柔性薄卡射频参数测试系统研究

I 柔性薄卡射频参数测试系统研究 摘要 ：柔性薄卡技术作为射频识别技术在世博会、奥运会等大型展会票务，以及公交卡、社保卡、身份证系列。但因国际上对该频点的标准却有多种类型2，目前被德州仪器、恩智浦、飞利浦等著名半导体公司采用的是、，而这些标准对通信过程中的编解码方法、调制解调方法、磁场强度要求，以及空中接口和传输协议、防碰撞算法的规定，不尽相同4本文从与柔性薄卡技术密切相关的电磁场理论基础出发，研究了柔性薄卡的基本交互原理和通信过程，并横向对比了、制解调、防碰撞算法和传输协议之间的异同性。最后通过对比几大半导体产商的控制芯片和射频前端芯片技术，选择德州仪器公司生成的具有超低功耗性能的同时能兼容、发了柔性薄卡射频参数测试系统。另外，为寻求最合适的工作距离，最直观的实际操作界面，本论文从硬件和软件两方面出发，对天线及其匹配电路、人机交互界面电路等做了更为详细的设计。 ，这就产生了不同厂商生成出来的射频也是目前广泛研究的热点问题。另外，柔性薄卡技术因其与计算机、网络、通信等技术相结合，且具有高效、快速、可靠、非接触和可以工作于恶劣环境等优点而被广泛使用，故对其工作安全性、稳定性，生产成本和能耗等方面提出了更高的要求。 最终测试结果表明，本系统可同时兼容、好的人机界面能直观地对各类型卡进行判断，测试系统的读卡距离几乎接近理论设计值。另外，本系统从软件方面经过简单改动，可以很方便、很灵活地应用到相关商业领域，具有不错的发展前景。 关键词：柔性薄卡；测试系统；射频识别；类号： F he of is at in as C as D so at , it by so of of of In of to is be in it in So be to be on is to of of , we at of in at F of we as is , F In to of is , us to of s of is to of In be to a of 次 摘要 . . . 论 . . . . . 52 电磁场理论基础与标准依据 . . 场强度H . 通量与磁通密度B. 7 应系数L . 7 感系数M . 7 合系数k . 8 应定律. 9 振 . 10 载调制. 10 . 11 感耦合基本原理 . 11 试系统基本框架 . 12 . 15 准概述 . 15 . 17 . 19 . 25 3 测试系统硬件设计 . 26 . 26 . 27 . 27 频前端芯片选型与介绍 . 29 V . 31 位机接口电路设计 . 31 源电路设计 . 33 信电路设计 . 33 位电路与时钟电路设计 . 37 机交互界面电路设计 . 38 频前端电路设计 . 39 . 40 试平台天线尺寸设计 . 40 进的滤波、匹配电路设计 . 44 试系统天线的调谐 . 46 4 测试系统软件设计 . 48 . 48 卡程序设计与实现 . 50 性薄卡类型的判别 . 51 . 54 . 56 碰撞算法简介 . 56 碰撞程序实现 . 57 5 测试结果及分析 . 61 6 总结与展望 . 64 清单 图 圆柱线圈或导体回路周围磁力线走向图. 6 耦合导体回路及其等效电路 . 9 . 10 图 . 11 图 . 12 图 . 13 图 . 14 图 试系统基本结构 . 15 图 00%. 18 图 0%. 19 图 . 19 图 00%幅度调制的载波调制波形 . 20 图 0%幅度调制的载波调制波形 . 21 图 56取1的. 21 图 . 22 图 取1的. 22 图 56取1编码的. 23 图 取1编码的. 23 图 56取1和4取1编码的. 23 图 用一种负载波的逻辑0 . 23 图 用一种负载波的逻辑1 . 24 图 用两种负载波的逻辑0 . 24 图 . 24 图 用一种负载波的. 24 图 用两种负载波的. 24 图 用一种负载波的. 25 图 用两种负载波的. 25 试系统基本结构图 . 26 . 29 . 32 . 33 . 33 . 34 . 35 . 35 . 36 . 36 中断模式时序图 . 37 位电路图 . 37 . 38 . 38 机交互界面原理图 . 39 频前端电路原理图 . 40 线线圈等效电路 . 42 . 44 线阻抗匹配电路 . 44 线模块原理图 . 45 线平台结构图 . 46 . 46 谐第1步示意图 . 47 谐第2步示意图 . 47 试系统开发软件环境 . 48 位机软件设计总体流程图. 49 寻卡命令组成图 . 50 寻卡命令编码过程 . 50 . 50 . 51 寻卡实际波形 . 51 . 53 . 54 . 54 . 55 . 56 碰撞程序设计框图 . 58 . 62 . 62 . 63 附 表清单 频识别标准概述 . 16 信接口引脚 . 34 . 52 . 52 中国计量学院硕士论文 1 1 绪论 性薄卡技术概述 柔性薄卡技术，是射频识别技术在谓的柔性薄卡是指遵守810所规定的具有规则几何形状的射频识别卡。射频识别（无线电射频识别（简称，从属于自动识别技术，其工作原理是通过空间电磁场耦合进行的非接触双向数据通信，对目标以识别并获取和发送相关命令、数据等5。射频识别技术的核心部件包括读写器、电子标签和天线等6。读写器由天线发射出无线电波，通过空间电磁耦合传输到相距几厘米至几米内的电子标签，此时电子标签由天线接收读写器的数据，然后作一定处理之后返回给读写器。读写器接收到电子标签返回的信息，就可以读取电子标签内存储的数据，进而识别电子标签所代表的物品、人和器具的身份。一般电子标签内部含有存储容量可以达到296 次方以上。因此，射频识别技术彻底抛弃了条形码识别困难、不防水、不耐高温、使用寿命短、读取距离短、存储数据量小等种种限制，使世界上的每一种商品都可以作为独一无二的电子标签进行标记。更值得一提的是，在商业领域，特别是商品的生产、流通、使用等方面，如果商品贴上这种电子标签，从它在工厂的流水线上的第一步开始，到被摆上商场的销售货架，再到消费者购买后最终结帐，甚至到电子标签最后被回收的整个流程都能够被追踪管理，这就可以对市场监管起到相当大的作用。目前，已经在公交卡等票务系统方面，应用相当广泛，阅读器对电子标签可以进行以下几项操作：读取电子标签内部信息，向电子标签内部写入数据、对电子标签加密等操作，读、写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。举个简单例子，我们经常乘坐地铁或公交的刷卡与充值过程，实际上就可以简单理解为读卡器对电子标签的读和写的过程7。射频识别系统的数据信息主要存储在电子标签内部，而电子标签的应用形态，在不同的应用场合，其表现形式也不尽相同。在我们生活的周围，已经处处可见其身影，如适用于对大型动物养殖场内的大型动物时行标定并跟踪的标签；高速公路收费站为过往车辆进行收费的远距离不停车收费校学生或工作单位为每个学生或员工进行身份确认的一卡通；大型超市里为防止贵重物品丢失而锁定的防丢失电子标签等等。伴随着物联网新概念的提出、其技术的迅速发展以及在各个行业的逐步应用，本文研究的柔性薄卡，其作为射频识别技术在公交卡、购物卡、世博会等大型活动门票方面，以及身份证、社保卡等经越来中国计量学院硕士论文 2 越多地出现在公众视线中。 柔性薄卡技术的广泛应用与其具有以下显著特点分不开：信息的输入与处理不需要人工干预、不需要直接接触、不需要光学可视即可完成；其属于电磁耦合方式实现的非接触自动识别技术，具有自动识别技术的众多优点；作为射频方面的应用，其要利用空间无线电频率资源，故必须遵守无线电频率使用的众多国际和地方规范；其存放的数据信息是数字化的，通过不同的编码技术可以极其方便地实现多种应用，如身份识别、商品货物识别、动物识别、工业过程监控和收费等；通过对多电子标签、多阅读器组合建网，可以完成大范围的各种系统应用，构成完善的信息系统工程；作为一个综合性应用 的领域，其融合多种技术，如计算机应用、无线数字通信、集成电路、电磁场等众多不同学科性薄卡技术发展与现状 。 柔性薄卡技术作为射频识别技术的一种，雷达技术的发展和应用是其最早的起源，但从历史上看，最早甚至可以追溯到二十世纪四十年代，当时正值二次世界大战期间，空军在空中作战行动中运用此技术进行敌我双方自动识别。其工作原理是通过雷达发射无线电波，并根据反射回来的信号来确定敌我双方的身份和定位对方的速度和位置。题目为利用反射功率的通信。射频识别技术在历史发展上可以分为以下几个阶段：在1940到1950的十年期间，射频识别技术开始孕育于雷达技术的发展与应用，也为射频识别技术奠定了理论基础；在1950到1960的十年期间，早期射频识别技术的探索阶段，射频识别技术进入了实验室研究阶段；在1960到1970的十年期间，射频识别技术的进一步发展使其得到了初步应用；在1970到1980的十年期间，射频识别技术被美国政府应用到了民间，从而在理论研究与技术研究两方面使射频识别技术得到了全面、快速的发展；在1980到1990的十年期间，射频识别技术及其产品到此已经进入了商业应用领域，来自不同发达国家的大型公司，开始对射频识别相关产品进行生产；在 1990到2000的十年期间，射频识别技术及其产品逐步进入人民的日常生活当中，由于技术不断成熟，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，各国开始逐步对射频识别技术的标准化进行研究；2000年以后至目前为止，射频识别技术相关标准已经逐步出现，不同种类的射频识别系统竞相出现，具体包括有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签等类型的射频识别系统。随着经验的不断丰富和技术的不断成熟，射频识别的设计与制造成本大大降低，应用范围也扩大到了各个领域，射频识别技术研究正一举进入成熟阶段。目前，虽然射频识别技术的理论和应用研究还不够完善，但由于其在各方面优越性能以及其对人民生活中国计量学院硕士论文 3 带来的便利性，必然推动其在市场规模方面和不同领域应用方面得到更为迅猛的发展。 目前，信息、制造、材料等高技术领域都开始涉及到射频识别技术，其具体技术包括计算机应用技术、标签封装技术、系统集成技术、天线设计与制造技术、信息安全技术、无线通信技术、芯片设计与制造技术等。众多国际跨国公司，如德州仪器、飞利浦、恩智浦等，都在积极推动着射频识别技术的研发和应用。在过去十年间，美国、欧洲、日本等国家和地区，与射频识别技术相关的专利就达数千项9。到目前为止，低频、高频技术产品已经相对比较成熟，超高频和微波产品及相关技术的研究与制造已经开始成为众多企业与国家的研究重点。目前，发达国家在多种频段的标签芯片技术方面，已经远远超过我国，而我国仅在低频和高频频的技术，与国际水平不相上下，但在超高频和微波频段，其主要技术表现远远不如发达国家，对芯片设计与制造技术，芯片封装技术等射频识别核心技术方面，也远远落后于发达国家，主要表现不足包括以下几个方面：芯片集成