基于MATLAB仪器控制工具箱的SAW标签阅读器系统设计

引言

声表面波(SAW)是一种能量集中在固体浅表面传播的弹性波。由于声表面波在介质表面进行换能和传播，所以信息的注入、提取、处理都可以方便地实现。目前声表面波器件主要应用在滤波器、延迟线、振荡器、触摸屏等方面，其中移动通信中的滤波器应用最广泛。基于声表面波技术的传感器也被较广泛的研究。随着信息技术特别是射频识别技术的发展，SAW标签成为声表面波领域的另一个研究热点。SAW标签的独特性使其成为射频识别领域的新生力军。

SAW标签系统

如图1所示，SAW标签系统包括阅读器和射频标签两部分。SAW标签通常是一个单口器件，其包括标签天线、叉指换能器、反射栅以及压电基体。标签天线与叉指换能器电气连接，叉指换能器一方面把标签天线接收的射频信号转换为声波信号，并延基体表面传播出去；一方面把接收到的延基体表面传播的声表面波信号转换为射频信号传输到标签天线。反射栅是一组蚀刻在基体表面的金属指条，其能够反射沿轨迹传播的声表面波信号。在声表面波轨迹上放置多个反射栅并安排不同的位置，则实现了SAW标签的编码。现在可实现的编码方法有脉冲键控编码、脉冲位置编码、相位编码以及脉冲位置和相位组合编码等编码方法。


图1 SAW-RFID标签系统工作原理

SAW-RFID独特的工作原理，使其与通用的基于IC技术的RF无源标签相比具有不同的特点：首先，在相同情况下，可读取的距离较大；更能在存在液体或金属物品等较恶劣环境下读取；此外，SAW标签是纯无源标签，多个目标标签的辨识只能在阅读器端解决。

SAW标签阅读器系统设计

在阅读器的发射机发射查询信号并在其接收机接收SAW标签信号的过程中，不可避免地要受到各种噪声的干扰而使信号发生一定程度的畸变，使得在阅读器接收机端对回波信号的检测发生困难。噪声是限制检测系统性能的决定性因素。SAW标签信号检测就是从噪声中提取回波信号的过程。

另外电波传播条件的变化、SAW标签的移动以及回波信号通过阅读器接收机等一系列因素，均会导致标签回波信号相位和幅度的变化。且由于信号持续时间总是比载波周期宽得多，因而回波信号时延上不大的变化也归结为相位的变化。因此，回波信号的振幅和相位可都被看作随机变量来处理。在确知信号的检测中，振幅-相位检测系统是最佳的检测系统，这说明信号存在与否的信息既包含在振幅中，也包含在相位中。由信号检测理论，标签回波信号加噪声的相位的概率密度为



其中，r为信噪比；为接受信号的相位。可以看出，当相位时，，是只与信噪比r有关的常量。随着相位的增大，很快地衰减到零。说明在大信噪比的条件下，信号加噪声的相位主要集中在信号的相位值附近。要想获得好的检测效果，就要充分利用回波信号的相位信息。而最佳处理相位，需采用双通道系统。图2给出了利用限幅器的回波信号检测系统。

根据以上分析，设计的SAW标签阅读器系统如图3所示。主要分为射频发射通道、射频接收通道、数据采集/处理模块以及天线等几部分。在射频发射通道，首先由频率合成器产生固定的载频信号，而后经射频开关调制，变为射频脉冲信号，最后经过带通滤波和功率放大后经天线发射出去。发射通道中射频开关的隔离度是一个关键因素，如果隔离度不够高，会影响发射的射频脉冲质量，从而影响接收信号；在接收回波时，还会引起串扰。本系统中通过采用多个射频开关组合方式，使信号隔离度达到70dB。


图2 回波信号的相位检测系统框图


图3 阅读器硬件原理框图

标签的回波信号通常非常微弱，为了提高信噪比，通常采用相位估计方法来检测回波信号。在射频接收通道，回波信号经过低噪声放大器、带通滤波器、对数放大器、I/Q解调等部分，得到正交的I和Q两项输出信号。为了正确辨识标签编码，对输出的I/Q两路信号同时进行模拟数字转换。本系统中工作频率为433MHz，射频脉冲宽度为100ns~200ns，为了正确识别标签编码，需要不低于20MHz的采样频率来进行A/D转换。

MATLAB采集系统实现及试验

由上文分析可知，要想正确识别SAW标签的编码，在进行A/D变换时，需要采样频率20MHz以上，而如果要进行多标签的防冲突识别，需要的采样频率会更高。目前，国内超高速A/D采集系统应用相对较少、价格昂贵，而高速A/D采集电路设计复杂、开发调试硬件周期长。现在使用的数字示波器通常都有几百兆到GHz的采样频率，且绝大部分都支持不同的数据传输协议。MATLAB作为一款科学计算软件，在研究算法和数据处理中经常使用。而MATLAB的仪器控制工具箱则提供了示波器和MATLAB软件之间的连接通道。从而解决了实验室研究阶段对高速数据采集的要求。为了既节省时间及经费，又能够满足系统实现信号采集和数据处理的要求，结合MATLAB软件的仪器控制工具箱和数字示波器的高速采样能力，快速搭建了一套稳定而准确的高速数据采集和数字处理系统。

MATLAB仪器控制工具箱介绍

MATLAB仪器控制工具箱主要是提供MATLAB软件与各种智能仪器的通讯功能。在MATLAB2009及以后的版本中都支持该工具箱。仪器控制工具箱使我们可以通过MATLAB与各种仪器通讯，比如示波器、函数发生器、分析仪器等。通过工具箱，可以在MATLAB下产生数据并发送到仪器，或从仪器读取数据到MATLAB用于分析和可视化。工具箱提供的一致接口具有硬件协议无关性，无需了解各种通讯接口协议的具体内容。工具箱支持IVI、VXI和MATLAB仪器驱动等，同时提供了GPIB、VISA、TCP/IP和UDP等通信协议。仪器控制工具箱提供多种与仪器通讯的方法，包括仪器驱动程序、通信协议、图形用户接口(GUI)。仪器控制工具箱提供的TMTool图形用户接口不仅能够连接仪器、接收/发送数据，而且可以自动生产M代码文件以加入编写的MATLAB程序中。

示波器与MATLAB软件的连接

本系统采用了Agilent公司的6000系列示波器，输入带宽为300MHz。其支持USB2.0、GPIB和TCP/IP网络传输。系统通过路由器把示波器和PC连接，同时利用路由器的路由功能，实现多台电脑都可访问示波器的功能。特别是在临时现场操作时，通过无线局域网和示波器的连接，避免了连线。MATLAB与示波器的连接具体包括示波器的参数设置、PC端参数设置和MATLAB软件设置。

示波器参数设置主要是根据连接方式来设置对应的参数，比如采用网络连接时，需要设置IP地址、网关、子网掩码、DNS服务器等参数，其过程相当于PC端对网卡的设置。PC端主要是对网卡进行对应的参数设置。以上两项设置好后，就可以实现示波器和PC之间网络物理层以及底层的连接。此时，在MATLAB命令窗口敲入TMTool命令，如图4所示的GUI窗口会显示出来。首页显示了必要的帮助内容。而右侧栏给出了三类连接方式选择：硬件接口、仪器对象和仪器驱动程序。如连接正确，在窗口中点击扫描按钮将显示出已经建立的仪器连接信息。


图4 TMTool工具窗口

在TMTool图形窗口中，可以对仪器进行各项操作，包括控制示波器的显示方式、显示内容、触发方式等，也可以采集所需的数据。在设置好与仪器通讯的各种命令后，通过自动转换就能够把各种操作自动转换为.M文件，从而可以在编写的MATLAB程序中直接实时对外部仪器进行控制和数据采集。

试验

在用TMTool工具与示波器连接并设置好对应的参数后，以下是本系统试验中自动生成的M文件代码：

% Find a VISA-TCPIP object.

obj1=instrfind('Type','visa-tcpip', 'RsrcName', 'TCPIP0::192.168.1.100::inst0::INSTR', 'Tag', '');

% Create the VISA-TCPIP object if it does not exist

% otherwise use the object that was found.

if isempty(obj1)

obj1=visa('AGILENT', 'TCPIP0::192.168.1.100::inst0::INSTR');

else

fclose(obj1);

obj1 = obj1(1);

end

% Configure instrument object, obj1

set(obj1, 'InputBufferSize', 250000);

% Configure instrument object, obj1

set(obj1, 'OutputBufferSize', 512);

% Connect to instrument object, obj1.

fopen(obj1);

% Communicating with instrument object, obj1.

fprintf(obj1, ':WAVeform:FORMat ASCii');

fprintf(obj1, ':WAVeform:SOURce CHANnel1');

CH1data = query(obj1, ':WAVeform:DATa?');

CH1strdat=CH1data(11:end);

temp1=textscan(CH1strdat,'%f,');

CH1dat=temp1{1,1};

%plot(1:size(CH1dat),CH1dat');

fprintf(obj1, ':WAVeform:SOURce CHANnel2');

CH2data = query(obj1, ':WAVeform:DATa?');

CH2strdat=CH2data(11:end);

temp2=textscan(CH2strdat,'%f,');

CH2dat=temp2{1,1};

% Disconnect from instrument object, obj1.

fclose(obj1);

把以上代码加入到MATLAB算法处理文件中，则实现了实时自动采集标签回波信号数据，并进行数据处理以识别标签编码。图5是采用MATLAB编写的用户程序界面，显示了采集数据的曲线以及经过信号处理后得出的编码等信息。图6为在高交会上展示的实际样机。


图 5 SAW标签软件界面

图6 SAW标签系统样机

结论

本文介绍了声表面波射频辨识标签的工作原理，分析阅读器的设计原理，并给出了基于时域采样的阅读器设计方法。针对系统需要高速A/D采样的需求，利用MATLAB仪器控制工具箱实现示波器和MATLAB软件的连接，充分发挥后者的高速采集能力。避免把主要精力用于系统硬件开发和调试，提高了研究效率。本系统成功参加了深圳高新技术交易会展出，取得了良好的展示效果。