(zhuǎn)換，因此每秒鐘可完成多達(dá)10 5次測(cè)量。一個(gè)周期（約為1ms）內(nèi)發(fā)送時(shí)間約為100ns，其余時(shí)間為接收時(shí)間，在發(fā)送期間，大約可傳輸120個(gè)波長(zhǎng)的正弦波。

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

式中：

ω表示激勵(lì)脈沖信號(hào)的角頻率；

表示激勵(lì)信號(hào)與回波信號(hào)間的相位差；

式（1）和（2）分別代表回波信號(hào)的同相分量I和正交分量Q，兩信號(hào)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(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，解得的相位差為：

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

回波信號(hào)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(gè)信號(hào)時(shí)域響應(yīng)的離散數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析即可得出標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)的編碼。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

標(biāo)簽傳感器件基底采用機(jī)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(biāo)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(jìn)行編碼。

實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)簽傳感器設(shè)計(jì)四個(gè)反射條電路，并對(duì)標(biāo)簽傳感器外編碼為1011的反射響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shí)編碼為0和1的反射響應(yīng)幅度之差約十幾個(gè)分貝，通過(guò)信號(hào)處理電路可以有效地對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行處理和分辨。實(shí)驗(yàn)表明：標(biāo)簽體外編碼基本上符合目標(biāo)識(shí)別的要求，能達(dá)到對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽的有效識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

聲表面波識(shí)別技術(shù)是一種新興的技術(shù)，在用于不停車(chē)車(chē)輛自動(dòng)收費(fèi)自動(dòng)識(shí)別方面（AVI），它具有低能耗、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、快速數(shù)據(jù)讀取及傳輸處理和低價(jià)格、小體積等優(yōu)點(diǎn)，而且具有極強(qiáng)的實(shí)用性。

體外編碼的標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)避免了不同目標(biāo)需要設(shè)計(jì)不同的聲表面波傳感器反射極的問(wèn)題，從而為該系統(tǒng)的鋪平了道路。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)中采用的只是四位編碼，實(shí)際上，在同樣的聲表面波信號(hào)傳輸效率下可采用相關(guān)技術(shù)來(lái)增加反射極，以使其擴(kuò)展到八位或十六位編碼。

當(dāng)然，為了進(jìn)一步有效地?cái)U(kuò)展編碼位數(shù)，還需對(duì)聲表面波信號(hào)的傳輸效率、反射電路的設(shè)計(jì)以及信號(hào)數(shù)據(jù)的處理技術(shù)等方面進(jìn)行深入的探討。同時(shí)，系統(tǒng)在如何避免統(tǒng)一型號(hào)的多個(gè)目標(biāo)同時(shí)出現(xiàn)在有效識(shí)別范圍內(nèi)所引起的識(shí)別混亂，以及遙測(cè)距離對(duì)回波幅值的影響等方面有待于進(jìn)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(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中可靠性的提高，應(yīng)用聲表面波技術(shù)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和定位系統(tǒng)必將具有廣闊的發(fā)展前景。