采用同步天线远距离读取id卡的装置和工作方法

采用同步天线远距离读取id卡的装置和工作方法
【专利摘要】本发明涉及采用同步天线远距离读取ID卡的装置和工作方法，采用同步天线远距离读取ID卡的装置包括单向读卡器，单向读卡器读取ID卡的信息，其中单向读卡器包括外壳，外壳为金属的箱体结构，外壳内悬置天线，天线与天线驱动板连接，天线的功率控制在2?3瓦之间，天线通电后产生电磁场，ID卡中的线圈感应天线电磁场获取能量，从而激活ID卡，所述单向读卡器间隔对称的设置构成完整通道，通道内对侧放置的天线为同源控制天线，两根天线产生的电磁场之间的相位差控制在70?90度之间。采用这样的结构，防止串卡，同时卡的有效读取距离增大，通过本装置的时候卡片不需要近距离靠近天线，方便人们的行走，同时提高读卡的距离，避免人过多的时候造成拥堵。
【专利说明】
采用同步天线远距离读取ID卡的装置和工作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种采用同步天线远距离读取ID卡的装置和工作方法。
【背景技术】
[0002]目前在LF频段，成熟的远距离(100cm以上)读卡技术，均为独立的个体读卡器(以下简称“读头”)。读头在理想环境下，可读取LF频段的无源卡，针对标准厚度及尺寸的卡片，有效读卡距离可达到80?150cm的距离。
[0003]但是现有的读头无法多读头协同工作。现有技术的多个读头在工作时，不能彼此靠近，否则会产生相互之间的干扰，导致读卡距离下降，严重时将无法正常读卡，因此，在通道设备应用中受到限制，无法满足多个天线在通道内稳定读卡的需求。而且现有读头没有有效场强的方向控制。
[0004]现有读头在前后两个方向上均可进行ID卡片的读取，此特性在通道应用场景中应用会造成“串卡”现象，具体表现为相邻通道的卡片也可以被本通道读取，形成串卡现象，当相邻通道有卡片时，无法有效识别本通道内的有效卡片。

【发明内容】

[0005]针对公司在无障碍通道中的具体应用场景，本发明采用同步技术，解决多读头彼此协同工作之间的互扰问题。使多个读头在同一个通道内，可彼此稳定的一同运作，实现上述目的的技术方案如下:
[0006]采用同步天线远距离读取ID卡的装置，包括外部主机、单向读卡器、主控板，单向读卡器与外部主机信号连接，单向读卡器读取ID卡的信息，外部主机判断读卡器接收的ID卡信息的合法性，单向读卡器包括外壳，其中外壳内安装天线、天线驱动板，其中天线驱动板、主控板和天线之间互相电连接，天线驱动板驱动天线工作，天线的功率控制在2-3瓦之间。所述外壳为具有开口的箱体结构，外壳包括背板、侧板，侧板围绕背板的边缘形成容纳腔，其中，天线悬置在容纳腔内，天线与背板之间间隔有距离;所述背板与侧板为金属材质，金属材质的背板防止天线的信号穿过背板，将背板后方的电磁场信号屏蔽，其中金属外壳与天线形成谐振回路，金属背板作为LC谐振回路的一部分形成一个调整参数，通过调整金属外壳与天线之间的距离改变天线的Q值和电感量，使天线的Q值和电感量分别控制在15?20左右和160?165uH左右，从而调整整个谐振回路的谐振点，使谐振回路工作在最佳状态，当LC谐振回路处于纯阻性状态，振荡波形最大时为谐振回路工作的最佳状态。本发明中天线处于自由空间中的参数，即原始电感量为190uH，Q值65左右。
[0007]采用这样的结构，防止串卡，同时卡的有效读取距离增大，通过本装置的时候卡片不需要近距离靠近天线，方便人们的行走，同时提高读卡的距离，避免人过多的时候造成拥堵。
【附图说明】
[0008]图1为读卡器读取ID卡示意图
[0009]图2为本发明单向读卡器示意图
[0010]图3为天线示意图
[0011]图4为相位控制原理不意图
[0012]图5为本发明整体示意图
[0013]附图序号说明:外壳1、天线2、天线驱动板3、主控板4、调整装置5、红外探头6
【具体实施方式】
[0014]首先简单介绍下LF频段的无源卡的工作原理，LF频段的无源卡简称ID卡。
[0015]读卡器通过天线发送出一定频率的射频信号，当ID卡进入读卡器工作区域时，其ID卡天线线圈产生感应电流，从而ID卡获得能量被激活并向读卡器发送出自身的数据编码信息，读卡器接收来自ID卡的载波信号，对接收数据进行调解和解码后根据卡号信息进行相应操作。读卡器主要由单片机作为主控制器，同时还包括射频模块，存储模块、耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元等部件组成;射频模块驱动天线发送和接收数据，传输到作为主控制器的单片机，单片机核对卡号信息。读卡器与外部主机电连接或者信号连接，具体的连接关系不在本发明的创新之内，上述工作原理大体如图1所示。
[0016]下面结合附图对本发明做详细的说明。本发明的主要发明点在于解决串卡现象和提升读卡的有效距离。本发明中是在不改变现有技术中的ID卡的基础上进行的技术改进。
[0017]图2中，使用LF频段多天线同步技术应用于通道远距离读卡的装置，包括单向读卡器(简称单个读头)、主控板、天线驱动板，主控板、天线驱动板形成电路板，单向读卡器读取ID卡的信息，其中单向读卡器包括外壳1，外壳I内悬置天线2，天线驱动板3分别与主控板4和天线2电连接，天线2的功率控制在2-3瓦之间。准确控制天线2的功率可以控制读卡的有效距离。
[0018]读卡器读取能量必须实现两个条件，一是在远距离内获取读卡的能量，二是信号调制的过程中需要一定的灵敏度被ID卡接收到，这两点在一个系统内往往是矛盾的，当天线的能量做的很大，当大到一定程度的时候就会影响ID卡接收信号的灵敏度，能量小的时候，灵敏度很高，ID卡中的信息可能不会被读取。为了克服上述缺陷，本发明中天线为一环形的封闭结构，天线的尺寸与场强为立方的关系，天线的尺寸越大，读卡器读取ID卡的有效距离越远，但是如果天线的场强过强，会影响读卡器的天线发射信号，同时影响ID卡的信号接收，因此本发明中采用直径为Imm2的单股BV线绕制11圈形成环形的封闭结构，其中环形的封闭结构包括两段平行设置的、长度为150-250mm的直线线段，两段直线线段之间通过半径为150-250的弧形结构连接，其中两段弧形结构之间的长度在500-700mm之间，优选天线的长度为600毫米，高度400毫米，天线的厚度为10毫米。如图3所示。
[0019]本发明中所述外壳I为具有开口的箱体结构，夕卜壳I包括背板1-1、侧板1-2，侧板1-2围绕背板1-1的边缘形成容纳腔，其中，容纳腔内悬置天线2，同时外壳I内设置调整装置5，天线2安装在调整装置5上，调整装置5调整天线2与背板1-1之间的距离，天线2与背板1-1之间间隔8-12厘米的距离，天线2与背板1-1之间的距离决定天线场强与ID卡的有效读取距离，通过微调天线与背板距离，可以使天线工作在最佳状态。容纳腔内的部件安装完成后，可以在箱体的开口上安装透明的盖板，盖板的材质只要不影响天线信号的发射与外壳内部接收ID卡信号的接收即可，例如，盖板可以选取玻璃、塑料、亚克力、PC等材质均可。
[0020]在实际使用中，为了增加读卡的效率，读卡器通常设置数台，而人们在读卡器之间的过道内通过时，如果背板选取的是塑料等材质的话，会造成串卡的现象，即多个读头在工作时，不能彼此靠近，否则会产生相互之间的干扰，导致读卡距离下降，严重时将无法正常读卡，因此，在通道设备应用中受到限制，无法满足多个天线在通道内稳定读卡的需求。为了杜绝这种现象，背板和/或侧板采取金属的材质，例如铁质的金属材质制作外壳，将背板后方的信号进行屏蔽，当多台单向读卡器并列排列时，不会再造成串卡的现象。金属背板作为天线的分布参数，在整个系统中作为一个部件使用，避免了金属物体对天线输出造成的失谐影响。
[0021]同时，采用金属板将天线后方的信号屏蔽后，人们从读卡器的旁侧经过时，还可以避免ID卡的信息被读卡器误读。
[0022]在单向读卡器读卡的过程中，还存在着这样的缺陷，即当人们经过单向读卡器的时候，佩戴的ID卡没有达到读卡的有效距离内，例如，读卡器的天线位于身体的右侧，如果佩戴的卡片在右侧的包里或者右侧的手里，那么ID卡位于读卡的有效距离内，但是当佩戴的ID卡位于左侧的包里或者手里的时候，ID卡不在有效的读卡范围内，为了能够读取卡片，人们往往会把佩戴的卡片换一个方向，很多时候给人们造成诸多不变，为了克服上述类似的缺陷，本发明中将单向读卡器设置成双向读卡器，双向读卡器既是将两个单向读卡器间隔对称的设置，即形成了双向读卡器。单向读卡器之间的距离形成人们通过的完整通道，通道内对侧放置的天线为同源天线，当人们从双向读卡器的过道中通过时，不论卡片佩戴在什么方位，ID卡都能够被有效的读取，ID卡不用再固定在某一个方位。但是当两个单向读卡器并列对称的设置时，两根天线的磁场会互相干扰，为了克服此缺陷，需要精确的控制两根天线之间的相位关系，经过大量的实验发现，当两根天线之间的相位控制在70-90的时候，相位差稳定，且读卡效果最好，同时两根天线采取同源控制，同源控制的意思是两根天线采用一个电源进行控制，采用同源控制可以同时控制两边读卡器的工作，使读卡器的工作精确、稳定。
[0023]本发明中，天线通过信号与可编程逻辑器件(图中未示出)连接，可编程逻辑器件(FPGA芯片)通过SPI接口与外部主机进行通讯连接;其中外部主机内安装有相位偏移计数器、原始相位计数器、时钟，可编程逻辑器件内部的相位调整寄存器与相位偏移计数器信号连接，同时相位偏移计数器和原始相位计数器分别与时钟信号连接，外部主机将相位调整数据写到可编程逻辑器件内部的相位调整寄存器中；外部时钟驱动两个相位偏移计数器和原始相位计数器产生占空比为50%的方波;其中，原始相位计数器输出原始相位方波;相位偏移计数器使用相位调整寄存器中的数据作为偏移值，相位偏移计数器延迟预设时间后输出与原始相位计数器频率一致的方波，两个相位偏移计数器输出方波之间具有时间差，时间差形成方波相位的差异;而两个相位偏移计数器输出的方波在天线处通过谐振回路的调谐作用，变成正弦波，从而控制两根天线之间的相位差。使两根天线之间的相位控制在70-90之间。
[0024]主控板上还安装振荡电路，振荡电路可以是晶体振荡器，晶体振荡器与可编程逻辑器件信号连接，晶体振荡器输出的震荡信号输入到可编程逻辑器件中产生固定相位差信号。产生的固定相位差信号传递到天线驱动板3，进而成为天线的驱动信号，初始固定的相位差，就是天线之间电磁场的相位差。
[0025]输出的信号之间的相位在运行中，因为同源的原因，因此可始终保持固定的相差，并且相差可进行调整。
[0026]本发明中，主控板内部的振荡电路及可编程逻辑器件(FPGA芯片)负责产生原始的具备固定相差的振荡信号，此信号分别传递给通道左右两边的天线驱动板，天线驱动板将主控板传递来的信号进行放大以及功率驱动，并从天线输出，并同时从天线取得用户的卡信息，进行处理后再传递回主控板，完成一个完整的工作循环。
[0027]本发明中天线的两端还并联有两路二极管检波电路，两路二极管检波电路共同连接有加法电路，由于所述天线两端都具有125K载波信号和调幅的有效信号，且天线两端的125K载波大小相等，相位相反，调幅的有效信号相位相同，因此天线两端的信号分别经过二极管检波电路后解调出有用的调幅信号和残余的干扰载波，经过加法电路后，相位相反的残余载波相互抵消，有用的调幅信号相互叠加，增加信号的信噪比。
[0028]加法器将两根天线产生的电磁场的单边载波进行抵消，消除电磁场载波对读卡器的噪音影响，同时增大读卡器读取ID卡有效信号的距离。天线后方还可以设置红外探头6。红外探头6可以判断通道内是否有人通过，以及通过方向，结合读卡信息，完整判断人员身份。
[0029]本发明中，ID卡的输出方式采用LVDS方式，输出到不同的读卡器，作为LF频段的读头载波，大部分情况下，两个输出信号幅度相同，但保持固定相差的读头天线两两配对使用。两个读头天线，位于通道的左右两边，高度一致，前后位置一致，通过相位的匹配，保证在通道中存在均匀稳定的电场，达到通过电场的125K频段的ID卡可被稳定读取的目的(配对使用的读头，任意一个读头读到有效ID卡信息，均认为正确)。
[0030]经实际测试，本通道(使用双读头)针对标准厚度及尺寸的ID卡及复合卡，读取有效率可达99.99% (公司内部测试)。经过调整，本通道(使用双读头)可对5cm*2cm异形卡，读取有效率可达99.95 %。
[0031]以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。
【主权项】
1.采用同步天线远距离读取ID卡的装置，包括外部主机、单向读卡器、主控板，单向读卡器与外部主机信号连接，单向读卡器读取ID卡的信息，外部主机判断读卡器接收的ID卡信息的合法性，单向读卡器包括外壳，其中外壳内安装天线、天线驱动板，天线驱动板、主控板和天线之间互相电连接，天线驱动板驱动天线工作，其特征在于:天线的功率控制在2-3瓦之间。2.根据权利要求1所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:所述外壳为具有开口的箱体结构，外壳包括背板、侧板，侧板围绕背板的边缘形成容纳腔，其中，容纳腔内悬置天线，天线与背板之间间隔8-12厘米的距离； 所述背板与侧板为金属材质，金属材质的背板防止天线的信号穿过背板，将背板后方的电磁场信号屏蔽，天线形成一个谐振回路，其中金属外壳作为天线谐振回路的一部分，通过调整金属外壳与天线之间的距离改变天线的Q值和电感量，使天线的Q值和电感量分别控制在15?20和160?165uH之间，从而调整谐振回路的谐振点，使谐振回路工作在最佳状态。3.采用同步天线远距离读取ID卡的装置，包括外部主机、单向读卡器、主控板，单向读卡器与外部主机信号连接，单向读卡器读取ID卡的信息，外部主机判断读卡器接收的ID卡信息的合法性，单向读卡器包括外壳，其中外壳内安装天线、天线驱动板，天线驱动板、主控板和天线之间互相电连接，天线驱动板驱动天线工作，其特征在于:所述外壳为具有开口的箱体结构，外壳包括背板、侧板，侧板围绕背板的边缘形成容纳腔，其中，天线悬置在容纳腔内，天线与背板之间具有间隙； 所述背板与侧板为金属材质，金属材质的背板防止天线的信号穿过背板，将背板后方的电磁场信号屏蔽，其中金属外壳与天线形成谐振回路，通过调整金属外壳与天线之间的距离改变天线的Q值和电感量，使天线的Q值控制在15?20之间，电感量控制在160?165uH，从而调整整个谐振回路的谐振点，使谐振回路工作在最佳状态。4.根据权利要求3所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:天线的功率控制在2-3瓦之间;或者天线与背板之间间隔的距离为8-12厘米。5.根据权利要求1或3所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:外壳内设置调整装置，天线安装在调整装置上，调整装置调整天线与背板之间的距离。6.根据权利要求1或3所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:所述天线采用直径为Imm2的单股BV线绕制11圈形成环形的封闭结构，其中环形的封闭结构包括两段平行设置的、长度为150-250mm的直线线段，两段直线线段之间通过半径为150-250的弧形结构连接，其中两段弧形结构之间的长度在500-700mm之间。7.根据权利要求1或3所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:所述单向读卡器间隔对称的设置，形成双向读卡器，其中双向读卡器中的天线为同源控制天线，两根天线之间的电磁场相位差控制在70-90之间。8.根据权利要求7所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:其中所述天线通过信号连接有可编程逻辑器件，可编程逻辑器件通过SPI接口与外部主机进行通讯连接； 其中外部主机内安装有相位偏移计数器、原始相位计数器、时钟，可编程逻辑器件内部的相位调整寄存器与相位偏移计数器信号连接，同时相位偏移计数器和原始相位计数器分别与时钟信号连接，外部主机将相位调整数据写到可编程逻辑器件内部的相位调整寄存器中； 外部时钟驱动两个相位偏移计数器和原始相位计数器产生占空比为50 %的方波； 其中，原始相位计数器输出原始相位方波； 其中，相位偏移计数器使用相位调整寄存器中的数据作为偏移值，相位偏移计数器延迟预设时间后输出与原始相位计数器频率一致的方波，两个相位偏移计数器输出方波之间具有时间差，时间差形成方波相位的差异； 其中，两个相位偏移计数器输出的方波在天线处通过谐振回路的调谐作用，变成正弦波，从而控制两根天线之间的相位差。9.根据权利要求6所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:主控板上安装晶体振荡器，晶体振荡器与可编程逻辑器件信号连接，晶体振荡器输出的震荡信号输入到可编程逻辑器件中产生固定相位差信号。10.根据权利要求6所述的采用同步天线远距离读取ID卡的装置，其特征在于:其中天线并联有两路二极管检波电路，两路二极管检波电路共同连接有加法电路，其中所述天线两端都具有125K载波信号和调幅的有效信号，其中天线两端的125K载波大小相等，相位相反，调幅的有效信号相位相同，其中天线两端的信号分别经过二极管检波电路后解调出有用的调幅信号和残余的干扰载波，经过加法电路后，相位相反的残余载波相互抵消，有用的调幅信号相互叠加，增加信号的信噪比。 加法器将两根天线产生的电磁场的单边载波进行抵消，消除电磁场载波对读卡器的噪音影响，同时增大读卡器读取ID卡有效信号的距离。
【文档编号】G06K7/10GK105975890SQ201610409293
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】肖晖
【申请人】北京泰德汇智科技有限公司