李寿强

（成都工业学院，四川 成都 610081）

0 引 言

电子标签主要利用射频识别技术以及无线电通信技术，对特定的目标进行识别或者读取特定目标内部存储的信息[1]，因此又称为射频识别技术（radio frequency identification，RFID）。射频识别系统的主要结构分为标签、读写器以及天线。其中，标签部分主要是由耦合元件即芯片组成，在每一个标签的内部都配有与其相对应的电子编码，而且这种编码具有唯一性，编码本身承载着与目标物有关的数据信息；读写器的作用则是对电子编码进行有效识别；天线是连接标签和读取器的主要桥梁，主要起到传递无线射频信号的作用[2]。电子标签的工作原理如图1所示。

图1 电子标签工作原理图

从图1可以看出，通过无线电射频信号对目标以及对象进行自动识别然后获取相关数据，操作方便快捷，应用前景广泛，目前在产品质量监测、仓库管理、供应链自动管理、防伪识别、医疗以及自动化生产等多个领域都涉及到电子标签技术的应用。伴随着微电子技术、集成电路以及计算机技术的不断发展，RFID芯片技术也日趋成熟，这使得嵌入式电子标签在功能、可靠性、体积以及成本上都有了更加明显的优越性。目前，嵌入式电子标签质量监测技术逐渐被广泛应用在工业自动化领域，尤其是在生产制造和装配领域，可以利用嵌入式电子标签实现自动化生产线的可视化管理以及生产过程的控制[3]。

1 电子标签质量监测原理

要对电子标签进行质量监测，主要涉及到嵌入式系统技术、扫频技术、微波技术、电磁技术以及通信技术等。根据电子标签的实现原理，其内部主要有一个LC闭合回路，通过监测该LC闭合回路固有的谐振频率可以判断标签是否存在。由此可见，电子标签的固有谐振频率是衡量电子标签质量的主要参数。现阶段电子标签常用的频段[4]如表1所示。

表1 电子标签常用的频段

嵌入式电子标签质量监测技术，主要利用电子标签的互感效应来实现其固有谐振频率参数的测量。首先，信号发生电路生成特定频率的射频信号，通过检测天线和待测标签产生互感效应。然后，通过分析检测环路的电压，来确定待测标签的质量参数。在实际应用中，读写器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入该电磁场时会产生感应电流，从而获得能量，并且向读写器发送出自身编码信息；经过读写器采集、解码后将数据信息传输到计算机进行分析和处理[5]。

利用上述原理，在实际生产过程中，当产品在生产流水线上移动到工位后，工人取下该产品并进行零配件的组装，在这个过程中每个产品都加上RFID标签；等待该工位的工人装配完后再把产品放回流水线，进行下一道工序，因此，带有RFID标签的产品在流水线上运转的过程中，先后通过系统固定的多个RFID读写器，读写器获取产品标签上的信息，然后将其传输到中央控制系统；最后，操作人员通过系统显示的数据，可以判断产品在生产流水线运转的状况，以及产品的制造情况。

2 嵌入式电子标签质量监测技术

2.1 硬件设计

嵌入式电子标签质量监测的实现方式有多种，例如：单片机方式、DSP方式、ARM方式、FPGA方式等。根据电子标签质量监测原理，综合比较这些实现方式的特点，本系统采用ARM嵌入式计算机系统的实现方式。ARM嵌入式计算机系统需要对无线射频信号进行快速地扫频处理，并进行准确地采样，而且在射频识别的过程中能够保持较好的频率分辨率。

系统的硬件结构主要包括检测天线、功能模块以及嵌入式处理模块3大部分，其中功能模块又主要分为信号发生模块、信号采集模块、数据缓冲模块、人机接口模块、以太网通信模块等。系统硬件模块的框图如图2所示。在嵌入式电子标签质量监测系统中，信号发生、采集以及嵌入式处理是决定系统灵敏度以及监测精确性的核心环节。下面主要对嵌入式电子标签质量监测系统的信号发生模块、信号采集模块以及嵌入式处理模块进行重点分析。

图2 系统硬件框图

2.1.1 信号发生模块

在嵌入式电子标签质量监测系统中，信号发生模块主要起到信号发生源的功能，可以产生较高频率精度和分辨率的无线射频信号[6]。根据系统的设计要求，信号发生模块产生无线射频信号的分辨率最低限应该达到200Hz。目前频率信号合成技术主要有模拟锁相环（phase locked loop，PLL）的方式和直接数字频率合成（direct digital frequency synthesis，DDS）的方式。由于DDS方式输出信号的频率分辨率、输出频点数量、频率切换时间和输出相位的连续性等方面都明显优于PLL锁相环的方式；因此，嵌入式电子标签质量监测系统采用DDS方式，进行信号发生模块的设计。

DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。给定参考时钟频率后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。目前，主流的DDS产品有Qualcomm公司的Q2334、Q2368；AD公司的AD7008、AD9850、AD9851等。本系统采用AD公司的AD9851进行设计，该DDS芯片有32位频率控制字，在180MHz时钟下，输出频率分辨率达0.0372Hz，满足系统设计的要求。

2.1.2 信号采集模块

在嵌入式电子标签质量监测系统中，信号采集模块的主要任务是对无线射频信号进行准确、可靠地采集。根据系统的设计要求，信号采集模块应该能够准确采集到频率范围达到14 MHz的无线射频信号。根据信号采样定律的有关理论，采样信号的频率至少应该达到28MHz。为了协调高速的采样数据和嵌入式处理器之间处理速度不一致的问题，本系统采用高速ADC转换器配合高速FIFO芯片的数据缓冲结构，可以让ARM嵌入式处理器有效而完整地接收外部高速的突发数据，避免了采样数据的丢失。

根据上述分析，嵌入式电子标签质量监测系统选用美国ADI公司的高速模/数转换器AD10242，其采样速度可达40 MHz/s，是一种高速、高性能、低功耗的模/数转换器，能够满足设计的要求。高速ADC进行信号采集的整个工作过程，均由嵌入式处理器ARM来控制。

2.1.3 嵌入式处理模块

在嵌入式电子标签质量监测系统中，嵌入式处理模块主要是对采集到的信号进行分析、处理，以及控制信号采样的工作流程。结合控制FIFO芯片的写使能和输入使能，嵌入式电子标签质量监测系统首先进行采样数据的缓存，然后微处理器从FIFO芯片读取采样数据，最后当微处理器成功读取到某一固定长度的数据信息，表示嵌入式电子标签质量监测系统射频信号采样过程结束。ADC采集完一次数据后，ARM处理器再进行数据的分析、处理，以及把数据通过以太网上传到上位机显示和存储。

2.2 软件设计

由于嵌入式电子标签质量监测的实现需要和生产流水线进行配合工作，从而实现产品的快速、准确、自动的监测。为保证嵌入式电子标签质量监测系统能够有效地响应电子标签发射的无线射频信号，并且监测各执行机构进行有效的控制，就需要通过软件系统的设计来实现[7]。嵌入式电子标签质量监测的软件部分，主要包含初始化模块、主任务模块、以太网通信模块等功能模块。

在嵌入式电子标签质量监测系统中，不仅要完成信号采样和数据处理，还需要实现检测结果的保存、键盘显示的控制，以及以太网通信等处理。在系统中，若采用传统的前后台方式，不仅难以保证系统的实时性要求，而且系统软件结构复杂，不便于今后进行系统的升级和维护；因此，本系统软件采用具备较好实时性的嵌入式多任务操作系统Linux，它具有模块化程度高、源码公开、广泛的硬件支持、安全性及可靠性好、可裁剪等优点。根据功能需求，嵌入式电子标签质量监测系统的软件实现包括信号采集任务、数据处理任务、人机接口任务、通信任务等任务。

3 嵌入式电子标签质量监测效果分析

为了分析嵌入式电子标签质量监测的效果，通过一组对比实验来进行说明。在本实验中，选择标称谐振频率为 13.56，8.2，4.75，3.75，1.81 MHz的5 种电子标签，分别用两种不同的测试方案进行电子标签的监测。对两次实验测量到的谐振频率结果进行对比分析，如表2所示。其中，第1行数据是标称谐振频率，即固有谐振频率；第2行数据就是用嵌入式电子标签质量监测系统进行测量得到的各标签的谐振频率结果；第3行数据就是用LC回路方法测量的各标签的谐振频率值。

表2 嵌入式电子标签质量监测结果分析表

实验一采用嵌入式电子标签质量监测系统进行监测。首先启动电子标签质量检测系统，通过ARM嵌入式处理模块控制信号发生模块产生一个扫频信号，该信号的频率范围覆盖了被测电子标签固有频率；然后信号采集模块进行数据采集，并把数据传送到ARM处理模块进行分析和处理，确定该电子标签的谐振频率并显示数值。

实验二采用LC回路的方法对电子标签的固有谐振频率进行监测。该方法主要是根据LC回路固有谐振频率的定义，通过断开标签的LC回路并串联接入一个扫频信号源，然后用示波器监测电感或者电容两端的电压波形，确定电子标签的谐振频率，该值能够反映出电子标签谐振频率的实际值[6]。LC回路测量方法的电路图如图3所示，其中，Us为扫频信号源，R为回路的电阻，L和C就是断开的电子标签内部LC回路。LC串联回路的选频特性曲线如图4所示。通过示波器测量可以发现，发生谐振时，电感L和电容C两端电压的大小相等、方向相反，且为电源电压的Q倍，Q就是LC串联回路的品质因数，Q值越大曲线越尖锐，它反映了LC回路的选频特性的好坏。

图3 LC回路测量电路

图4 LC串联回路的选频特性

从表2可以看出，通过以上两种方法监测的电子标签质量结果是等效的。采用本系统监测出的电子标签固有谐振频率接近于标签LC回路谐振频率的实际值，表明使用本系统能够准确地测量标签固有谐振频率，可以有效监测电子标签质量情况。

4 结束语

嵌入式电子标签质量监测技术是射频识别技术的一种应用，由于它不需在识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触，具有广泛的应用前景[8]。本文主要研究嵌入式电子标签质量监测技术的应用，通过分析其监测原理、系统结构和工作原理以及测试效果，表明该技术在电子标签质量监测上具有有效性和稳定性，有助于相关厂商进一步完善生产过程自动化的质量管理要求。

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