??? 摘? 要: 給出了一種基于同步相位窄帶檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)的EAS系統(tǒng)檢測(cè)器,并給出了原理和實(shí)現(xiàn)方法。?
??? 關(guān)鍵詞: 同步相位檢測(cè)器; EAS系統(tǒng); 非晶態(tài)磁性材料
?
??? 隨著人們生活節(jié)奏的加快,現(xiàn)代商業(yè)經(jīng)營(yíng)模式也逐漸由傳統(tǒng)的基于柜臺(tái)的模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放的銷售模式。開放的經(jīng)營(yíng)模式方便了顧客,提高了商品銷售量,增加了商家的利潤(rùn),但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題。其中商品安全就是最大的一個(gè)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(jī)、接收機(jī)、檢測(cè)器和解碼器或開鎖器部分組成。?
??? 對(duì)于EAS安全檢測(cè)系統(tǒng),誤報(bào)率和漏報(bào)率是兩個(gè)重要的指標(biāo),這要求在諧波頻率量提取時(shí)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(duì)接收幅度僅為200 μV左右的信號(hào)中的頻率分量進(jìn)行高精度、高可靠性檢測(cè),并在較低成本的情況下,實(shí)現(xiàn)了帶寬為200 Hz的檢測(cè)電路,并且不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩,穩(wěn)定性高。?
??? 目前市場(chǎng)上產(chǎn)品的檢測(cè)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(shí)因發(fā)射功率減小,進(jìn)一步提高了電磁波傳輸效率。系統(tǒng)檢測(cè)部分增加了相平面檢測(cè)功能,進(jìn)一步提高了增加檢測(cè)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(shí)現(xiàn)?
1.1 EAS檢測(cè)系統(tǒng)?
??? EAS系統(tǒng)分為四大類,這里實(shí)現(xiàn)的是以磁性材料為標(biāo)簽的檢測(cè)系統(tǒng),被公認(rèn)安全性最高?;l為58 kHz的非晶態(tài)磁性材料諧波檢測(cè)系統(tǒng),可以大大減少銅料消耗和能耗,檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。
?
?
1.2 EAS檢測(cè)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(jī)產(chǎn)生的一定頻率的交變電磁場(chǎng)激勵(lì)中時(shí),標(biāo)簽產(chǎn)生同頻率的狹脈沖信號(hào),接收機(jī)接收脈沖信號(hào)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(cè)。通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)諧波分量,并進(jìn)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(cè)系統(tǒng)的基本原理是:當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的58 kHz頻率的交變電磁場(chǎng)檢測(cè)區(qū)時(shí),接收機(jī)接收到頻率為58 kHz的電脈沖,提取116 kHz和174 kHz的諧波信號(hào)并吸收消除58 kHz的基波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出這兩種頻率成分并滿足一定幅度比時(shí),立即向報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信號(hào),使其報(bào)警。?
2 信號(hào)檢測(cè)部分原理和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?
??? 檢測(cè)器系統(tǒng)中信號(hào)放大和積分濾波電路使用的運(yùn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行有效放大,而且輸入電阻小,負(fù)載能力強(qiáng),構(gòu)成系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。?
2.1窄帶型同步相位檢測(cè)原理?
??? 所謂窄帶型同步相位檢測(cè)是指:按照檢測(cè)頻率要求對(duì)被測(cè)信號(hào)按一定間隔進(jìn)行抽取,當(dāng)信號(hào)頻率與檢測(cè)頻率相同時(shí),可檢測(cè)出最大的信號(hào)能量,否則兩者不能對(duì)準(zhǔn),檢測(cè)不出信號(hào)或者檢測(cè)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(duì)發(fā)射機(jī)和基準(zhǔn)頻率發(fā)生電路不做特殊處理,只按照檢測(cè)頻率要求產(chǎn)生一定頻率的電磁波,即發(fā)射機(jī)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(shuō)明的是:基波是由發(fā)射機(jī)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(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便,當(dāng)標(biāo)簽按常規(guī)方式進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí),靈敏度很高,漏報(bào)率也很小。但在一些特殊情況下,效果會(huì)有所降低,如果標(biāo)簽進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的位置特殊,系統(tǒng)的漏報(bào)率會(huì)提高,降低了安全性。?
??? 針對(duì)以上問(wèn)題,為了提高系統(tǒng)檢測(cè)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(jìn)入交變電磁場(chǎng)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(lái)進(jìn)行抽取掃描,又體現(xiàn)在發(fā)射和檢波兩個(gè)部分。?
??? 通過(guò)在這兩個(gè)部分所采取的措施,成功實(shí)現(xiàn)了帶寬小于200 Hz、相對(duì)帶寬小于1%的檢測(cè)系統(tǒng),為整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這里以檢測(cè)6次諧波為例進(jìn)行說(shuō)明。?
??? (1)發(fā)射階段?
??? 58 kHz發(fā)射信號(hào)是每間隔一定時(shí)間進(jìn)行發(fā)射的,在這個(gè)傳輸間隔內(nèi),交替依次相位前進(jìn)、后退30°。當(dāng)標(biāo)簽放在由此發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)中時(shí),這個(gè)標(biāo)簽將輪流產(chǎn)生各種諧振頻率的交變磁場(chǎng),其中包括6次諧波,349 kHz。正因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)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?yàn)?,隨著標(biāo)簽進(jìn)入檢測(cè)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(hào),則因檢測(cè)的能量很小,有時(shí)無(wú)法對(duì)準(zhǔn),無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)簽并報(bào)警。本系統(tǒng)中采取的措施能夠很好地提高檢測(cè)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(hào)的間隔中只有一部分是作為檢測(cè)使用。這樣做的目的是為了防止在58 kHz信號(hào)開始或停止的瞬時(shí)可能導(dǎo)致的報(bào)警器誤報(bào)。?
2.2窄帶同步相位檢測(cè)?
2.2.1 窄帶同步相位檢測(cè)具體實(shí)現(xiàn)電路?
??? 其信號(hào)檢測(cè)電路如圖2所示。檢測(cè)電路中積分電路分析如下:?
??? 當(dāng)Q0為高電平時(shí),A1將通過(guò)2個(gè)電容接地,后面的運(yùn)放工作狀態(tài)為反向射跟。?
??? 當(dāng)Q1為高電平時(shí),A2、A3信號(hào)之間相當(dāng)再連接一個(gè)電阻。系統(tǒng)的工作頻率f約為58 kHz,所以對(duì)電容的要求為:?
?
??? 輸入信號(hào)與檢波輸出對(duì)應(yīng)圖補(bǔ)充說(shuō)明:Q0和Q2這2個(gè)1/4周期時(shí)刻,作為檢測(cè)時(shí)刻,A3有輸出;而另外的Q1和Q2這2個(gè)時(shí)刻,A2和A3引入深度負(fù)反饋,不作為檢測(cè)時(shí)刻,A3無(wú)輸出。這樣做的目的有2個(gè):?
??? (1) 避免每次發(fā)射天線發(fā)射58 kHz信號(hào)開始和停止的瞬間可能而導(dǎo)致的報(bào)警器誤報(bào)。?
??? (2) 增加了相平面檢測(cè)功能更有效的檢測(cè)信號(hào)。?
?
?
2.2.2窄帶同步相位檢測(cè)電路內(nèi)部功能分解圖?
??? 其電路分解圖如圖3所示。?
?
?
2.3 輸入信號(hào)與檢波輸出(A3)的對(duì)應(yīng)關(guān)系?
??? 檢測(cè)信號(hào)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(jí)放大電路輸入,4種方波信號(hào)則由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸出。參照?qǐng)D3分析如下:?
?
?
??? 在一個(gè)周期內(nèi):?
??? Q0狀態(tài):Q0為高電平時(shí),開關(guān)信號(hào)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(hào)腳也導(dǎo)通,即A1將通過(guò)2個(gè)電容接地,積累電量,且滿足:Q=C×V。此時(shí)交流接地,直流穩(wěn)定,信號(hào)將處于幅值穩(wěn)定狀態(tài)。?
??? Q1狀態(tài):Q1為高電平時(shí),開關(guān)信號(hào)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(hào)之間將再引入1個(gè)大電容,相當(dāng)于引入一個(gè)深度負(fù)反饋。此時(shí):當(dāng)Q2、Q3分別為高電平時(shí),則產(chǎn)生的效果與Q0、Q1的類似。?
3檢測(cè)器輸出波形?
??? 檢測(cè)器輸出波形如圖5所示。從輸出波形可知,檢測(cè)器系統(tǒng)帶寬B<200 Hz,過(guò)渡帶在1%以內(nèi),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,完全能保證整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確工作。?
?
圖5? 二次諧波檢測(cè)輸出
?
??? 漏報(bào)率和誤報(bào)率是兩個(gè)最重要的參數(shù),如果漏報(bào)率稍大,無(wú)法有效地防盜,安全性也就無(wú)法保障;誤報(bào)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(huì)里,錯(cuò)誤地針對(duì)顧客或讀者等的報(bào)警,將給企業(yè)、圖書館等帶來(lái)難易估量的麻煩和后果。而本系統(tǒng)有效地解決了這2個(gè)問(wèn)題:(1)系統(tǒng)的帶寬僅200 Hz,相對(duì)帶寬小于1%,這就能有效地防止誤報(bào)的產(chǎn)生。同時(shí)系統(tǒng)中2種抗噪聲的方法,也有效地克服了誤報(bào)的問(wèn)題;(2)這種同步相位檢測(cè)系統(tǒng)具有非常高的靈敏度,條帶以任意方位進(jìn)入檢測(cè)區(qū),均能有效地檢測(cè)出信號(hào)并報(bào)警,漏報(bào)幾乎為零。?
參考文獻(xiàn)?
[1] 王保軍,殷燕.電子商品防盜系統(tǒng)在零售領(lǐng)域的應(yīng)用.信息與電腦,2006(10):26-28.?
[2] 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版).北京:高等教育出版社,2001.?
[3] JAMES R. ROXBORO S. Synchronous? phase AND/OR?frequency detection system.US Patent No.4942365,1990.?
[4] COOPER M N. Theft dectection apparatus using saturable?magnetic targets. UK Patent Application No.4384281,1983.?
[5] CRYSTAL S R G, GONZALES B A, PAUL S. Applications for radio frequency identification systems.US Patent?No.6424262B2, 2002.