盛慶元，張西良，孔寶根

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程與交通學(xué)院，紹興 312000；2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

電子標(biāo)簽通常被作為射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的簡(jiǎn)稱，在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外超市基本上都使用電子商品防盜系統(tǒng)（EAS），高品質(zhì)的標(biāo)簽質(zhì)量是此系統(tǒng)正常工作的重要保證。硬標(biāo)簽做為RFID 中的一類，其制作過(guò)程中，有一道插磁調(diào)頻工序——將磁棒插入繞有線圈的骨架中，以調(diào)整待調(diào)頻硬標(biāo)簽線圈電感值，使線圈電感與電容串聯(lián)組成的LC 閉合回路固有諧振頻率符合行業(yè)范圍要求[3-4]。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)電子標(biāo)簽行業(yè)技術(shù)研究的重點(diǎn)始終在EAS 系統(tǒng)本身和標(biāo)簽天線上，對(duì)電子標(biāo)簽本身技術(shù)的研究缺乏關(guān)注。在標(biāo)簽品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)方面，按檢測(cè)探頭形式來(lái)分有單線圈、雙線圈、三線圈、四線圈[5-7]。文獻(xiàn)[4]基于差分原理設(shè)計(jì)了三線圈、四線圈探頭，并建立了各自的等效模型，有效提高了硬標(biāo)簽諧振頻率檢測(cè)精度；文獻(xiàn)[7-9]研究表明單線圈、雙線圈式傳感器檢測(cè)技術(shù)存在原理誤差；文獻(xiàn)[10-12]分別在EAS 掃頻信號(hào)源，檢測(cè)電路，射頻接收前端進(jìn)行了相關(guān)研究。

標(biāo)簽插磁調(diào)頻方面，CN107239079A[13]、CN1085 49265A[14]專利提供了不同形式的插磁機(jī)械裝置及其相應(yīng)的控制電路與控制方法。文獻(xiàn)[15]分別基于三線圈探頭硬標(biāo)簽諧振頻率檢測(cè)技術(shù)、單線圈探頭相位變化特性設(shè)計(jì)了壓磁調(diào)頻控制系統(tǒng)，基本滿足了企業(yè)對(duì)硬標(biāo)簽產(chǎn)品質(zhì)量控制要求。但其控制電路設(shè)計(jì)或控制方法復(fù)雜，再提高插磁調(diào)頻精度難度較大。

采用單線圈探頭，增加電容補(bǔ)償電路，基于傳感幅值變化特性，結(jié)合閾值的模糊控制策略，設(shè)計(jì)一套硬標(biāo)簽調(diào)頻控制系統(tǒng)，以期提高插磁調(diào)頻精度和效率。

1 反饋信號(hào)測(cè)量原理與分析

1.1 反饋信號(hào)測(cè)量原理

控制系統(tǒng)反饋信號(hào)采用設(shè)有電容補(bǔ)償特點(diǎn)的單線圈式感知硬標(biāo)簽插磁調(diào)頻諧振頻率變化信號(hào)。采用互感耦合原理建模，如圖1所示。常規(guī)單線圈探頭掃頻法測(cè)硬標(biāo)簽諧振頻率的工作原理如圖1（a）所示，L1為單線圈探頭，R1為精密電阻，硬標(biāo)簽可等效為電阻R2、電感L2、電容C2串聯(lián)形成閉合回路，圖1（a）中左右分別由基爾霍夫電壓定理可得：

圖1 傳感電路設(shè)計(jì)原理Fig.1 Schematic diagram of sensor circuit design

式中：Z1為R1，L1串聯(lián)總阻抗；Z2為R2，C2，L2串聯(lián)總阻抗；M 為單線圈敏感探頭與硬標(biāo)簽線圈電感之間的互感系數(shù)。

由式（1）～式（2）可得電阻R1電壓向量表達(dá)式為

文獻(xiàn)[7-8]研究已表明通過(guò)掃頻法，輸出信號(hào)幅值U0與硬標(biāo)簽諧振頻率存在頻移，且與單線圈探頭電感量、硬標(biāo)簽測(cè)試擺放位置等因素有關(guān)。顯然，直接使用此信號(hào)作為反饋控制信號(hào)并不合適。

改進(jìn)的電路是在信號(hào)源端增加補(bǔ)償電容，以插磁調(diào)頻硬標(biāo)簽控制諧振頻率f0為激勵(lì)信號(hào)頻率，如圖1（b）所示。補(bǔ)償電容CT值由w0L1=1/（w0CT）確定，其中w0為f0對(duì)應(yīng)的角頻率，CT為圖1（b）中C0和Cx的總電容。這種情況下，由式（3）可得式（4）：

顯然式（4）中，L2值變化，對(duì)應(yīng)的Us，U0信號(hào)的幅值比隨之變化，進(jìn)而可以敏感待插磁調(diào)頻硬標(biāo)簽的諧振頻率。

1.2 反饋信號(hào)特性仿真分析

對(duì)式（4）分析可知，當(dāng)信號(hào)源Us幅值一定時(shí)，對(duì)某個(gè)待調(diào)頻硬標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，U0的幅值大小與M，L2有關(guān)，且M 不變時(shí)，L2與電容C2形成的諧振頻率為w0時(shí)，U0幅值取得最小值。

硬標(biāo)簽插磁調(diào)頻過(guò)程示意圖如圖2所示，探頭接觸磁棒后，磁棒插入過(guò)程中電感L2增大，敏感探頭與硬標(biāo)簽電感L2之間的互感系數(shù)M 也變大。借助Multisim 電路設(shè)計(jì)軟件，以EAS 中使用最多的58 kHz 聲磁標(biāo)簽為對(duì)象，廠家提供數(shù)據(jù)C2為1700 pF，R2為14 Ω；探頭L1選擇市售490 μH 線圈，計(jì)算可得CT取15.367 nF。對(duì)不同互感系數(shù)M 下，電感L2變化，Us、U0信號(hào)的幅值比關(guān)系進(jìn)行仿真。采用mutilism 的參數(shù)掃描功能，選擇交流分析模式，仿真結(jié)果導(dǎo)出到excel 后，用Matlab 繪制參仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖2 插磁調(diào)頻示意圖Fig.2 Schematic diagram of inserting magnetic frequency modulation

圖3 Us，U0 信號(hào)的幅值比Fig.3 Amplitude ratio of Us and U0 signals

由圖3可知：①不同M 值，Us，U0信號(hào)幅值比極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的L2值相同，且計(jì)算可得此值與CT值得到的硬標(biāo)簽諧振頻率與信號(hào)源工作頻率58 kHz 相等；②同一M 值時(shí)，在Us，U0信號(hào)的幅值比變化趨勢(shì)反轉(zhuǎn)前，Us，U0信號(hào)的幅值比隨電感L2增大下降趨勢(shì)加快；③M 值大于0.7 時(shí)，不同M 的條件下，Us，U0信號(hào)的幅值比隨L2的變化曲線開(kāi)始重合，即M對(duì)Us，U0信號(hào)的幅值比影響較弱。

2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)配合雙路壓磁調(diào)頻機(jī)設(shè)備進(jìn)行，設(shè)備實(shí)物如圖4所示。其工作過(guò)程：將壓磁調(diào)頻硬標(biāo)簽放置于圖4中白色底座中，鏈條傳送帶將底座輸送置壓棒正下方，左右步進(jìn)電機(jī)分別下壓，完成插磁調(diào)頻過(guò)程后，左右步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)提起壓棒，完成一次壓磁調(diào)頻過(guò)程。

圖4 雙路壓磁調(diào)頻機(jī)Fig.4 Dual channel piezomagnetic frequency modulation machine

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

本電控系統(tǒng)分為主從兩路壓磁調(diào)頻，以MSP430為控制核心設(shè)計(jì)，主要由開(kāi)關(guān)電源、位置傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、激勵(lì)信號(hào)源等信號(hào)處理模塊等構(gòu)成，通過(guò)串口主從單元兩路實(shí)現(xiàn)通信，單路電路硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 單路硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Single channel hardware structure diagram

2.2 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

單路硬件電路原理如圖6所示，核心電路介紹如下。

2.2.1 激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)

激勵(lì)信號(hào)源單元采用AD9833 芯片，它是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波。采用25 M 的時(shí)鐘源，經(jīng)過(guò)編程可以得到0.1 Hz 的時(shí)鐘；AD9833 通過(guò)3 線串口進(jìn)行寫(xiě)操作，并與DSP 和微處理器標(biāo)準(zhǔn)兼容。圖6中的信號(hào)JP2 端子與單線圈探頭兩端相連，本項(xiàng)目中此芯片設(shè)置為正弦波輸出，幅值0.6 VPP左右，輸出阻抗為200 Ω。

圖6 硬件電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of hardware circuit

2.2.2 信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元包括差分信號(hào)提取模塊，真有效值（RMS）轉(zhuǎn)化模塊和信號(hào)放大模塊。其中差分信號(hào)提取模塊采用AD8130 芯片實(shí)現(xiàn)，AD8130 為差分至單端放大器，具有270 MHz 的帶寬，1 MΩ 差分高輸入阻抗，94 dB 高共模抑制比。真有效值轉(zhuǎn)化模塊采用LTC1968，它是一款真正的RMS 至DC 轉(zhuǎn)換器，并準(zhǔn)確地支持高至4 的峰值因數(shù)。圖6中的精密電阻R4上的電壓信號(hào)ASROUT 經(jīng)AD8130 芯片提取后，送至LTC1986，轉(zhuǎn)換為其自身的有效值電壓輸出，在經(jīng)過(guò)AD8692 組成的同相比例運(yùn)算放大電路放大，作為A/D 采樣信號(hào)。

2.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換單元

A/D 轉(zhuǎn)換單元采用ADS1115 芯片，它是具有16位分辨率，數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)I2C 兼容型串行接口進(jìn)行傳輸，能夠以高達(dá)每秒860 個(gè)采樣數(shù)據(jù)的速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，具有一個(gè)板上可編程增益放大器（PGA）。配置寄存器值高低字節(jié)設(shè)為0xC6，0xe3，即選擇通道0、滿量程1.024 V，最快采樣率工作。其它部分電路屬電路常規(guī)設(shè)計(jì)，不再做詳細(xì)闡述。

3 控制策略設(shè)計(jì)

結(jié)合壓磁調(diào)頻過(guò)程，信號(hào)源Us固定時(shí)，可以推理出插磁調(diào)頻初期M 和L2同時(shí)變大，U0信號(hào)幅值增大，且其幅值變化率也快速增大；之后M 值較穩(wěn)定，U0信號(hào)的幅值變化主要由L2決定，當(dāng)U0達(dá)到最大值時(shí)，就是插磁調(diào)頻的最佳控制點(diǎn)。本文基于上述仿真結(jié)論，針對(duì)極大值控制易超調(diào)并兼顧壓磁調(diào)頻效率，設(shè)計(jì)帶有閾值的模糊控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)硬標(biāo)簽插磁調(diào)頻工序。

3.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，反饋信號(hào)U0變化量作為輸入變量ec，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速y 即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈沖頻率為輸出量u，構(gòu)建一個(gè)一維單變量模糊控制器，其控制器原理框圖如圖7所示。

圖7 控制器原理框圖Fig.7 Schematic diagram of controller

圖中KT 為控制切換，控制規(guī)則采用分段控制，系統(tǒng)設(shè)置一閾值?？刂茣r(shí)，前半程U0數(shù)字量小于閾值時(shí)，以U0數(shù)字量為控制信號(hào)，使磁棒快速壓入；后半程采用模糊控制規(guī)則，輸入量經(jīng)模糊化后輸入到系統(tǒng)中，進(jìn)行模糊推理，最后進(jìn)行解模糊化，得到精確的輸出量，來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)施磁棒壓入深度控制。

3.2 變量模糊化和隸屬函數(shù)的建立

輸入輸出ec，u 對(duì)應(yīng)的模糊變量分別為EC，U。如圖8所示，各變量均選擇工程上常用的三角形隸屬函數(shù)。在磁棒壓入過(guò)程中，U0變化量先緩慢增大，接著急劇增大，后會(huì)出現(xiàn)增量變負(fù)現(xiàn)象。將ec 輸入變量語(yǔ)言值分成5 個(gè)檔級(jí)：NS（負(fù)?。?、Z（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大），ec 量化后的論域選?。?1，3］，具體量化因子試驗(yàn)得到；將u 輸出變量語(yǔ)言值分成5 個(gè)檔級(jí)：Z（零），PZ（正零）、PS（正?。?、PM（正中）和PB（正大），對(duì)應(yīng)壓入速度，停、慢、中速、快速、極快速，u 的論域是擬調(diào)試脈沖頻率與最大速度脈沖頻率的比值，量化后的論域?。?，4］。

圖8 輸入輸出隸屬度函數(shù)圖Fig.8 Input and output membership function diagram

3.3 模糊規(guī)則和決策方法

根據(jù)專家的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用模糊條件推理if A and B then C，得出模糊控制規(guī)則，如表1所示。模糊控制規(guī)則的編制基本原則是：U0變化量越大，控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率越小，防止超調(diào)。偏差變化模糊量用來(lái)控制輸出量模糊集的切換。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 測(cè)試方法

以58 kHz 聲磁硬標(biāo)簽為對(duì)象，在圖4所示的雙路壓磁調(diào)頻機(jī)上進(jìn)行，控制策略中的慢、中速、快速、極快速，分別對(duì)應(yīng)下壓速度0.5 mm/s，2 mm/s，8 mm/s，20 mm/s。從壓磁調(diào)頻好硬標(biāo)簽中抽取20 個(gè)，斷開(kāi)電容電感焊接引腳，用市售3060 型掃頻儀檢測(cè)硬標(biāo)簽諧振頻率。為說(shuō)明本裝置的插磁性能，隨機(jī)抽取等數(shù)人工插磁的硬標(biāo)簽的諧振頻率為對(duì)比（人工插磁采用骨架與磁棒是間隙配合通過(guò)膠水固定），測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析Tab.2 Test data analysis kHz

4.2 數(shù)據(jù)分析

據(jù)表2可知，基于本文反饋信號(hào)模糊控制的雙路壓磁調(diào)頻機(jī)控制硬標(biāo)簽諧振頻率的最大誤差為73 Hz，極差為116 Hz，控制精度比人工（人工控制最大誤差138 Hz）提高了近一倍；人工插磁調(diào)頻方法極差范圍235 Hz，而機(jī)器僅為116 Hz左右，產(chǎn)品質(zhì)量的變異范圍也大為降低；從方差分析結(jié)果來(lái)看，機(jī)器壓磁調(diào)頻的離散程度小，產(chǎn)品諧振頻率一致性更好。另外，機(jī)器連續(xù)進(jìn)行200 個(gè)插磁調(diào)頻試驗(yàn)，諧振頻率誤差都在±80 Hz 內(nèi)（剔除電容電感引腳焊接不合格品）。另外，此設(shè)備插磁調(diào)頻的平均速度可達(dá)1300 個(gè)/h，是熟練人工效率的3 倍左右。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)硬標(biāo)簽諧振頻率檢測(cè)技術(shù)輸出信號(hào)作為插磁調(diào)頻控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)存在的不足，提出一種基于電容補(bǔ)償原理的單線圈敏感硬標(biāo)簽諧振頻率傳感技術(shù)。并分析了此技術(shù)輸出信號(hào)隨磁棒插入的信號(hào)變化特性，提出了適合硬標(biāo)插磁調(diào)頻過(guò)程的設(shè)有閾值的模糊控制策略，以MSP430F149 處理器為核心研制一套雙路硬標(biāo)簽插磁調(diào)頻控制系統(tǒng)。以生產(chǎn)58 kHz 聲磁硬標(biāo)簽進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明，此套控制系統(tǒng)對(duì)硬標(biāo)簽諧振頻率的控制精度在±80 Hz內(nèi)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高于手工，生產(chǎn)效率為1300 個(gè)/h，是手工效率的3 倍。