基于新型多进制正交幅度调制通信的可计算射频识别系统设计.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023文章编号：10 0 7-7 57 X(2023)09-0171-04摘要：为了开发一种新型正交调幅可计算射频识别系统，并将之应用于包括无人工厂在内的多机器人协同系统，使用HQAM硬件算法，开发一种16 进制射频识别系统。系统中控制端采用有源嵌入式控制系统，识别节点端即射频发送端采用无源模拟电子系统，在硬件方面使用滤波系统和比较电压模拟计算系统控制其精度，算法方面采用多次激发和结果决策方案解决干扰问题。经过仿真实验和现场实验，该系统可以满足多机器人协同的现场识别管理。关键词：正交调幅通信；可计算射频系统；抗干扰设计；多机器人协同中图分类号：TP311Based on New Multi-band Quadrature Amplitude Modulation Communication(School of Electronic and Information Engineering,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)Abstract:In order to develop a new orthogonal amplitude modulation computable RFID system and apply it to multi robot coop-erative system including unmanned factory,a hexadecimal RFID system is developed by using HQAM hardware algorithm.Inthe system,the active embedded control system is adopted at the control end,the passive analog electronic system is adopted atthe identification node end,i.e.,the RF transmitting end,the filtering system and comparative voltage analog calculation sys-tem are used to control the accuracy in hardware,and the multiple excitation and result decision-making scheme are used tosolve the interference problem.Through simulation and field experiments,the system can meet the field identification manage-ment of multi-robot cooperation.Key words:quadrature amplitude modulation communication;computable RF system;anti interference design;multi-robot co-operation分研究使用八进制、十六进制等调制模式8,该研究重点分0引言析一个波形调制十六进制射频信号的HQAM射频通信模射频识别技术（RFID)是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一式，用于多机器人协同系统的相互身份识别。该系统需要2种新兴自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通组正交线圈，每组线圈包含3个发射线圈，形成4种不同波过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通幅调制信号，可以用于大部分射频识别系统的编码过所传递的信息达到识别目的的技术1。RFID是一种简单规则5-10的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟1发射响应与接收模块的总体设计踪物体2)。系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器（或标签)组成3。射频识别系统被广泛应用于物联网无源识别系统中，特别在多车辆转运系统中，复杂的远距离大功率复杂射频识别系统的工程意义尤为重要4。但常规射频识别设备虽然识别分类较多，但识别范围比较小，被识别节点的自由度比较低5，为了开发一种新型正交调幅可计算射频识别系统，本研究使用HQAM硬件算法，开发一种16 进制射频识别系统。HQAM（h ig h la y e r e d q u a d r a t u r e a m p lit u d emodulation，分层正交幅度积分无线电系统）是正交幅度调制通信的重要实现方式6，利用一对正交关联的线圈组形成多种幅度的无线电波形组合，利用一个正交循环表示一个多进制位7，相关研究中一般使用三进制、四进制等调制模式，部作者简介：梁能（196 9一），男，硕士，讲师，研究方向为信息技术。研究与设计基于新型多进制正交幅度调制通信的可计算射频识别系统设计梁能（广东海洋大学，电子与信息工程学院，广东，湛江52 40 8 8）文献标志码：ADesign of Computable RFID System1.1基础模块结构设计该研究设计的十六进制射频识别系统包含1个无源发射响应模块和1个有源控制及接收模块，控制及接收模块接收红外探头或者其他触发式探头信息感知多机器人系统中移动车辆的接近信号，发出1个激发射频信号，无源发射响应模块接收到该射频信号后，其内部电容C被短时间充能，电压达到TO临界值后激发两组线圈LB按照跳线SB的配置信息发出射频信号。其中，无源发射响应模块如图1所示，有源控制及接收模块如图2 所示。图1中，无源发射响应模块共设计7 组线圈，其中X向布置串联LA1、LA 2、LA 3线圈，由跳线SA1、SA 2、SA 3控171微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期LIANG NengMicrocomputer Applications Vol.39,No.9,2023LoSB3LB3SB2LB2SB1T-人人LB1WSA3LA3SA2LA2SA1人人LA1LALM339SC2272SN74HC373NSRVCCDO D1 D2 D3 CLR图2 有源控制及接收模块总体设计制，Y向布置串联LB1、LB2、LB3线圈，由跳线SB1、SB2、SB3控制，另外设置辅助充能线圈LO，用于加强射频充能信号的充能效果。充能电容器C充能完成后在TO的激发下放电，使X向、Y向线圈发出一个上升沿信号，即该无源发射响应模块每次受激发射射频信号，给出的波形为1/4个波形。图2 中，有源控制及接收模块使用LA和LB两个线圈感应无源发射响应模块发出的射频信号，使用电压比较器LM339将信号解析成3个数据位，使用SC2272编码器芯片见上述2 路各3个数据位编码成1个4位信号，使用SN74HC373NSR芯片将编码器输出的4个数据位锁存，用于后续分析。系统受到触发后，使用有源射频震荡回路L0-C发射充能射频信号，充能量为电容器C的预充能电能。该有源控制及接收模块共设置8 条引线，包括一个VCC电源引线，DO、D 1、D 2、D 3共4个数据位读取引线，锁存器清空引线CLR，电容器预充能电位开关S1,预充能电容器放电开关S2。其中,S1与S2属于互斥关系，当S2为高电平时，将S1调整为低电平，此时为震荡电路激发状态，反之，当S1为高电平时，将S2调整为高电平，此时为预充能电容器充能及电平保持状态。1.2射频识别系统的计算功能设计如前文所述，无源发射响应模块一次性向有源控制及接收模块发射一个十六进制数据，在有源控制及接收模块进行初步的电压比较、编码、锁存处理后，向计算系统输出1个4研究与设计DO位数据，该系统的计算功能基于该4位数据展开。其数据采DC集与应用系统如图3所示。KDOCToDB3D4DB2DBI￥D A 3DA2DA1V图1、无源发射响应模块总体设计LBLoLM339C立D二R口微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期DO-0D2-0D1DO-1D2DO-2D3DO-3射频系统嵌入系统S2D1-0S1D1-1CLRD1-2VCCD1-3vca图3射频识别系统嵌入式计算模块设计图图3中，射频系统与嵌人系统之间存在3路单工数据，其中射频系统的引线定义参照前文图2，嵌入系统选型时需要4路相对独立的至少4位输入输出接口,DO接口中4位用于接收射频系统返回信号，D1接口用于向射频系统发出控制指令，D3接口用于接收外部触发信号，如激光、雷达等触发探头，另外，使用D2接口与网路接口卡双工通信。嵌入系统中设有时钟模块，受到网络接口卡接收的集中授时信号控制，网络接口卡的通信地址与时钟模块提供的时间戳信息合并射频系统返回的射频信息，形成可计算的射频微波物联网探头数据。2楼数据结构设计与数据计算模式2.1射频微波信号的空间结构及数字化解析实际控制中，因为无源发射响应模块的充能电容器在三极管的激发下瞬时放电，形成一个上升沿，构建发射信号的S1S2前1/4个周期，随后因为电路没有设计震荡功能，线圈与电容器构成的开式回路逆向放电，形成一个激发电位差的下降沿，当电容器点位差下降到一定幅度时，激发三极管激发极失压导致激发电路被关闭，在接地回路的影响下，激发电平快速下降至0。但在第一个上升沿起，发射线圈内的交变电场上升沿在空间中激发出一列电磁波，该激发过程如图4所示。10-10.250.500.751.001.251.501.752.00图4射频微波信号的理论激发模式图4中，粗实线部分为线圈激发回路的电平曲线，细实线部分为空间电磁波的理论激发波形，因为线圈中的激发过程仅为1/4个波形周期，所以空间电磁波存在3个特征：空间电磁波能量波峰显著低于线圈激发能量波峰，该损失值在固定激发电路中属于固定比例，可以归为系统误差，可以通过调整激发电路的电容器、激发线圈容量整定值有效平衡该误差；因为激发线圈的激发过程仅为一个上升沿，不能对控件电磁波持续激发，所以，系统每激发一次可以发出电磁波振荡波形快速衰减，有效测量模式下，该振荡衰减过程17210-0D2-110-1D2-210-2D2-310-3D3-0触发信号D3-1D3-2D3-3vC波形周期网络接口卡vCCMicrocomputer Applications Vol.39,No.9,2023越快，数据接收端受到的干扰越小；接收端接收线圈收到的频率、相位与射频电磁波传输距离无关，但其波幅与电磁波传输距离有关，距离过长时，电磁波传输能量损失可能导致数据误读。理想状态下，X向与Y向电磁波信号均可在有源控制及接收模块激发3种不同的信号峰值。因为信号激发时可串联三种不同的发射线圈，3种信号峰值分别理论值为1.0 0、0.79、0.6 3及空白信号共4种信号模式，分别定义为A、B、C、D 四种信号，两个正交信号通道分别构成以下数据定义(如表 1)。表1信号接收侧数据定义表X侧IY侧AA1111B0001C0010D0100表1中，为了确保实际接收效果，考虑到距离对接收端数据接收峰值的影响，仿真实验及现场实验中，严格约束发射端与接收端的距离，获得该系统可以服务的最远距离。常规非正交射频卡系统最远服务距离一般在厘米级，即射频卡需要贴近控制端才可以有效传输数据，而该系统支持非接触传输，在实验中测定该最远服务距离。2.2数据防干扰算法模型远距离射频信号传输的干扰来源主要有以下2 点：因为传输距离和系统误差产生的波形畸变，如前文所述发射线圈的发射效率引起发射功率低于发射线圈供能功率，射频信号空间分布导致发射线圈到接收线圈的功率损耗，接收线圈接收功率与数模转换回路内波形的功率损耗，根据仿真试验结果，该部分干扰可以通过修正算法和修正回路予以矫正；正交波形除使用9 0 度正交线圈实现空间异向性外，使用不同的固有频率防止正交波形相互干扰，即接收线圈的固有频率应与发射线圈相符，另外使用辅助线圈给电压比较器提供比较电位，充分保障比较器的识别灵敏度。在前文图2 接收架构的基础上，增加LM339芯片比较电位回路，增加LA、LB线圈至LM339芯片之间的滤波回路，同时实现高通滤波和低通滤波，可以有效避免上述俩种干扰。两个滤波功能加人回路后，一方面可以避免2 列正交波形的相互干扰，另一方面可以减少环境杂波的干扰，但滤波回路本身产生一定能耗，对射频信号的接收识别距离有负面影响。即提升识别精度会减少识别距离，但考虑到因为干扰波形导致的识别距离下降幅度与系统精度保障回路导致的识别距离下降幅度之间的相互关系，可以在仿真实验中对二者平衡选型。3射频识别系统的仿真测试与现场测试在MATLAB下构建仿真测试环境，环境中加载无线电仿真引擎控件，物理粒子引擎控件，光学控件，模拟电路及数字电路仿真控件，仿真环境中搭建无源发射响应模块和有源控制及接收模块，测试不同硬件选型优化条件下的系统表现。现场测试环境中，根据仿真测试优选后成型方案搭建实体射频发射、接收装置，比较该装置与传统装置之间的性能研究与设计差异，与之比较的传统装置选择日本三菱公司生产的十六进制远距离正交调幅射频识别装置。3.1系统抗干扰能力仿真测试结果仿真测试中，前文所述的电压比较器参照电位控制系统、接收线圈滤波系统等全部部署后，单独调整无源发射响应模块中预充能电容器的容量，控制发射端的发射总电量，通过仿真测试研究不同预充能电容器容量条件下有效识别距离和识别准确率的变化情况，得到图5。(）/45BC11101001011110101101110010111000微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期D3001101501010011000097.595.010100预充能电容器容量/uF图5预充能电容器容量对系统抗干扰能力的影响仿真结果图5中，预充能电容器容量坐标轴为对数坐标体系，此时有效识别距离呈现抛物线型分布规律，峰值出现在450 F附近，超出该值后，因为充能过程所需的充能微波能量需求较大且较长充能周期带来的充能过程不稳定性，导致其有效传输距离下降。而最大识别距离的识别准确率落点集中在95.8%至99.3%区间内，个别离群落点低于95%，但均在90%以上。代表系统在个别极端条件下会存在瞬态不稳定性。实际计算过程中，每次触发射频识别时，有源控制及接收模块会向无源发射响应模块发送多个激发脉冲，获得多次识别结果，最终通过对比决策法选择最高概率识别结果作为最终识别结果，不同问询次数对最终识别结果的影响曲线如图6 所示。100.0%/率我活97.5F95.0图6 同问询次数对最终识别结果的影响曲线图6 中，当识别次数达到2 5次以上时，最终识别结果准确率基本收敛到10 0%附近，即为了充分保障该系统的识别稳定性，每次触发识别动作时，有源控制及接收模块至少向无源发射响应模块发送识别脉冲2 5次，根据接收到的识别数据判断无源发射响应模块发送的射频信息。3.2现场测试结果与该系统优势分析选择450 F预充能电容器和2 5次激发识别机制，在现场测试中与三菱远距离十六进制射频识别系统对比，发现二者总体性能之间存在表2 中差异：表2 现场测试结果体现的该系统优势单次周期总周期识别距离激发次数最大速度比较项目ms三菱设备25新型设备25.173100011020识别次数/次msm5337.58003030次1625(m/s)1.48.3Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023表2 中，参与比较的三菱设备与所研制的新型设备应用场景有所差异，三菱设备需要被识别节点以不超过1.4m/s的低速通过识别区，且识别距离小于7.5m，而该研究设计的新型设备允许识别节点以不超过8.3m/s的高速通过识别区，识别距离可达30 m，但表中未给出三菱设备可同时识别16 个十六进制数据，而所研制的新型设备可仅可同时识别1个十六进制数据。所以，三菱设备多用于民用射频卡识别，如智能门禁、考勤识别、快递识别等。所研制的设备主要用于多机器人协同过程中对通过识别区的行走式机器人类型进行高效率识别，另外可作为16 选一的动态口令用于涉密区域身份识别。4总结与常规射频识别设备相比，所研制的射频识别设备，提供的识别分类较少，但识别范围更大，被识别节点的自由度更高，在多机器人协同系统中，该设备可最多区分16 种工作场地内行走机器人类型，为其数据采集提供稳定的探头设备支持。未来研究中，会进一步扩展识别类型数量，革新方向之一为增加十六进制码位数，革新方向之二为实现串行可编程通信。1J LUOZQ,JING C F,CHEN Y,et al.A New Un-derdetermined NMF based anti-collision algorithm forRFIDSystemsJ.ISATransactions,2022,123:472-481.2 M O ND A L S,K U M A R D,CH A H A L P.Re c e n t A d-333333333333333333333333333533533333353333333338（上接第16 6 页）死制动系统研究J.江苏理工学院学报，2 0 2 0，2 6通过对逻辑门限控制的仿真结果进行分析可知，该算法(4):95-102.可有效进行ABS控制，在汽车进行制动过程中汽车的车轮2王国微，尹安东.基于神经网络路面识别的电动汽车可随着车速的变化而变化，并且汽车车轮为发生抱死现象，ABS控制研究J.合肥工业大学学报（自然科学版），较好地实现了制动控制。2020,43(7):878-883.35总结凌滨，宋梦实，邢键，等.基于模糊PID的汽车防抱死制动系统J.计算机仿真，2 0 18，35（10）：16 6-17 0.本文为提升汽车的防抱死制动效果，将汽车的1/4作为4尹安东，李聪聪.电动汽车ABS最优滑移率滑模控制主要研究对象，建立了合理有效、简单适用的单轮车辆制动研究J.汽车科技，2 0 18（2）：8-14.系统数据模型，该模型可符合系统的精度要求。为实现制动5F陈哲明，马万力，白恒星，等.基于变论域模糊PID控力的调节，本研究对制动系统进行设计时，将控制器的电磁制动力总成主动悬置分析J.重庆理工大学学报（自阀指令作为主要依据，并对控制器进行保压、减压、增压等操然科学）,2 0 2 1，35（6）：50-55.作，使汽车车轮的滑移率维持在最佳值。为验证ABS系统6王琳，业红玲，王鹏飞.半主动悬架模糊PID控制器设的有效性，将逻辑门限值作为ABS系统的核心算法，在该算计及仿真分析J.重庆科技学院学报（自然科学版），法的基础上完成ABS控制器的建立，并在相同条件下对处2021,23(4):116-120.于湿沥青路面的ABS系统的制动过程进行仿真。逻辑门限7滑杨莹，夏光，唐希雯，等.拖拉机液压机械式变速器控制的仿真结果表明，该系统可实现汽车的防抱死制动，并小波神经网络PID控制J.合肥工业大学学报（自然且在测试过程中汽车车轮未发生抱死现象，较好地实现了汽科学版），2 0 2 0，43（1）：2 6-30.车的制动控制。8 徐艺方.新能源汽车制动防抱死系统研究与优化J.参考文献微型电脑应用，2 0 2 1,37（3）：12 4-12 7.1毛湘文，李广军.基于模糊免疫PID控制的汽车防抱174研究与设计vances and Applications of Passive Harmonic RFIDSystems:a ReviewJ.Micromachines,2021,12(4):420.3那尔斯.网络通信节点抗干扰技术研究J.微型电脑应用,2 0 2 1,37(4)：17 3-17 6.4冯国辉，文东展，邹宇华，等.无线射频识别技术在医疗设备管理中的应用J.医疗装备，2 0 2 1，34（14）：8-10.5翟维.无线射频技术和邻域定位算法的搜索定位系统研究J.计算机与数字工程，2 0 2 1，49（7）：1310-1314.6BILIM M.Dual-branch SC Wireless Systems withHQAM for Beyond 5G over r Fading ChannelsJJ.Peer-to-Peer Networking and Applications,2021,14(1):305-318.7 EVANS A M,QUAZI T,XU H J.BER Perform-ance of an MRT-HQAM System over Rayleigh FadingChannelsJ.IET Communications,2016,10(17):2473-2479.8 葛伟，陈瑞，曹雪虹.基于HQAM的视频传输不等保护方法J.计算机技术与发展，2 0 14，2 4（10）：241-245.参考文献9朱朱光旭，李航.面向高效通信边缘学习网络的通信计算一体化设计J.中兴通讯技术，2 0 2 0,2 6（4)：2 3-30.10高维，张永翼，苏爱东.并行组合扩频通信系统的自适应变速率数据传输模型J.现代电子技术，2 0 2 0，43(13):32-35.（收稿日期：2 0 2 1-12-0 6）（收稿日期：2 0 2 2-0 1-2 4）微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期