基于虚拟仿真平台的RFID课程实验教学研究

查君君 韩 超

安徽工程大学电气工程学院 安徽芜湖 241000

射频识别(RFID)课程是电子信息科学与技术专业的一门面向设计与应用的专业方向课，涉及电路、数字通信原理、微波技术、密码学等多学科专业知识。理论性、综合性、实践性都很强，学生学习起来有一定难度。其课程和实验教学改革一直备受关注。因为RFID技术日新月异，专用实验设备价格昂贵，而实验室资金有限，因此实验设备更新速度跟不上技术发展要求。同时，多数学校开设RFID实验课程多采用实验箱方式教学，实验环节只是“插拔式”验证性过程，因为硬件模块通常被固化在实验箱上，限制了学生进行二次开发，开设综合设计题目受到极大限制。在这样的实验教学条件下，学生缺乏对RFID模块的综合训练，对RFID系统结构缺乏整体认识。利用仿真软件MATLAB/Simulink进行辅助教学[1]，可以在不额外添置硬件设备的前提下扩充实验内容，开设RFID综合设计型实验，充分发挥学生的主观能动性，帮助学生更好地提升工程实践能力和设计创新能力。

1 MATLAB/Simulink虚拟仿真平台

MATLAB是一个高度集成的软件系统，它集科学与工程计算、计算机仿真、图形可视化、图像处理和多媒体处理于一身，并提供了实用的Windows图形界面设计方法[2]。被称为“第四代”计算机语言的MATLAB，功能越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法，越来越多的计算机语言都将提供和MATLAB的直接接口，业已成为国际上最流行的科学与工程计算软件工具。

Simulink是MATLAB中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，是一个对动态系统进行建模、仿真和仿真结果分析的软件包。使用Simulink可以更加方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统级仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来[3]。而且仿真结果可以近乎“实时”地通过可视化模块如示波器模块、频谱仪模块以及数据输入输出模块等显示出来，使得系统仿真工作大为方便。

Simulink使得用户可以用鼠标操作将一系列可视化模块连接起来，从而建立直观的、功能上更为复杂的系统模型，避免编写MATLAB仿真程序，简化了仿真建模过程。更加适用于大型系统的建模仿真，例如对915 MHz RFID电子标签高频接口系统的建模仿真工作[4,5]。

2 915 MHz RFID电子标签高频接口建模仿真

2.1 基本工作原理

915 MHz超高频电子标签所采用的标准为ISO 18000-6 Type B，该标准描述了一个被动的电磁反向散射系统。电子标签发送电路的主要功能是对数字基带信号进行处理，然后通过天线把信息发给读写器、其结构示意图如图1所示。发送部分由负载调制电路、上变频混频器、带通滤波器、功率放大器等组成。

图1　电子标签发送电路

电子标签接收电路主要对天线接收到的信号进行处理，其结构如图2所示。

图2　电子标签接收电路

2.2 基于Simulink的电子标签高频接口仿真

2.2.1 正弦载波调制电路的设计仿真

调制部分采用ASK负载调制，使用正弦波和数字基带信号相乘即可得到，通过将数字信号增益后的叠加常数进行调制深度调节。具体仿真模型如图3所示，仿真模型中示波器Scope输出波形如图4所示，从上到下显示的波形依次为原始信源波形、调制信号波形和高频载波波形。仿真中为了节省仿真时间，实际载波用915 Hz模拟，仿真时间设置为100 s。

图3　调制仿真模型

图4　示波器Scope输出波形

2.2.2 整流滤波电路的设计仿真

直流电源仿真部分模型中Pulse Generator与Sine Wave模块属性设置和正弦波调制电路一样。使用绝对值运算来模拟全波整流；通过低通滤波器传递函数的设计来模拟滤波，从而实现直流电源的产生。具体仿真模型如图5所示。

图5　整流滤波电路仿真模型

仿真模型中示波器Scope1输出波形如图6所示，分别为原始信号波形与整流滤波后的直流电源波形。通过示波器仿真波形分析进而验证无源电子标签电源供给的基本原理。

图6　示波器Scope1输出波形

2.2.3 包络检波电路的设计仿真

包络产生电路由一个非线性器件和低通滤波器组成。非线性器件用绝对值Abs模块实现，而低通滤波器仍由传递函数实现。检波电路由一个电压判决器构成，电压判决器由比较器实现。具体仿真电路如图7所示。

图7　包络检波电路仿真模型

仿真模型中示波器Scope2输出波形如图8所示，从上到下依次为原始信号波形、包络检波电路输出解调后的波形、包络波形。仿真结果表明该无源电子标签工作在时序工作方式中进行。

图8　示波器Scope2输出波形

3 Simulink虚拟仿真平台实验教学的优势

高校学生在教师的指导下学会使用Simulink虚拟仿真平台，可以设计出符合需求的RFID模块，在虚拟系统中设定不同的设备参数，不断地进行观察调试，直到构建出完整的RFID系统。同时，还可以通过分析比较信号波形和频谱来更好地理解抽象的RFID工作过程。除此之外，虚拟仿真实验还有以下优点。

(1)虚拟仿真实验弥补了高校实验设备存在的缺憾，强大的虚拟仿真和分析工具可以让学生进行多种模块选择、不同参数设置的实验学习。

(2)在虚拟仿真实验中学生可以根据学习理解或者疑惑进行实验操作甚至试错，而不用担心操作不当损坏实验设备而进行经济赔偿。同时，各种实验操作变得更加直观和简单，能进一步激发学生的学习兴趣和热情，还可以提升学生自主思考、独立设计的能力，帮助学生形成对RFID原理知识系统的认识和理解。

(3)虚拟仿真实验除了能及时更新实验项目外，还可以降低实验经费开支，教师可以根据教学内容的变化、科研成果的更新以及现实应用的需求改进原有的或增加新颖的实验项目，与时俱进地提升学生的专业技能和水平，让学生可以更好地适应社会发展的需要[6]。

4 结语

本文探讨了在RFID课程实验教学过程中引入Simulink虚拟仿真平台进行辅助教学。弥补了传统教学模式的欠缺[7]，通过虚拟仿真实验平台，把课堂时间留给学生，真正意义上实现“学生是教学体系中的主体”这一目标。实例证明：这一改进可以帮助学生理解所学理论知识，提升教学质量。通过仿真手段进行RFID系统设计和分析，锻炼了学生的工程实践能力，提高了分析解决问题的能力，为日后从事相关工作打下了基础。