??? 摘? 要: 給出了一種基于同步相位窄帶檢測電路實現(xiàn)的EAS系統(tǒng)檢測器,并給出了原理和實現(xiàn)方法。?
??? 關(guān)鍵詞: 同步相位檢測器; EAS系統(tǒng); 非晶態(tài)磁性材料
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??? 隨著人們生活節(jié)奏的加快,現(xiàn)代商業(yè)經(jīng)營模式也逐漸由傳統(tǒng)的基于柜臺的模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放的銷售模式。開放的經(jīng)營模式方便了顧客,提高了商品銷售量,增加了商家的利潤,但同時也帶來了新的問題。其中商品安全就是最大的一個隱患。商品電子防竊系統(tǒng)能有效地防止商品、圖書等失竊現(xiàn)象,因而被廣泛地使用。商品電子防竊EAS(Electronic Article Surveillance)系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、發(fā)射機、接收機、檢測器和解碼器或開鎖器部分組成。?
??? 對于EAS安全檢測系統(tǒng),誤報率和漏報率是兩個重要的指標(biāo),這要求在諧波頻率量提取時要非常精確,帶寬要盡量限制在200 Hz范圍內(nèi)。本系統(tǒng)就是解決如何對接收幅度僅為200 μV左右的信號中的頻率分量進行高精度、高可靠性檢測,并在較低成本的情況下,實現(xiàn)了帶寬為200 Hz的檢測電路,并且不會產(chǎn)生自激振蕩,穩(wěn)定性高。?
??? 目前市場上產(chǎn)品的檢測器基本都是老一代產(chǎn)品,工作基頻為1 kHz,資源利用率低,發(fā)射功率高,能耗大,不符合綠色工業(yè)的要求。而本系統(tǒng)基頻為58 kHz,發(fā)射天線的線圈圈數(shù)大大減少,這就有效地減少了金屬銅的使用。同時因發(fā)射功率減小,進一步提高了電磁波傳輸效率。系統(tǒng)檢測部分增加了相平面檢測功能,進一步提高了增加檢測準(zhǔn)確性和靈敏度。這些都很好地滿足了EAS系統(tǒng)的應(yīng)用要求。?
1 系統(tǒng)實現(xiàn)?
1.1 EAS檢測系統(tǒng)?
??? EAS系統(tǒng)分為四大類,這里實現(xiàn)的是以磁性材料為標(biāo)簽的檢測系統(tǒng),被公認(rèn)安全性最高。基頻為58 kHz的非晶態(tài)磁性材料諧波檢測系統(tǒng),可以大大減少銅料消耗和能耗,檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。
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1.2 EAS檢測系統(tǒng)的基本原理?
??? 當(dāng)非晶態(tài)磁性材料(標(biāo)簽)處于發(fā)射機產(chǎn)生的一定頻率的交變電磁場激勵中時,標(biāo)簽產(chǎn)生同頻率的狹脈沖信號,接收機接收脈沖信號后提取其中的諧波成分。其中2次和3次這兩種諧波成分能量最大,也最容易檢測。通過檢測這兩個諧波分量,并進行處理和比較,就可鑒別出是否是工作的標(biāo)簽,判斷是否是非法攜帶。本文的EAS檢測系統(tǒng)的基本原理是:當(dāng)標(biāo)簽進入由發(fā)射機產(chǎn)生的58 kHz頻率的交變電磁場檢測區(qū)時,接收機接收到頻率為58 kHz的電脈沖,提取116 kHz和174 kHz的諧波信號并吸收消除58 kHz的基波信號。當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測出這兩種頻率成分并滿足一定幅度比時,立即向報警系統(tǒng)產(chǎn)生一個報警信號,使其報警。?
2 信號檢測部分原理和系統(tǒng)實現(xiàn)?
??? 檢測器系統(tǒng)中信號放大和積分濾波電路使用的運算放大器,均采用ADI公司的高性能芯片AD817,它不僅可以在100~500 kHz較高頻段帶寬內(nèi)對信號進行有效放大,而且輸入電阻小,負(fù)載能力強,構(gòu)成系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。?
2.1窄帶型同步相位檢測原理?
??? 所謂窄帶型同步相位檢測是指:按照檢測頻率要求對被測信號按一定間隔進行抽取,當(dāng)信號頻率與檢測頻率相同時,可檢測出最大的信號能量,否則兩者不能對準(zhǔn),檢測不出信號或者檢測能量很小。一般可分為固定相位平面掃描和在一定角度的相位平面掃描。?
??? 固定相位平面掃描方式:是指對發(fā)射機和基準(zhǔn)頻率發(fā)生電路不做特殊處理,只按照檢測頻率要求產(chǎn)生一定頻率的電磁波,即發(fā)射機產(chǎn)生58 kHz基波,基準(zhǔn)頻率發(fā)生器輸出116 kHz的二次諧波和174 kHz的三次諧波。需要說明的是:基波是由發(fā)射機產(chǎn)生經(jīng)天線輸出,而基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路輸出的二次和三次諧波是固定頻率和相位的方波。這種掃描方式的優(yōu)點在于原理簡單,實現(xiàn)方便,當(dāng)標(biāo)簽按常規(guī)方式進入監(jiān)測區(qū)域時,靈敏度很高,漏報率也很小。但在一些特殊情況下,效果會有所降低,如果標(biāo)簽進入檢測區(qū)域的位置特殊,系統(tǒng)的漏報率會提高,降低了安全性。?
??? 針對以上問題,為了提高系統(tǒng)檢測的精確性,本系統(tǒng)采用的是一定角度的相位平面掃描方式。主要考慮到條帶進入交變電磁場的位置、方位不同,產(chǎn)生的諧波分量的初始相位也不同,采取4間隔方式在360°的相位平面來進行抽取掃描,又體現(xiàn)在發(fā)射和檢波兩個部分。?
??? 通過在這兩個部分所采取的措施,成功實現(xiàn)了帶寬小于200 Hz、相對帶寬小于1%的檢測系統(tǒng),為整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。這里以檢測6次諧波為例進行說明。?
??? (1)發(fā)射階段?
??? 58 kHz發(fā)射信號是每間隔一定時間進行發(fā)射的,在這個傳輸間隔內(nèi),交替依次相位前進、后退30°。當(dāng)標(biāo)簽放在由此發(fā)射信號產(chǎn)生的交變電磁場中時,這個標(biāo)簽將輪流產(chǎn)生各種諧振頻率的交變磁場,其中包括6次諧波,349 kHz。正因為發(fā)射信號相互之間是連續(xù)前后相移30°,所以標(biāo)簽將連續(xù)產(chǎn)生相互之間相位差為180°的6次諧波。這是因為,隨著標(biāo)簽進入檢測區(qū)內(nèi)的方位、朝向等不同,標(biāo)簽產(chǎn)生的諧波的初始相位和幅度也將不同。如果發(fā)射頻率只是固定相位的信號,則因檢測的能量很小,有時無法對準(zhǔn),無法準(zhǔn)確識別標(biāo)簽并報警。本系統(tǒng)中采取的措施能夠很好地提高檢測標(biāo)簽的靈敏度,防止漏判。?
??? (2)檢波階段?
??? 每次發(fā)射天線發(fā)射信號的間隔中只有一部分是作為檢測使用。這樣做的目的是為了防止在58 kHz信號開始或停止的瞬時可能導(dǎo)致的報警器誤報。?
2.2窄帶同步相位檢測?
2.2.1 窄帶同步相位檢測具體實現(xiàn)電路?
??? 其信號檢測電路如圖2所示。檢測電路中積分電路分析如下:?
??? 當(dāng)Q0為高電平時,A1將通過2個電容接地,后面的運放工作狀態(tài)為反向射跟。?
??? 當(dāng)Q1為高電平時,A2、A3信號之間相當(dāng)再連接一個電阻。系統(tǒng)的工作頻率f約為58 kHz,所以對電容的要求為:?
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??? 輸入信號與檢波輸出對應(yīng)圖補充說明:Q0和Q2這2個1/4周期時刻,作為檢測時刻,A3有輸出;而另外的Q1和Q2這2個時刻,A2和A3引入深度負(fù)反饋,不作為檢測時刻,A3無輸出。這樣做的目的有2個:?
??? (1) 避免每次發(fā)射天線發(fā)射58 kHz信號開始和停止的瞬間可能而導(dǎo)致的報警器誤報。?
??? (2) 增加了相平面檢測功能更有效的檢測信號。?
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2.2.2窄帶同步相位檢測電路內(nèi)部功能分解圖?
??? 其電路分解圖如圖3所示。?
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2.3 輸入信號與檢波輸出(A3)的對應(yīng)關(guān)系?
??? 檢測信號波形如圖4所示。圖中:Pin3、Pin2、Pin4和Pin7的4種輸入狀態(tài)Q0、Q1、Q2和Q3的方波波形只是相位依次相差90°,幅度上沒有區(qū)別(這里的畫法是為了表示方便)正弦波波形由前級放大電路輸入,4種方波信號則由標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出。參照圖3分析如下:?
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??? 在一個周期內(nèi):?
??? Q0狀態(tài):Q0為高電平時,開關(guān)信號打開與Q0相連的兩側(cè)開關(guān),第一片芯片的1、2腳導(dǎo)通,11、10號腳也導(dǎo)通,即A1將通過2個電容接地,積累電量,且滿足:Q=C×V。此時交流接地,直流穩(wěn)定,信號將處于幅值穩(wěn)定狀態(tài)。?
??? Q1狀態(tài):Q1為高電平時,開關(guān)信號打開與Q1相連的另外兩側(cè)開關(guān),第一片芯片的3、4腳導(dǎo)通,8、9腳也導(dǎo)通,A2、A3信號之間將再引入1個大電容,相當(dāng)于引入一個深度負(fù)反饋。此時:當(dāng)Q2、Q3分別為高電平時,則產(chǎn)生的效果與Q0、Q1的類似。?
3檢測器輸出波形?
??? 檢測器輸出波形如圖5所示。從輸出波形可知,檢測器系統(tǒng)帶寬B<200 Hz,過渡帶在1%以內(nèi),達到了設(shè)計要求,完全能保證整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確工作。?
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圖5? 二次諧波檢測輸出
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??? 漏報率和誤報率是兩個最重要的參數(shù),如果漏報率稍大,無法有效地防盜,安全性也就無法保障;誤報率稍高,將給安全管理人員造成極大麻煩,在當(dāng)今重視人權(quán)的社會里,錯誤地針對顧客或讀者等的報警,將給企業(yè)、圖書館等帶來難易估量的麻煩和后果。而本系統(tǒng)有效地解決了這2個問題:(1)系統(tǒng)的帶寬僅200 Hz,相對帶寬小于1%,這就能有效地防止誤報的產(chǎn)生。同時系統(tǒng)中2種抗噪聲的方法,也有效地克服了誤報的問題;(2)這種同步相位檢測系統(tǒng)具有非常高的靈敏度,條帶以任意方位進入檢測區(qū),均能有效地檢測出信號并報警,漏報幾乎為零。?
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