基于MATLAB儀器控制工具箱的SAW標簽閱讀器系統設計

引言

聲表面波(SAW)是一種能量集中在固體淺表面傳播的彈性波。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。目前聲表面波器件主要應用在濾波器、延遲線(xiàn)、振蕩器、觸摸屏等方面，其中移動(dòng)通信中的濾波器應用最廣泛。基于聲表面波技術(shù)的傳感器也被較廣泛的研究。隨著(zhù)信息技術(shù)特別是射頻識別技術(shù)的發(fā)展，SAW標簽成為聲表面波領(lǐng)域的另一個(gè)研究熱點(diǎn)。SAW標簽的獨特性使其成為射頻識別領(lǐng)域的新生力軍。

SAW標簽系統

如圖1所示，SAW標簽系統包括閱讀器和射頻標簽兩部分。SAW標簽通常是一個(gè)單口器件，其包括標簽天線(xiàn)、叉指換能器、反射柵以及壓電基體。標簽天線(xiàn)與叉指換能器電氣連接，叉指換能器一方面把標簽天線(xiàn)接收的射頻信號轉換為聲波信號，并延基體表面傳播出去；一方面把接收到的延基體表面傳播的聲表面波信號轉換為射頻信號傳輸到標簽天線(xiàn)。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。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)現了SAW標簽的編碼?，F在可實(shí)現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標簽系統工作原理

SAW-RFID獨特的工作原理，使其與通用的基于IC技術(shù)的RF無(wú)源標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標簽是純無(wú)源標簽，多個(gè)目標標簽的辨識只能在閱讀器端解決。

SAW標簽閱讀器系統設計

在閱讀器的發(fā)射機發(fā)射查詢(xún)信號并在其接收機接收SAW標簽信號的過(guò)程中，不可避免地要受到各種噪聲的干擾而使信號發(fā)生一定程度的畸變，使得在閱讀器接收機端對回波信號的檢測發(fā)生困難。噪聲是限制檢測系統性能的決定性因素。SAW標簽信號檢測就是從噪聲中提取回波信號的過(guò)程。

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



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

根據以上分析，設計的SAW標簽閱讀器系統如圖3所示。主要分為射頻發(fā)射通道、射頻接收通道、數據采集/處理模塊以及天線(xiàn)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，而后經(jīng)射頻開(kāi)關(guān)調制，變?yōu)樯漕l脈沖信號，最后經(jīng)過(guò)帶通濾波和功率放大后經(jīng)天線(xiàn)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；在接收回波時(shí)，還會(huì )引起串擾。本系統中通過(guò)采用多個(gè)射頻開(kāi)關(guān)組合方式，使信號隔離度達到70dB。


圖2 回波信號的相位檢測系統框圖


圖3 閱讀器硬件原理框圖

標簽的回波信號通常非常微弱，為了提高信噪比，通常采用相位估計方法來(lái)檢測回波信號。在射頻接收通道，回波信號經(jīng)過(guò)低噪聲放大器、帶通濾波器、對數放大器、I/Q解調等部分，得到正交的I和Q兩項輸出信號。為了正確辨識標簽編碼，對輸出的I/Q兩路信號同時(shí)進(jìn)行模擬數字轉換。本系統中工作頻率為433MHz，射頻脈沖寬度為100ns~200ns，為了正確識別標簽編碼，需要不低于20MHz的采樣頻率來(lái)進(jìn)行A/D轉換。

MATLAB采集系統實(shí)現及試驗

由上文分析可知，要想正確識別SAW標簽的編碼，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)行多標簽的防沖突識別，需要的采樣頻率會(huì )更高。目前，國內超高速A/D采集系統應用相對較少、價(jià)格昂貴，而高速A/D采集電路設計復雜、開(kāi)發(fā)調試硬件周期長(cháng)?，F在使用的數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據傳輸協(xié)議。MATLAB作為一款科學(xué)計算軟件，在研究算法和數據處理中經(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)驗室研究階段對高速數據采集的要求。為了既節省時(shí)間及經(jīng)費，又能夠滿(mǎn)足系統實(shí)現信號采集和數據處理的要求，結合MATLAB軟件的儀器控制工具箱和數字示波器的高速采樣能力，快速搭建了一套穩定而準確的高速數據采集和數字處理系統。

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、函數發(fā)生器、分析儀器等。通過(guò)工具箱，可以在MATLAB下產(chǎn)生數據并發(fā)送到儀器，或從儀器讀取數據到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)議的具體內容。工具箱支持IVI、VXI和MATLAB儀器驅動(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，包括儀器驅動(dòng)程序、通信協(xié)議、圖形用戶(hù)接口(GUI)。儀器控制工具箱提供的TMTool圖形用戶(hù)接口不僅能夠連接儀器、接收/發(fā)送數據，而且可以自動(dòng)生產(chǎn)M代碼文件以加入編寫(xiě)的MATLAB程序中。

示波器與MATLAB軟件的連接

本系統采用了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)現多臺電腦都可訪(fǎng)問(wèn)示波器的功能。特別是在臨時(shí)現場(chǎng)操作時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和示波器的連接，避免了連線(xiàn)。MATLAB與示波器的連接具體包括示波器的參數設置、PC端參數設置和MATLAB軟件設置。

示波器參數設置主要是根據連接方式來(lái)設置對應的參數，比如采用網(wǎng)絡(luò )連接時(shí)，需要設置IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、DNS服務(wù)器等參數，其過(guò)程相當于PC端對網(wǎng)卡的設置。PC端主要是對網(wǎng)卡進(jìn)行對應的參數設置。以上兩項設置好后，就可以實(shí)現示波器和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容。而右側欄給出了三類(lèi)連接方式選擇：硬件接口、儀器對象和儀器驅動(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，可以對儀器進(jìn)行各項操作，包括控制示波器的顯示方式、顯示內容、觸發(fā)方式等，也可以采集所需的數據。在設置好與儀器通訊的各種命令后，通過(guò)自動(dòng)轉換就能夠把各種操作自動(dòng)轉換為.M文件，從而可以在編寫(xiě)的MATLAB程序中直接實(shí)時(shí)對外部?jì)x器進(jìn)行控制和數據采集。

試驗

在用TMTool工具與示波器連接并設置好對應的參數后，以下是本系統試驗中自動(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)現了實(shí)時(shí)自動(dòng)采集標簽回波信號數據，并進(jìn)行數據處理以識別標簽編碼。圖5是采用MATLAB編寫(xiě)的用戶(hù)程序界面，顯示了采集數據的曲線(xiàn)以及經(jīng)過(guò)信號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。


圖 5 SAW標簽軟件界面

圖6 SAW標簽系統樣機

結論

本文介紹了聲表面波射頻辨識標簽的工作原理，分析閱讀器的設計原理，并給出了基于時(shí)域采樣的閱讀器設計方法。針對系統需要高速A/D采樣的需求，利用MATLAB儀器控制工具箱實(shí)現示波器和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硬件開(kāi)發(fā)和調試，提高了研究效率。本系統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。