盛慶元，蔡曉霞，朱 丹

(紹興職業(yè)技術學院，浙江 紹興 312000)

?

Proteus在硬標簽質量參數測量設計中的應用*

盛慶元，蔡曉霞，朱 丹

(紹興職業(yè)技術學院，浙江 紹興 312000)

電子商品防盜系統(tǒng)(EAS)中的硬標簽電路是由磁棒線圈和電容串聯(lián)而成，其組成的LC電路諧振頻率Fx和品質因素Q是硬標簽的關鍵質量參數。針對此類硬標簽參數檢測的市場需求，在研制便攜式標簽質量Fx、Q值檢測儀過程中，設計了一種四線圈結構傳感探頭感知被測參數的方法，并采用Proteus軟件對此傳感探頭的等效電路模型進行仿真，驗證此測量方法的可行性；同時以AT89C51為處理器設計了便攜式檢測儀的軟硬件，采用Keil和Proteus聯(lián)調聯(lián)試，仿真達到預期效果，為下一步儀器開發(fā)提供了技術支持。

硬標簽；Proteus；諧振頻率；品質因素

0 引言

ISO/IEC18046-3-2007等標準給出了電子商品防盜系統(tǒng)(EAS)標簽檢測的基本規(guī)范要求[1-3]。目前國內硬標簽生產廠家對標簽質量檢測采用的方法與ISO/IEC18046-3-2007中給出的方法一致。從現有文獻來看，國內外研究的對象以軟標簽為主，圍繞雙線圈結構傳感器進行。如宋小鋒[4-5]、朱亞萍[6]研究了單線圈傳感器模型和雙線圈傳感器模型結構特點；李佳駿[1,7]利用磁場仿真軟件Ansoft HFSS對多種雙線圈傳感器模型進行仿真建模。研究表明，雙線圈式傳感器圈的面積、繞制匝數、標簽放置位置及標簽與傳感器相對位置都會影響硬標簽質量參數的準確性[6,8-10]。這種雙線圈結構存在的缺陷在于發(fā)射與接收線圈間，標簽與發(fā)射和接收線圈間都會互相干擾；同時，發(fā)射線圈對接收線圈的影響疊加于標簽產生的磁場上，無法區(qū)分。這些都會導致諧振頻率產生偏差，對Q值判定誤差的影響將更為嚴重。

針對上述問題，本文提出了四線圈傳感探頭結構感知被測參數的方法，并采用差分電路提取測試信號，用二級積分電路進行信號處理，獲取硬標簽的幅頻特性信號。設計過程中首先采用Proteus軟件對四線圈傳感探頭結構等效電路模型仿真，驗證測量方法的可行性，同時以AT89C51為處理器設計了便攜式儀的軟硬件，采用Keil和Proteus聯(lián)調聯(lián)試，完成了電路設計和程序設計，為下一步儀器開發(fā)提供了技術支撐。

1 EAS工作原理

1.1 標簽工作原理

硬標簽實物分解如圖1所示。由圖1可知硬標簽電子元器件的核心是由插有磁棒的多圈線圈與電容串聯(lián)。對電子標簽的電路結構進行等效，其電路原理圖如圖1所示。此電路的諧振角頻率為：

(1)

其中，L為標簽線圈等效電感，C為標簽的等效電容，w為角頻率。

圖1 硬標結構、原理圖

1.2 EAS系統(tǒng)的工作原理

在監(jiān)視區(qū)，發(fā)射器以一定的頻率向接收器發(fā)射信號。發(fā)射器與接收器一般安裝在零售店、圖書館等的出入口，形成一定的監(jiān)視空間。當標簽經過檢測區(qū)域時，檢測區(qū)域含有隨頻率變化的磁場，標簽內部的電感會產生感應電壓，形成感應電流，此感應電流也會產生磁場，反過來干擾檢測區(qū)域的磁場分布，使檢測線圈產生一個明顯的擾動信號，這種干擾信號也會被接收器接收，再經過微處理器的分析判斷，就會控制警報器發(fā)出鳴響。接收線圈接收到的感應信號含有標簽的質量參數信息。顯然當標簽發(fā)生諧振時產生的擾動信號最強，標簽的品質因數Q值越大，標簽的選頻特性越好，相應地接收器越容易識別標簽的存在。

目前常規(guī)的測試裝置與實際中所使用的EAS系統(tǒng)相似。朱亞萍[6]對這種雙線圈檢測方法研究表明：標簽線圈與發(fā)射和接收線圈間的互感系數增大，諧振頻率偏差加劇，甚至無法對標簽進行檢測。

2 傳感器設計

2.1 傳感器探頭設計

設計的傳感器結構如圖2所示，由磁場發(fā)射線圈1、2，主接收線圈和輔接收線圈組成。此傳感器特別適合磁棒線圈型的硬標簽質量參數檢測。結構特點在于：工作時發(fā)射線圈1、2組成亥姆赫茲線圈；主、輔接收線圈直徑相同，旋向相反；發(fā)射線圈的直徑是接收線圈的4倍左右，接收線圈的直徑比磁棒線圈直徑稍大，正常情況應小于1.5倍磁棒線圈直徑。

圖2 傳感器結構示意圖

2.2 傳感器探頭工作原理分析

當發(fā)射線圈施加交流激勵時，在軸中心附近較大范圍內產生均勻磁場，主、輔接收線圈形成的閉合區(qū)域內磁通量為零[11-12](主、輔接收線圈旋向相反)。將硬標簽置于主接收線圈中心區(qū)域，硬標簽感應也產生磁場，此磁場對于發(fā)射線圈1組成的閉合區(qū)域而言，磁通量為零；發(fā)射線圈2和輔接收線圈離硬標簽較遠，不受硬標簽感應磁場的影響，但對于主接收線圈而言，因為直徑與硬標簽磁棒線圈相近，且位于硬標簽的感應磁場區(qū)域內，因而主接收線圈的磁通變化可以認為完全由硬標簽感應磁場決定。

2.3 傳感器探頭電路等效模型分析與仿真

2.3.1 傳感器探頭等效電路模型

進行傳感器電路等效模型分析時，將線圈互感的感應電壓等效為電流控制的電壓源。由上述傳感器探頭工作原理，傳感器探頭對應的電路模型如圖3所示。其中，Rs為發(fā)射線圈1、2的內阻，Lf1、Lf2為發(fā)射線圈1、2的等效電感，LZ為主接收線圈等效電感、Lf為輔助線圈等效電感。圖3中發(fā)射和標簽部分電路的向量關系如下：

(2)

(3)

由式(2)、式(3)可得接收線圈輸出信號：

(4)

對式(4)兩邊取模，并結合標簽歸一化幅頻特性曲線式(5)，可得式(6):

(5)

(6)

上述式(2)～式(6)中，M1、M分別為硬標簽與發(fā)射線圈、主接收線圈的互感系數，Z，Z1分別為標簽、發(fā)射線圈的阻抗。由式(7)可知，對傳感器和某一檢測硬標簽來說，參數M、M1、Z1、R都是確定值，由式(6)可以推演出T(jw)，如式(7)所示：

(7)

圖3 傳感器等效電路工作模型

2.3.2 傳感器電路模擬仿真

本傳感器電路設計中，根據式(7)中T(jw)與圖3接收線圈上的信號U0的轉換關系，還需要處理w2，仿真時采用二級積分電路處理。傳感器仿真采用的仿真電路和具體參數如圖4(a)所示，使用Proteus的頻率分析功能，圖4(a)中的C3(1)處的輸出信號以圖中激勵U1為參考，繪制的歸一化仿真幅頻特性曲線如圖4(b)所示。根據圖4(b)的曲線可獲取標簽的質量參數Fx和Q值，說明了此方法的可行性。

圖4 傳感器電路仿真

3 硬標簽參數測量儀電路設計與仿真

3.1 仿真電路設計

硬件仿真電路設計時以檢測58 kHz聲磁硬標簽為對象，電路原理圖如圖5所示。系統(tǒng)的主控模塊采用AT89C51單片機；發(fā)射線圈的交流激勵信號由信號發(fā)生器芯片ICL8038產生，ICL8038工作在調頻模式，ICL8038方波信號輸出口與AT89C51單片機P3.4口相接，提供交流激勵信號頻率信息。調頻電壓Uf由12位的數模轉換芯片MAX5822控制，MAX5822芯片模擬電壓輸出經一級比例放大電路Ⅱ輸出Uf；ICL8038芯片產生的正弦波信號經跟隨器電路后接到傳感器的發(fā)射線圈上，傳感器接收線圈的輸出信號經AD736處理，完成AC-DC轉換，獲取信號的有效值電壓，此有效值電壓被比例運算放大后，經MAX1240芯片，實現A/D轉換后送入單片機進行數據處理，處理數據的結果標簽諧振頻率Fx和品質因數Q用LM016L液晶模塊顯示。

3.2 軟件設計

軟件程序采用了模塊化設計方案，采用C51語言編寫，C51語言的結構化和高效性能更好地實現模塊化設計。主要由主程序、A/D轉換子程序、方波頻率測量子程序、D/A轉換子程序、LED顯示驅動子程序幾個模塊構成。其中A/D轉換子程序、D/A轉換子程序、LED顯示驅動子程序的編程可參考使用說明書，本文不再贅述。

主程序流程如圖6所示，首先完成對I/O口、定時器/計數器T0及液晶驅動的初始化設置，然后調用D/A轉換子程序輸出掃頻控制電壓Uf，接著調用A/D轉換子程序記錄響應信號Udc值，調用方波頻率測量子程序，記錄激勵信號頻率F；掃頻控制電壓Uf由小變大掃頻結束后，最后程序尋找Udc的最大值及其對應的Fx值，并尋找0.707(Udc)max對應的兩個頻率值F1、F2，求出Q，顯示Fx、Q。

圖5 硬標簽參數測量儀仿真電路

圖6 主程序流程圖

仿真調試在Proteus中進行，仿真電路如圖5所示。把編譯生成的目標代碼.hex文件添加到AT89C51中，啟動仿真按鈕后，可以通過液晶屏顯示測量結果。

4 結論

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。本文針對現有雙線圈檢測標簽參數存在的不足，提出一種四線圈傳感探頭結構感知被測參數的方法，該方法采用亥姆赫茲線圈磁場為激勵，基于互感耦合原理，采用差分方法獲取硬標簽幅頻特性信號，并使用Proteus軟件仿真驗證此方法的可行性。同時以AT89C51為處理器設計了便攜式儀的軟硬件，采用Keil和Proteus聯(lián)調聯(lián)試，仿真達到預期效果，為下一步儀器開發(fā)提供了技術支持。

[1] 李佳駿.防盜電子標簽檢測技術研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.

[2] ISO/IEC 18046-3-2007.信息技術-射頻識別裝置性能試驗方法-第3部分：標簽性能的試驗方法[S].2007.

[3] Vilnius.Sharing between inductive srd systems and radio communication systems operating in the frequency band 10.2～11 MHz[S].2000.

[4] 宋小鋒.電子標簽測試分析系統(tǒng)研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[5] 宋小鋒，楊成忠.電子防盜標簽檢測電路的參數優(yōu)化[J].杭州電子科技大學學報，2011，31(4)：157-160.

[6] 朱亞萍，鄭衛(wèi)紅，徐巍華，等.電子標簽質量在線檢測傳感器的研制[J].浙江大學學報(工學版)，2012，46(4)：719-724,738.

[7] 李佳駿，楊成忠，楊志凱，等.電子防盜標簽檢測系統(tǒng)Q值穩(wěn)定性分析[J].杭州電子科技大學學報，2012，32(4)：148-150.

[8] 楊成忠，陳高強.基于互感耦合原理的傳感器設計[J].機電工程，2011，28(5)：590-593.

[9] 牛元海.EAS系統(tǒng)設計與電子標簽抗干擾檢測技術研究[D].寧波:寧波大學，2015.

[10] 牛元海，劉太君，葉焱，等.一種EAS掃頻信號源的設計與實現[J].無線電通信技術，2014，40(6)：93-96.

[11] 劉彩鳳，王忠于，杜玉寶，等. 檢測無源RFID電子標簽諧振頻率的耦合器之關鍵技術研究[J].儀器儀表學報，2008，29(4)：260-264.

[12] 肖驍. 基于亥姆霍茲線圈勵磁的電容式電磁流量測量技術研究[D].成都:電子科技大學，2014.

The application of Proteus in the design of hard label quality parameter measurement

Sheng Qingyuan, Cai Xiaoxia, Zhu Dan

(Shaoxing Vocational Technical College, Shaoxing 312000, China)

The circuit of hard tags used in electronic anti-theft system of goods (EAS) is composed of magnet coil and capacitor in series. The LC resonant frequencyFxand quality factorQare the key quality parameters of the hard tag. According to the market demand of the hard tags parameters detection, in the process of developing a portable hard tags quality tester, the four coil sensing probe structure is proposed and is used as the method for sensing the measured parameters. Proteus software is used to simulate the equivalent circuit model, which verifies the feasibility of the measurement method. At the same time, the hardware and software of the portable instrument is designed by using AT89C51 as processor, and the Keil and Proteus are used in the test. The simulation result is good, which provides the technical support for the next step of hardware production.

hard tags; Proteus; resonant frequency; quality factor

紹興職業(yè)技術學院2016-2017學年科研項目(SZK201629)；浙江省教育廳科研項目(Y201534898)

TP212.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.028

盛慶元，蔡曉霞，朱丹.Proteus在硬標簽質量參數測量設計中的應用[J].微型機與應用，2017,36(11)：94-97.

2017-01-01)

盛慶元(1988-)，通信作者，男，碩士研究生，助教，主要研究方向：測控技術與儀器技術。E-mail：604606112@qq.com。