本發(fā)明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種惡劣工況下RFID天線阻抗自適應調節(jié)方法。

背景技術：

RFID(Radio Frequency Identification，無線射頻識別)是一種通過無線電訊號識別目標并讀取相關數(shù)據(jù)。一般的RFID系統(tǒng)包括RFID標簽和讀寫器，其中RFID標簽作為命令攜帶者，讀寫器作為命令讀取者。低頻RFID系統(tǒng)中讀寫器與標簽通過電磁感應進行能量與數(shù)據(jù)的傳遞，低頻RFID技術由于具有無線識別、防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、標簽信息更改自如、成本低等優(yōu)點，目前在石油開采、進出管理、工具識別、電子閉鎖防盜等領域應用廣泛，大大提高了工作的可靠性以及效率，不過RFID作為電磁場通信，其工作環(huán)境對RFID通訊會產(chǎn)生一定的影響，特別是在例如油井開采中金屬管道、飽和鹽水、泥漿、高溫等惡劣工況下，RFID天線阻抗將發(fā)生改變，導致射頻前端阻抗不匹配，對RFID通訊的影響更加巨大，大多情況會導致通訊失敗，因此復雜多變環(huán)境及惡劣工況對RFID通訊的魯棒性和環(huán)境不敏感性提出了挑戰(zhàn)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述存在的問題，提出一種惡劣工況下RFID天線阻抗自適應調節(jié)方法，針對不同的井下復雜環(huán)境及惡劣工況影響，自動調節(jié)射頻前端阻抗，使其達到諧振狀態(tài)，發(fā)射功率最大，保證RFID標簽讀寫成功。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種惡劣工況下RFID天線阻抗自適應調節(jié)方法，RFID讀寫器射頻前端包括RFID射頻芯片、天線電感L、電容C、電阻R，其中天線電感L、電容C、電阻R組成串聯(lián)RLC諧振電路，其特征在于，該方法包括如下步驟：

(1)輸入信號采集

采集RFID讀寫器射頻前端信號，將RFID射頻芯片發(fā)射的方波信號與天線端發(fā)射的正弦波信號作為輸入信號；

(2)相位差測量

將兩輸入信號進行調理后，測量出兩輸入信號間的相位差；

(3)相位差判斷

將測得的相位差與天線端達到諧振狀態(tài)時的理想相位差做比較，并將比較結果作為電容陣列補償大小的依據(jù)；

如果測得的相位差與理想相位差不符，則進入步驟(4)；

如果測得的相位差與理想相位差相符，則直接進入步驟(5)；

(4)電容補償

電容C包括可變電容C_變，通過可變電容C_變，的調節(jié)來補償惡劣工況造成的相位偏移，使測得的相位差與理想相位差相符，然后進入步驟(5)；

(5)讀寫標簽判斷

測得的相位差與理想相位差相符后，讀寫器讀寫RFID標簽，并將讀寫成功與否作為是否進行頻率補償?shù)囊罁?jù)；

如果讀寫RFID標簽失敗，則進入步驟(6)；

如果讀寫RFID標簽成功，則自適應調節(jié)過程結束；

(6)頻率補償

讀寫器讀寫RFID標簽失敗，進入頻率補償過程，射頻芯片的發(fā)射頻率以步驟(1)中的發(fā)射頻率為基礎進行調整，直到調整至標簽讀寫成功，自適應調節(jié)過程結束。

進一步地，步驟(2)中，調理過程是將天線端的正弦信號經(jīng)過過零比較器轉換成方波信號；

進一步地，所述步驟(2)中，相位差測量是將調理后的方波信號與射頻芯片發(fā)射的方波信號輸入FPGA中，先將兩信號進行異或處理，再通過FPGA高速時鐘計數(shù)來得到兩個方波信號的時間差ΔT，則兩信號相位差θ＝2πfΔT，其中f為射頻芯片發(fā)射頻率。

進一步地，所述步驟(3)中，

當測得的相位差在范圍內即判定為測得的相位差與理想相位差相符，其中R_總為諧振電路總阻抗，r為天線電感L的寄生電阻。

進一步地，步驟(4)中，電容C還包括基礎電容C₀；可變電容C_變為與基礎電容C₀并聯(lián)的電容陣列，該電容陣列包括多個并聯(lián)的固定電容以及與多個固定電容一一對應串聯(lián)的交流電子開關，C＝C₀+C_變；

步驟(4)中，F(xiàn)PGA根據(jù)步驟(3)的相位差比較結果來輸出開關控制信號，交流電子開關控制每一個固定電容是否接入電路，其阻抗調節(jié)過程如下，

FPGA每掃描一組固定電容組合，測得的相位差就變化一次，交流電子開關全部斷開時C變最小，交流電子開關全部接通時C變最大；如此從小到大改變C_變電容值，從而改變電容C的大小，直到測得的相位差與理想相位差相符。

進一步地，步驟(4)中，多個固定電容的容值各不相同。

進一步地，所述步驟(6)中，射頻芯片發(fā)射頻率自動以步驟(1)中的發(fā)射頻率為基礎進行變化，直至發(fā)射頻率等于射頻前端固有頻率。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得如下有益效果：

輸入信號采集主要采集RFID射頻芯片和天線端信號，對采集到的信號進行相位差測量，并對相位差是否滿足進行判斷，電容補償選擇出滿足相位差要求的電容，實現(xiàn)射頻前端天線阻抗匹配；在相位差滿足要求的情況下，讀寫標簽仍然失敗時，頻率補償通過改變射頻芯片發(fā)射頻率來實現(xiàn)射頻前端天線阻抗匹配。通過以上兩級自動調節(jié)機制，實現(xiàn)了惡劣工況下RFID天線的阻抗自適應調節(jié)，解決RFID通訊時高溫、高壓、泥漿介質、金屬環(huán)境等惡劣工況對RFID天線阻抗的影響，在提高RFID通訊可靠性進而提高RFID通訊效率方面具有重大意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的惡劣工況下RFID通訊自適應調節(jié)方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的RFID工作原理示意圖；

圖3為本發(fā)明的串聯(lián)RLC諧振電路原理示意圖；

圖4為本發(fā)明的相位測量原理圖；

圖5為本發(fā)明的電容陣列示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1是本發(fā)明總體的方法流程。在介紹本方法之前，首先對RFID工作原理及惡劣工況對讀寫器射頻前端影響、串聯(lián)RLC諧振電路進行簡單介紹。

參見圖2，RFID工作原理為讀寫器射頻前端與電子標簽射頻前端間通過電磁感應原理實現(xiàn)數(shù)據(jù)與能量的交換與傳遞。RFID讀寫器射頻前端包括射頻芯片、電阻R、電容C，天線電感L，其中天線電感L、電容C、電阻R組成串聯(lián)RLC諧振電路。

參見圖3，電路包括電阻R、電容C、電感L，

其中電容阻抗

電感阻抗為Z_L＝jωL+r，r為天線電感寄生電阻；

電路諧振理論固有頻率

在理論條件下，r＝0，串聯(lián)RLC電路諧振時，電路阻抗虛部為0，此時且電路中電流達到最大，電感L發(fā)射功率最大，因此，RFID通訊成功通常發(fā)生在諧振狀態(tài)下。

實際上，r是存在的，故實際中的理想相位差θ₀為當射頻前端串聯(lián)RLC電路諧振時：

其中u₁為天線端信號電壓，

u₂為射頻芯片發(fā)射信號電壓，

R_總為諧振電路總阻抗，

L為螺線管天線電感，

r為螺線管天線寄生電阻；

由于實際中r的值很小，當測得的相位差在范圍內天線即可發(fā)射足夠的功率使得讀取成功，故測得的相位差在此范圍內即可判定為測得的相位差與理想相位差相符。

由于天線電感L環(huán)境敏感性強，易受干擾，惡劣工況影響下，天線電感L會衰減從而引起天線阻抗發(fā)生改變，導致射頻前端阻抗不匹配，實際固有頻率相比于f₀發(fā)生偏移。而RFID射頻芯片的初始發(fā)射頻率f是依據(jù)f₀進行設置，故f₀發(fā)生偏移會使系統(tǒng)處于失諧狀態(tài)，天線發(fā)射功率降低，導致標簽讀寫失敗。

因此，要保證標簽正常讀寫，就需要動態(tài)調整補償射頻前端阻抗的變化，使RFID讀寫器射頻前端實時處于諧振狀態(tài)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，RFID讀寫器包括主控MCU芯片(未圖示)、RFID射頻芯片、螺線管天線；其中主控MCU芯片用于下達指令，調節(jié)RFID射頻芯片發(fā)射頻率f。

下面結合附圖1～4介紹本發(fā)明的具體方法及原理。

(1)輸入信號采集

采集RFID讀寫器射頻前端信號，采集RFID讀寫器射頻前端包括RFID射頻芯片和天線端，將RFID射頻芯片發(fā)射的方波信號與天線端發(fā)射的正弦波信號作為輸入信號；預估f₀在125k附近，故初始輸入時，MCU控制信號發(fā)射源的頻率在8MHz，經(jīng)過轉換后，RFID射頻芯片采用f＝125k低頻段。

(2)相位差測量

先采集RFID射頻芯片發(fā)射的125k方波信號以及天線電感端信號，對兩信號進行相位差測量，參見圖4所示的相位測量原理圖，主要包括兩輸入信號，過零比較器，外部輸入時鐘，F(xiàn)PGA內部倍頻、異或處理以及計數(shù)處理。

過零比較器將天線端輸入正弦信號轉化為方波信號，外部輸入時鐘經(jīng)FPGA內部倍頻后產(chǎn)生高頻時鐘；將調理后的方波信號與射頻芯片發(fā)射的方波信號輸入FPGA中，先將兩信號進行異或處理，再通過FPGA高速時鐘計數(shù)來得到兩個方波信號的時間差ΔT，則兩信號相位差θ＝2πfΔT，其中f為射頻芯片初始發(fā)射頻率。

(3)相位差判斷

將測得的相位差θ＝2πfΔT與天線端達到諧振狀態(tài)時的理想相位差θ₀

做比較，并將比較結果作為電容陣列補償大小的依據(jù)；

如果測得的相位差在范圍內，則進入步驟(4)；

如果測得的相位差不在范圍內，則直接進入步驟(5)。

(4)電容補償

電容C包括基礎電容C₀、可變電容C_變，可變電容C_變為與基礎電容C₀并聯(lián)的電容陣列，C＝C₀+C_變。該電容陣列包括7個并聯(lián)的固定電容C₁～C₇以及與C₁～C₇一一對應串聯(lián)的7個交流電子開關。

FPGA根據(jù)步驟(3)的相位差比較結果來輸出開關控制信號，交流電子開關控制每一個固定電容是否接入電路，其阻抗調節(jié)過程如下：

FPGA每掃描一組固定電容組合，測得的相位差就變化一次，交流電子開關全部斷開時C變最小，交流電子開關全部接通時C變最大；用0代表關，1代表開，C₁～C₇的電路接入狀態(tài)控制信號就可以用二進制指定集0000000～1111111來表達，共有2⁷＝128組值。如此從小到大進行掃描，改變C₁～C₇的組合方式，從而C_變電容值，進而改變電容C的大小，直到測得的相位差進入的范圍內，即與理想相位差θ₀相符。

本實施例中選取的7個特定的不同容值的固定電容C₁～C₇通過組合，使得電容C的容值能以大約50pF的分辨率離散可調，分辨間隔和范圍基本滿足補償因惡劣環(huán)境而產(chǎn)生的變化的要求。

(5)讀寫標簽判斷

測得的相位差θ與理想相位差θ₀相符后，讀寫器讀寫RFID標簽，并將讀寫成功與否作為是否進行頻率補償?shù)囊罁?jù)；

如果讀寫RFID標簽失敗，則進入步驟(6)；

如果讀寫RFID標簽成功，則自適應調節(jié)過程結束；

(6)頻率補償

由于相位差滿足即表明射頻前端此時固有頻率f₀接近射頻芯片發(fā)射的f＝125kHz信號，讀寫器讀寫RFID標簽失敗，說明受周圍惡劣環(huán)境影響，此時固有頻率f₀與f的差值已經(jīng)影響到了RFID標簽的正常讀寫，故需要頻率補償過程，調節(jié)f的大小以重新恢復f與f₀的對應關系。MCU控制信號發(fā)射源的頻率在8MHz頻率周圍以0.1MHz步進調整，從而使射頻芯片的發(fā)射頻率以步驟(1)中的f＝125k為基礎，在125k周圍進行步進精細調整，直到重新達到f＝f₀，標簽讀寫成功，此時自適應調節(jié)過程結束。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1.通過電容補償、頻率補償，兩級自動調節(jié)機制實現(xiàn)射頻前端天線阻抗匹配，保證天線電感實時處于最大諧振狀態(tài)，擁有最大發(fā)射功率，確保RFID標簽讀取成功率。實現(xiàn)了惡劣工況下RFID天線的阻抗自適應調節(jié)，解決RFID通訊時高溫、高壓、泥漿介質、金屬環(huán)境等惡劣工況對RFID天線阻抗的影響，在提高RFID通訊可靠性進而提高RFID通訊效率方面具有重大意義。

2.采用多個固定電容結合開關通斷進行組合，響應快速高效，易于控制，精確度高，并且固定電容受環(huán)境影響小，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。