（信号与信息处理专业论文）基于labview与rfid技术的实验室信息管理系统.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕一 ：学位论文 基于l a b v i e w 与r f i d 技术的实验室信息管理系统 摘要 随着实验室规模的扩大，欧美等发达国家虽然早已推出实验室信息管理 系统( l i m s ，l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，但由于成本等 方面的原因，l i m s 并没有得到很好的普及，实验室信息的管理变得越来越 困难，如何研究有效的、低成本的实验室信息管理系统是本文研究的主要内 容。l i m s 作为智能管理实验室的重要平台，多年来得到管理行业的特别重 视，虽然有不少成熟的商业l i m s 推向市场，但对实验室仪器信息的实时管 理和监控还没有得到开发和应用。在这种背景下，把仪器实时监控和仪器信 息管理结合起来的思想油然而生。本文开发的系统不需要操作人员实时的查 看就可以实现信息的自动存取，并且可以降低数据操作的差错率，以达到自 动化管理的目的。 本文对国内外l i m s 的发展现状进行了对比研究，提出了符合目前 l i m s 发展状况的新型解决方案，对符合现阶段的l i m s 解决方案作出了研 究。文章首先对l i m s 的应用作出了阐述，研究了l i m s 的发展状况，给出 了基于l a b v i e w 和r f i d 技术的管理系统；其次，给出了阅读器的设计方 案和基于l a b v i e w 的上位机管理系统；最后，通过代码实现上位机功能及 其读写器的实现，介绍了读写器的电路和p c b 设计。 关键词管理系统；l a b v l e w ；r f i d 技术 哈尔滨理_ t 大学工学硕士学位论文 e q u i p m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n l a b v i e wa n dr f i d t e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h el a b o r a t o r ys c a l e ，e u r o p e ，a m e r i c aa n do t h e r d e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v ea l r e a d yl a u n c h e dla b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ( l i m s ) ，l i m si sn og o o dp o p u l a r i t yf o rt h ec o s ta n do t h e rr e a s o n s ，t h e m a n a g e m e n to fl a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ed i 伍c u l t h o wt o r e s e a r c he f f e c f i v ea n dl o w c o s tl a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi st h e p u r p o s eo ft h i ss t u d y a st h ei m p o r t a n tp l a t f o r mo fi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t l a b o r a t o r y , l i m sh a sb e e ng e t t i n gi m p o r t a n ta t t e n t i o nf r o mm a n a g e m e n ts e c t o r s n o wt h e r ea r eal o to fc o m m e r c i a lp r o d u c t s ，b u tl a b o r a t o r ye q u i p m e n tr e a l t i m e m a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n gh a v en o tb e e nd e v e l o p e da n da p p l i e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ei d e a so fi n s t r u m e n t sr e a l t i m e m o n i t o r i n ga n de q u i p m e n t i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tw e r ep r o p o s e d t h i ss y s t e md o e sn o tr e q u i r eo p e r a t o r s t or e a l - t i m eo p e r a t e ，a n dt h ei n f o r m a t i o nc a l l o p e r a t ea u t o m a t i c a l l y a n dt h e s y s t e mc a nr e d u c et h ee r r o rr a t eo fd a t am a n i p u l a t i o i tc a na ls oa c h i e v et h e p u r p o s eo fa u t o m a t i cm a n a g e m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c o m p a r a t i v es t u d yo f l i m sd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a dh a sb e e nd o n e a n di t p r o p o s e dn e w l i m ss o l u t i o nc o n s i s t e n t sw i t ht h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t e f i r s t l y , d e s c r i b e d t h e a p p l i c a t i o no fl i m sa n ds t u d i e dt h ed e v e l o p m e n to fl i m s i tp r o p o s e d m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o nl a b v i e wa n dr f i dt e c h n o l o g y s e c o n d l y , i t p r o p o s e dt h ed e s i g ns c h e m eo fr e a d e ra n dp cm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n l a b v i e w f i n a l l y , i tr e a l i z e dp cf u n c t i o na n dr e a d e rf u n c t i o nt h r o u g ht h ec o d e i ti n t r o d u c e dt h er e a d e rc i r c u i ta n dp c bd e s i g n k e y w o r d sm a n a g e m e n ts y s t e m ，l a b v i e w , r f i dt e c h n o l o g y l i 哈尔滨理t 人学工学硕f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的来源和研究意义 实验室信息管理系统( l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称 l i m s ) 涉及计算机网络、数据库存储技术等不同领域。一套优秀的l i m s 能 将原来需要手工的过程自动化，减轻人员的工作时间和工作量，具有便利的操 作。现代管理思想在实验室管理中的应用模式和实现这一应用模式的技术平台 是现代l i m s 开发技术研究的主要两个方面【1 2 1 。其作用主要包含提高信息收 集的可靠性，加强对复杂问题的分析处理能力以及合理分配实验室各类资源 等，这样就可以减轻人员操作的难度，也大大减少了信息存储的差错率。 到现在为止，由于商业l i m s 成本过高等原因，很多小型实验室并没有完 备的管理软件，许多重要的记录都是靠人工完成，特别是高校实验室，基本都 没有安装完整的l i m s 。这样就造成了实验室设备管理混乱，以及给仪器借出 收回等方面带来了很大不便。有部分大规模实验室和仪器场所使用了商业管理 系统，但由于管理系统应用场所的不同，对管理系统的要求也不同，在具体的 应用场合，虽然越来越多的商业软件被投入使用，但都不是太令人满意。随着 计算机技术以及网络技术的发展，开发商业软件所需的成本已经呈现大幅度下 降趋势，在l i m s 的开发方面，许多的商业软件公司可以针对不同的实验室情 况开发出相应的管理软件，这样就不会造成资源的浪费，但这样也给系统的可 扩展性带来了麻烦 3 - s 。在系统的管理模式上，目前的l i m s 主要还是以登记 仪器设备信息为主，并没有对实验室的仪器设备进行实时的监控，仪器转移场 所则需要手工输入或者条形码扫描往管理系统中输入仪器信息，这样就给仪器 的信息完整性造成了影响，特别是手工输入仪器信息，很容易在登记仪器信息 时出现漏单或者信息登记不完整，这样就加大了实验室管理的难度。 改善l i m s 的管理模式、提高实验室管理水平已经成为迫切的需要。在技 术上的完善也将是l i m s 近期研究的发展趋势【6 1 。例如，更灵活可靠地实现数 据收集与发送、与各种信息系统的连接方式、基于无线通信技术采集控制管 理、虚拟实验室以及开发与硬件设备相适应的软件等方面的研究都是今后 l i m s 发展的方向。本课题就是基于l i m s 的发展方向提出来的，综合现代实 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 验室信息管理技术、r f i d 技术、数据库存储技术以及l a b v i e w 等技术应用于 现代实验室信息管理系统的研究。 实验室信息管理系统不仅仅适用于公司、研究所、高校等实验室，也适用 于各种仪器仪表管理场所，可以管理复杂数据和分析管理的数据，实现数据的 直观化，也可以和多种模块实现连接，形成大型的信息管理系统。随着实验室 建设规模的扩大，在实验室的使用和管理中的矛盾已经越来越突出，实验室管 理的好坏直接关系到其它环节的正常运行【7 】。研究国际战略方向公司的最近一 项调查报告中显示，亚太地区的l i m s 使用率仅为1 3 ，大大的低于北美，整 体框图如图1 1 ： 图i - 1l i m s 的使用率 f i g 1 1t h eu s a g eo f l i m s 图中显示，北美l i m s 使用率达到5 2 ，西欧发达国家使用率为2 5 ，而 拉美的发展中国家l i m s 使用率仅为1 0 ，发达国家的的l i m s 使用率明显的 高于发展中国家，而亚太地区( 包括日本) 的使用率也明显偏低，重视对 l i m s 的研究将改善目前亚太地区所处的l i m s 使用率过低的局面，也具有重 要的战略意义。 1 2l i m s 技术的发展与现状 l i m s 产生于上世纪六十年代，直到七十年代初期实验室的信息管理依然 主要停留在手工记录阶段。随着计算机的技术的发展，l i m s 进入了商品化时 代，但是此时的计算机价格昂贵，计算机语言和网络技术并不发达，需要专业 的计算机技术人员才能编写和维护这样的信息管理系统8 1 。随着计算机技术和 哈尔滨理t 大学工学硕f ：学位论文 网络技术的进一步发展，l i m s 进入了功能完善时期，计算机的普及，技术人 员越来越多，编写功能完善的实验室信息管理系统变得容易，维护也不需要专 门的技术人员，这就大大降低了开发l i m s 所需的成本。1 9 9 5 的第四代l i m s 通过因特网将任何地方的信息数据和实验室连接起来进行管理，标志着基于计 算机网络技术的l i m s 发展成熟【9 1 。实验室信息管理系统是通过建立以管理系 统为中心，利用计算机网络技术将实验室设备信息合理管理的信息管理系统。 现代l i m s 必须达到自动运行、信息共享等功能，并能海量存储数据，运行于 互联网上，大大的减少了使用的成本。 国内在上世纪7 0 年代就已经提出了实验室信息管理系统的模式，但发展 速度比国外将近慢1 5 年，原因在于国内上世纪7 0 年代计算机技术水平太低， 硬件架构水平低，测试水平落后以及成本太高等原因，所以l i m s 的发展较为 缓慢，主要用在简单数据处理，在使用上并没有减轻手写记录的难度，也就没 有得到大规模的使用。： 我国最早的l i m s 系统是上世纪8 0 年代从国外引进来的，但由于国内计 算机应用不够广泛、管理模式落后等原因，引入的l i m s 功能并没有的到充分 的发挥。但是随着我国科技技术的发展，特别是网络技术等信息技术的高速发 展，国家也越来越重视加快信息化进程。在国内，也逐渐出现了l i m s 开发企 业，开发了不少优良的l i m s ，在与国际行列竞争的同时，也拥有不少的知识 产权，开发了不少商业l i m s ，例如泰立化公司开发的l i m s 和北京合世软件 开发的l i m s 都是成熟度高的商业产品，得到了国内许多用户的认可。 到目前为止，欧美等发达国家的l i m s 具有较高的研发技术，其主要生产 研发的公司推出的产品已经具有较高的成熟度【1 0 】，例如，被称为领导者和技术 先行者的美国s t a r l i m s 公司在全球l i m s 领域的研究成果已经深入人心。 国外的l i m s 技术主要基于网络、服务器、硬件平台的三层体系结构，硬件平 台主要为p c 机和小型机，主要在基于o d b c 和s q l 数据库在局域网模式下 运行 7 1 。目前国内的l i m s 主要侧重于工作的管理。国外的实验室管理内容模 式偏向于单一化，而国内的实验室管理总量大、内容复杂，大多偏向于现成人 员操作，例如，现在普遍适用的软件管理系统，需要人员操作电子扫描，这就 迫切的需要开发适合国情的l i m s 系统。目前国内也出现了不少的软件公司， 可以为不同的实验室量身开发相应的管理系统，但软件开发的理念和扩展性方 面都相对薄弱。 l i m s 在欧美等发达国家已经得到了普遍使用，有不少公司开发了成熟的 l i m s 商业产品，2 0 世纪9 0 年代，欧美在这方面的年产值已逾1 3 亿元，目前 一3 一 哈尔滨理t 人学下学硕二l 二学位论文 几乎以1 3 的速度增长。但是，多数l i m s 引进国内，由于不适合现场应用等 原因并没有得到很好的使用，这也促使国内不断的引进新技术，扩大研发规 模，不断推出新产品。 1 3 课题的主要研究内容 本论文沿着l i m s 的发展方向，综合现代计算机技术，数据库管理技术， 无线射频识别技术，把现代实验室管理思想应用于实际，设计了基于 l a b v i e w 和r f i d 技术的实验室信息管理系统，主要研究内容如下： 1 分析和设计基于l a b v i e w 的管理系统上位机。上位机采用l a b v i e w 编程，l a b v i e w 通过u s b 接口直接与c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机实现通信，直接控制 系统运行。 2 分析和设计基于核心芯片a s 3 9 9 2 的r f i d 读写器。r f i d 读写器采用 a s 3 9 9 2 为射频模块核心芯片，该芯片集成了大部分的射频模块，只需多 l - j n 巴 伦，低通滤波器，环行器以及少量电容电阻就可以搭建完整的电路，从而使 r f i d 读写器硬件电路板面积小。 3 根据i s 0 1 8 0 0 0 6 c 协议，编写底层程序实现系统的基本功能。 4 控制部分采用c 8 0 5 1 f 3 4 0 作为控制芯片，该芯片含有u s b 接口，可使 控制单片机直接与上位机程序直接通过u s b 实现通信，代码实现方便。 一4 一 哈尔滨理工人学t 学硕i ：学位论文 第2 章读写器的设计 2 1r f i d 技术的优势和通信协议 2 1 1r f i d 技术的优势 如今的超高频射频识别技术( u l t r ah i 曲f r e q u e n c yr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n 简称u h fi u i d ) 技术不仅支持更广泛的读取范围，而且也支持 更快的读取速度，对r f i d 技术的资金和技术投入正日益扩大，读写器和电子 标签的研究成本正在逐渐下降【j 。低频r f i d 产品已经得到了普遍的应用，在 零售商店，大型供应商，货物运输，门禁系统和高校食堂等地方已经得到了普 遍的使用，高频段、超高频和微波段的r f i d 技术应用也越来越广泛，物流、 远距离读写器、无线射频通信技术都是这方面研究的热点。随着射频识别技术 的发展，射频标签的制作成本逐渐降低，由于电子标签的不易修改、防摩擦等 方面的优势，很多用条形码的场合现在被低频电子标签取代，这样就提高了存 储数据的高效性、安全性。另外防伪技术也是r f i d 技术的巨大优势，而且防 伪制作成本低，很难伪造，有效的防止了伪劣产品的流通。 r f i d 技术带来了应用方面的诸多好处，应用上也越来越广泛，在欧美等 发达国家，很多的供应商在货物流通过程中应用r f i d 技术，以降低成本。为 了改善全球范围内货物供应链的管理，一些西方采购商希望在中国生产的货物 上尽快使用r f i d 技术【1 2 】，譬如，沃尔玛2 0 0 4 年就宣布它的1 0 0 多家生产商 在2 0 0 5 年生产的商品上贴有r f i d 电子标签，而沃尔玛7 0 以上的商品都由 中国生产，沃尔玛的这一决定对中国的r f i d 产品供应有较大影响。韩国、日 本也投入了大量的资金进行r f i d 技术的研究，很多的产品供应商甚至没有预 料到开发r f i d 产品会带来如此大的经济效益。现在，越来越多的公司在内部 产品生产线上使用了r f i d 技术，以跟踪成品和半成品的流通性。在医药生产 行业，r f i d 生产供应商也意识到了建立这样的生产监管医药流通管理链所带 来的巨大的经济效益，从原材料的采购到生产成成品，再到销售，一条龙式的 监管，保证了药品的安全性。新一代u h fr f i d 技术正从理论研究逐渐过度到 实际产品的开发，许多的射频芯片生产厂家正逐渐把中心转移到高频、超高频 以及微波集成芯片的研发1 1 3 t 。例如，s k y w o r k s 、m a c o m 、s i m e n s 等厂 一5 一 哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文 家均已推出了超高频射频电路部分集成芯片，超高频全集成功能的典型芯片有 r 1 0 0 0 ，w j 2 0 0 ，a s 3 9 9 2 ，s 3 c 4 r u i x 等，这些全集成芯片都支持i s o1 8 0 0 0 - 6 c 通信协议。大部分射频芯片生产厂家都提出了适合自己芯片的解决方案和 方案源程序代码，这为其他读写器和射频卡生产厂家大大缩短了研发的成本和 研发时间 1 4 l 。尽管市场上面有不少超高频集成射频识别芯片，但是，超高频段 无线射频识别技术仍然不是太成熟，每个厂家往往只在芯片的一个或者几个集 成方面有技术优势，有部分芯片生产厂家已经开始合作，把各自的技术优势合 并起来，研发出更适合的射频芯片，即把多个厂家的技术优势整合成一个更加 完整的解决方案。同时，r f i d 技术也被认为是本世纪最具有发展潜力的技术 专一【1 5 l 【一 o 2 1 2 典型的r f i d 系统设计 最基本的r f i d 系统由读写器、天线、电子标签构成，读写器是整个系统 的核心，负责发送和接收来自上位机的数据，并且和电子标签实现数据信号通 信【1 6 l 。天线在读写器和电子标签之间传递射频信号，标签主要由耦合器件及芯 片构成，标签内含有天线，用于发送和接收信号数据。读写器接收到上位机的 信号后，通过读写器上的天线发射一定的射频信号，该射频信号附带了调制信 号。当射频电子标签进入读写器射频能量工作范围内，电子标签天线感应到能 量，并且给电子标签内的芯片充电，芯片上电工作，接收天线接收到射频调制 信号，完成相应的工作，然后把需要发送的信号经过调制，以一定的频率返回 给读写器，读写器对接收到的信号进行解调，发送给控制芯片，再由控制芯片 返回给上位机 1 7 1 。读写器也可以简单的分为射频模块和控制模块构成，射频模 块处理射频相关信号数据，控制模块主要实现与上位机通信，并且控制射频模 块的运彳亍状况，基本框图如图2 1 。 该方案典型应用于射频识别系统中，控制电路主要作用在于传输信号给上 位机、接收来自上位机发来的指令以及控制射频收发电路的正常运行。数模转 换电路将从控制芯片中接收到的数字信号转换成模拟信号，模拟信号和本振信 号混频后经过功率放大器( p a ) 使功率信号放大后，再经过定向耦合器将放 大信号由天线发射出去。读写器发送数据时所使用的频率称为r f i d 系统的工 作频率，低频段被认为是3 0 m h z 以下的频段【1 8 i ，典型的低频段有：1 2 5 k i - - l z ， 1 3 4 2 k h z ，1 3 5 6 m h z 等，这种频段系统中电子标签的成本低，能保存的数据 少。阅读距离短，一般为几厘米。大于4 0 0 m h z 则称为高频，典型的高频有： 一6 一 哈尔滨理t 大学t 学硕1 j 学位论文 9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z 等，这些频段电子标签成本较高，读写器芯片成本高，标 签存储数据较多，阅读距离较远，有源电子标签的读取距离可以达到几十米， 无源电子标签的阅读距离也可以达到1 0 米左右。 图2 1 典型的r f i d 方案图 h g 2 1t h et y p i c a lr f i ds c h e m e ” 在本课题研究的实验室信息管理系统中，每张有效的射频电子标签都记录 了仪器设备的信息，每个仪器上都贴有电子标签，读写器可以读取电子标签的 信息，从而识别仪器设备信息，也可以识别读取范围内的电子标签从而监控仪 器是否在监控范围内。 2 1 3r f i d 系统的标准 r f i d 技术到目前为止全球也没有达到统一的标准，我国借鉴其它标准组 织制定的标准，充分考虑本国国情，制定了新的更加强调以应用为主的标准。 中日韩三国已经在日本成立了标准委员会，其目的并不是要三个国家达成统一 的标准，而是要共同探讨和解决不同标准所带来的问题。目前全球五大标准化 组织为：e p c g l o b a l ，u i d ，a i m g l o b a l ，i p x ，i s o l j 引。 e p c g l o b a l 是由e a n ( 国际物品编码协会) 和u c c ( 美国统一代码委员 会) 合作成立的一个合资公司，也是r f i d 标准中最强大的非营利组织，主要 负责e p c 全球化标准的制定和推广。技术框架是e p c g l o b a l 里面相关标准的核 心部分，包括软件、硬件、资料标准及核心服务等。有e p c g l o b a l 及其代表共 同经营运作，目的在于促进商业流通和应用的结合，达成有效的连贯性。 e p c g l o b a l 技术框架的主要受益者是其会员，包括终端用户和应用产品研发 一7 一 哈尔滨理工人学工学硕l j 学位论文 者，同时，核心服务的使用者和参与e p c g l o b a l 制定的国家组织也从中受益颇 多。用户采用e p c g l o b a l 标准和核心服务成为该标准商业运作的核心部分，而 产品提供者则协助用户使用e p c g l o b a l 标准和核心服务，e p c g l o b a l 会员之间 使用e p c g l o b a l 技术框架称为e p c 网络。技术框架按概念可以分为三层：识 别，获取和交换。 u i d ( 泛在识别中心) 2 0 0 3 年成立于日本，在r f i d 领域发布了相应的标 准，这个u i d 标准适合于日本本国的r f i d 技术，和欧美的标准存在较大兼容 性问题，例如：信息位数在u i d 标准中为1 2 8 位，在e p c 标准中仅为9 6 位， e p c 标准侧重于库存和物流，而u i d 侧重于信息通信。 a i m g ：l o b a l ( 全球自动识别技术协会) 到目前为止已经发布了十几种国际 标准码制，在全球4 3 个国家设有成员机构，具有近四十年的服务经验，是自 动识别和移动技术的权威组织，目的也是为了促进自动识别技术在世界的普及 和应用。 i p x 是以南美、澳大利亚、瑞士为中心国的标准组织，是第三世界标准化 组织，主要以非洲、大洋洲、亚洲等国家为中心，称为第三世界的一个国际标 准，虽然全球范围内，该组织标准并没有得到广泛的应用，但在市场上已经出 现了成熟的超高频且符合i p x 标准的r f i d 产品。 i s o 称为国际标准化组织，是一个全球性的非盈利的组织，也是国际标准 领域中的主要成员，在射频识别系统中，i s o18 0 0 0 系列标准已成为射频识别 技术中较为通用的国际标准，e p cg e n 2 标准已经申请加入这个系列而成为 i s o1 8 0 0 0 6 c 标准，i s o1 8 0 0 0 系列标准由6 部分构成，主要内容是定义空间 的接口参数。i s o1 8 0 0 0 1 定义了参考结构和标准化的参数的定义，i s o1 8 0 0 0 2 和i s o1 8 0 0 0 3 则定义了低频段空间接口参数，i s o1 8 0 0 0 4 定义了2 4 5 g h z 短程通信的接口参数，i s o1 8 0 0 0 6 定义了8 6 0 9 6 0 m h z 频段的接口参数，i s o 1 8 0 0 0 。7 定义了4 3 3 m h z 通信的参数。本系统中用到的标准为i s o1 8 0 0 0 6 c 标 准也称e p cg e n 2 标准。 2 1 4r f i d 中的防冲突问题 当标签被读写器发送来的s e l e c t 指令选中时，标签的选中状态标志位s l 置高2 们，否则为低，读写器发送q u e r y 指令中的s e l 参数允许读写器存储那 些被选中的标签。标签的状态可以分为：就绪状态，判断状态，应答状态，确 认状态，开状态，安全状态，灭活状态。 一8 一 哈尔滨理t 大学工学硕一l ：学位论文 2 2 读写器前端电路设计 2 2 1 射频前端电路构成方案 射频前端电路包括：射频发送电路和射频接收电路。发射电路包括：锁相 环电路( p l l ) 、d a 转换电路、射频带通滤波器、混频器、射频功率放大器、 环行器等。接收电路包括：低噪声放大器、射频带通滤波器、混频器等电路。 构成方案如图2 2 ： 砚硼器 图2 - 2 射频前端电路 f i g 2 - 2r fc i r c u i td i a g r a m 射频前端电路芯片使用奥地利微电子公司生产的芯片a s 3 9 9 2 ，该芯片只 需加少许外围电路就可以完成读写器的设计刘1 ，a s 3 9 9 2 是超高频模拟前端集 成芯片，可以构造符合i s o1 8 0 0 0 6 b 6 c 标准的的读写器系统，内部集成了多 个可编程器件，适合应用于超高频读写系统。该芯片具有如下特点： 1 完全支持i s o18 0 0 0 6 c 标准，并且完全兼容i s o18 0 0 0 - 6 b 标准； 2 接收灵敏度为8 6 d b m ； 3 片上预失真处理功能，可以改善外接p a 的功率； 4 集成了c r c 校验； 5 可以直接用u s b 提供9 1 - 5 5 v 电源； 6 通过2 4 字节f i f o 使用并口或者串口和m c u 通信； 7 内部集成了一个2 0 d b m 的功率放大器( p a ) ； 8 含有休眠，监听，收发三种工作模式； 一9 一 哈尔滨理t 大学工学硕一i ：学位论文 9 板载v c o 和p l l ，频率覆盖8 4 0 - - - 9 6 0 m h z ； 基于核心芯片a s 3 9 9 2 的读写器方案如图2 3 ： r 一 图2 3 读写器方案 f i g 2 - 3r e a d i n ga n dw r i t i n gi m p l e m e n ts c h e m e 该方案支持i s o18 0 0 0 6 c 和e p cg e n 2 标准，目的在于开发适合小型化和 便携式的读写器系统，以应用于实验室信息管理系统1 2 2 。a s 3 9 9 2 在超高频读 写器的应用设计中逐渐得到大家的认可，该系统具有如下特点： 1 可读写超高频r f i d 标签； 2 通过u s b 接口和主机相连实现通信； 3 低成本8 位单片机控制； 4 采用c 语言编程，方便程序移植于不同单片机； 5 上位机采用l a b v i e w 编写； 6 标准的u s b 接口只需提供3 0 0 m a 电流； 7 u s b 接口提供读写器整个电源； 2 2 2 射频发射电路设计 射频发射电路的设计是读写器电路设计的关键，主要包含以下几个部分： 1 锁相环电路设计锁相环的主要作用是实现外部输入信号与内部振荡信号 的同步，是频率和相位的自动转换装置【2 ，主要由压控振荡器( v c o ) ，预标 定器，分频器，鉴相器，电荷泵，环路滤波器等部分组成，压控振荡器主要由 环路滤波器和电荷泵组成。在射频芯片a s 3 9 9 2 内部，已经集成了分频器，鉴 哈尔滨理r 丁大学t 学硕r 学位论文 相器，以及电荷泵等电路，也可以采用外接v c o ，在这里采用内部集成的 v c o ，只需单独加一个环路滤波器把引脚c p 信号输入给v c o 引脚即可口4 1 。 为了设计合适的环路滤波器，在a d s 中对p l l 进行设计与仿真【2 5 1 ，取 v c o 的频率范围为9 0 2 9 2 8 m h z ，压控增益为2 0 m h z v ，参考频率为 1 0 m h z ，频率间隔取2 0 0 k h z ，在a d s 中仿真原理见附录1 。仿真包括三个交 流仿真，三个优化目标，一个参数设置区。经过a d s 优化仿真后得出的结果 如图2 4 ： c 絮 雾 s y n t h e s i z e rf r e q u e n c yr e s p o n s ew i t hac h a r g ep u m pd e t e c t o ra n dap a s s i v e4p o l e 0 6 0伯( 1 0t 0 0 0 0 k1 0 0 0 k1 0 0 o k1 o m1 0 _ q i t l k o 菱 0 啪l a dc l o u dl o o pp h a s er e s p o n s e s + | l ：- i ：、! i ； ；引i ，i 、；。 ：；| ：2 ： 。“、 ：2 械 ；“： 1 o t 0 t 0 0 0t + 0 0 0 k1 0 o o kt o o o k 0 0 0 mt 0 n q h z g a nfrequency g q a l r = ! = _ = _ i = = ，1 “- - n 删p | 蚺e 可种g d _ - 一m a c i a u m p h a = eu 誉曲g e a 1 2 5 0 1 巴翌口e 蜀口 图2 4p l l 仿真结果 f i g 2 - 4p l l s i m u l a t i o nr e s u l t s 环路滤波器采用三阶无源低通滤波器1 2 6 1 ，下面介绍本方案设计中三阶无 源低通滤波器的设计与仿真。 滤波器设计中的主要参数： 纹波系数：纹波系数是定义通带内信号的平坦度，即响应幅度的峰值与谷 值之差，比上中心频率。 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 带宽：定义为通带内下降3 d b 的上边带和下边带之间的差值，称为带宽。 用公式表示带宽 b w = 以拈一矗衄 ( 2 一1 ) 插入损耗：定义为引入滤波器在通带内带来的功率损耗，表示为 岛= 1 0 1 0 9 一1 0 l o g ( 1 - n 2 ) ( 2 - 2 ) i t o u t 式中，岛代表插入损耗，民为滤波器的输入功率，为滤波器的输出功率， n 为反射系数。 回波损耗：定义为 局损= 等擀 ( 2 - 3 ) 带内驻波比( v s w r ) ：用来衡量通带内传输信号的匹配程度，一般要求 v s w r 的值小于1 5 ，定义为 v s w r ：丝 ( 2 4 ) 1 一三 式中三表示反射系数的模。 阻带抑制：在实际应用中，滤波器无法做到无穷衰减，所以阻带抑制定义 滤波器的6 0 d b 带宽做为阻带抑制设计点。 品质因素q ：定义为平均储能和平均耗能之比，用来描述滤波器的频选特 性的重要参数，定义式为 q = w pq3(2-5) 见表示平均储能，乌表示为一个周期内的平均耗能。 根据主芯片a s 3 9 9 2 的特性，取中心频率为9 1 5 m h z ，v c o 的压控增益值 为2 0 m h z v ，参考频率为5 0 k h z ；电荷泵的输出电流为1 2 m a ，典型的三阶 无源低通滤波器a d i s i m p l l3 3 0 ( a d i 公司p l l 仿真软件) 仿真电路i 2 7 1 如图 2 5 。 仿真电路中采用a d f 4 1 0 6 作为电荷泵输入信号1 2 8 - 3 0 1 ，采用外接压控振荡 器做为芯片的接入信号，仿真电路低通滤波器的值即为实际的电路原件值1 。 锁相环仿真延时如下图，图2 - 6 中可以看出锁定时间约为1 2 2 u s 。 2 晶振电路射频系统的稳定性考虑，要求该系统晶振的精度高于 1 0 p p m ，大部分普通的石英晶体不能达到这个精度，所以采用温度补偿电路 哈尔滨理t 人学工学硕f ：学位论文 t c x o 作为电路的振荡频率，t c x o 即温度补偿石英晶体振荡器，可以持续的 提供更好的振荡频率3 2 3 3 1 ，此系统采用温度补偿电路c f p t 1 2 6 作为振荡器， c f p t 1 2 6 的精度为士1 0 p p m 。 n o t _ a d 9 4 1 盼 v p ；- t h 毒c h _ p p 埘坤p _ 鬟庠i y ：v o ；v 鲥 3 ，c em 佩hh o h t o p 嘲 t s s o p 西n o 血啊猢 曩c o r 惜u l tn 话n 咖寸埘量 d 由 h tf o rm id 蠢恤i h l 图2 - 5 三阶低通滤波器仿真 f i g 2 - 5t h i r d - o r d e rl o w - p a s sf i l t e rs i m u l a t i o n 、，f r e q u e n c y 垤f 1 3 u st i m e ：m ， - 。、j j i 一e = 1 2 2 ou5c-!：-mh z = 9 15 0 4 - 5 j i f 时间( 哂 图2 - 6 锁相环延时仿真 f i g 2 6p i it i m e l a p s es i m u l a t i o n 一1 3 一 仝=口jj o o 哈尔滨理t 大学工学硕l ：学位论文 使用t c x o 的最大优点是能提供更稳定的振荡频率，但是其最大的缺点 在于价格较高，并随着精度的增加价格逐渐增加，这就提高了系统的开发成 本，根据设计经验，有些射频识别系统中，并没有采用温补晶体振荡器，而是 采用普通的常见发石英晶体，主要也是针对那些应用不太严格的场合，这样就 降低了系统的成本【3 6 1 ，本系统为了保证系统的稳定性，系统中采用t c x o 作为晶振，电路如图2 7 ： 图2 - 7 温补电路 f i g 2 - 7t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t ec i r c u i t 3 超高频发送和接收电路从a s 3 9 9 2 的r f o u t n 和r f o u t p 弓i 脚输出的功率为 2 0 d b m 的差分信号，由巴伦( 平衡月e 平衡转换器) 把差分信号转换成单端输出 信号，低通滤波器l f c n1 0 0 0 用来滤除二次和高次谐波，可以选用高通滤波器 h f c n1 3 2 0 来削弱二次谐波，总体电路如图2 8 。 4 控制电路设计单片机控制电路采用c 8 0 5 1 f 3 4 0 作为核心控制芯片，外围 有复位电路，u s b 接口电路以及电源电路，通过i o 口控$ 1 j a s 3 9 9 2 的工作方式 3 7 , 3 8 1 。c 8 0 51f 3 4 0 具有以下特点： 1 内含高速8 0 5 1 控制内核； 2 片内6 4 k bf l a s h 存储器； 3 外围具有4 0 个i o 端口； 4 内部含有一个精准的1 2 m 晶振； 5 含有u s b 功能控制器和1 kf i f or a m ； 电路控制部分框图如图2 9 。 单片机与a s 3 9 9 2 接口电路如图2 1 0 。 哈尔滨理- t 人学工学硕l ：学位论文 5 系统p c b 实现与天线的选取随着无线通信需求的增长，射频电路板p c b 的设计越来越受到人们的关注，也一直成为开发人员难以掌握的部分，射频电 路p c b 的设计在理论上还有许多的不确定性，在p c b 设计时，需要考虑诸多方 面的因素，也有许多布线法则需要遵循，重要的射频电路布线因素包括：阻抗 和阻抗匹配，绝缘层材料，波长和谐波等。过孔、分层、金属屏蔽、去耦电路 等也是布线需要考虑的重要方面。 图2 - 8 发送和接收电路 f i g 2 8s e n d i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i t 复位o ，以 一卜 a s 3 9 9 2c 8 0 5 1 f 3 4 0 厂 电源o 图2 - 9 单片机控制电路框图 f i g 2 - 9s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lc i r c u i td i a g r a m 哈尔滨理丁大学t 学硕 ：学位论文 图2 1 0 单片机控制电路 f i g 2 10s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lc i r c u i t 在电路p c b 的设计中，放置过孔是避免交叉走线的方法，同时，不同性质。 的电路相连，必须放置过孔使其分离，为了避免产生过大的电磁干扰，需要放 置微过孔，孔径为5 m i l 2 0 m i l ，过细的过孔在p c b 板制作的时候会增加成本， 通常通孔孔径采用1 2 m i l 左右，在布线时通常把功率放大器p a 和低噪声放大器 l a n 隔离，尽量使用双层原件布线，地线尽量放在双层板的底面，射频元件走 线放在顶层，双层走线尽可能的交叉，以减少路径电感。由于射频芯片对电源 的噪声往往都比较敏感，所以在电源端需加去耦电容，以滤除电源噪声。在 a l t i u md e s i g n e rw i n t e r0 9 中制作的完整电路原理图见附录2 ，电路p c b 项层板 如图2 1 1 ： 哈尔滨理t 大学t 学顾士学位论文 底板p c b ! t l j 图2 12 ： 图2 11p c b 顶层图 f i g 2 11p c bt o pg r a p h 图2 1 2 底层p c b 图 f i g 2 12b o t t o mp c bf i g u r e 本系统采用收发天线共用，天线主要用于阅读器中进行能量转换，天线的 发射功能将高频电流转化为空间辐射的电磁波向外发散，接收功能将电磁波携 1 7 一 哈尔滨理f t 人学丁学硕f ：学位论文 带的能量转化为高频电流，中心频率为9 1 5 m h z ，对于系统的特点，要求天线 具有体积小，重量轻等优点。 本系统采用陶瓷天线，陶瓷天线的距离可以达到3 m ，为室内使用的工业 级产品，采用陶瓷外壳，具有抗干扰和防水防尘等优点。频率范围为 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，增益为2 5 d b i 输入阻抗为5 0 欧姆。射频陶瓷天线的特征包 括全向辐射、具有良好的增益、灵敏度高、具有良好的温度稳定性等优点。 2 3 读写器的软件设计 2 3 1 控制电路程序设计 单片机首先进行上电复位，然后进行系统配置和初始化单片机的定时器和 外部中断等部分，初始化完成后，等待串口中断命令，当接收到上位机发送的 串口中断后，进行防冲突操作，完成防冲突后，选定唯一的电子标签进行读 写，把读取的数据返回给上位机 3 8 , 3 9 】。程序流程图如图2 1 3 - 图2 1 3 控制电路程序设计流程 f i g