（控制理论与控制工程专业论文）射频识别电子标签的研究与设计.pdf

武汉理丁人学硕+ ! 学位论文 摘要 随着电子技术的迅猛发展和制造水平的不断提高，采用无线电和雷达技术 实现的射频识别( r f i e 卜_ r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术发展迅猛。射频识别 电子标签作为一种非接触式i c 卡，将无线电技术和i c 技术结合，通过磁场来 实现与阅读器之间的双向通信。与条形码及接触式i c 卡相比，电子标签的优势 大大超过了二者之和，因此被广泛运用于现代生产生活的各方面。 论文依照i s o f l e c l 5 6 9 3 国际标准，针对应用于商品管理、门禁系统、身份 识别等中距离应用领域的电子标签进行了研究和设计。首先提出了射频识别系 统的结构模型，主要包括阅读器、应答器和数据管理系统；并对i s o f l e c l 5 6 9 3 国际标准进行了深入的分析，主要包括阅读器和标签之间的通信信号接口、防 冲突和传输协议等。然后将电子标签芯片按其功能划分为高频接口、地址和安 全逻辑及存储器三个部分并对各部分进行了设计。高频接口部分为模拟电路， 根据功能将此部分划分为供电、系统时钟、解调器、a s k 负载调制器和复位电 路等模块，采用分块设计的方案使得各模块具有较高性能。详细定义了e e p r o m 存储器的存储数据结构，包括用户数据、唯一序列号、应用系列标识符、数据 存储格式标识符等。 地址和安全逻辑部分为数字电路。这部分设计采用标准单元设计方式，将 整个地址和安全逻辑部分分为p p m 解码、c r c 、加密、状态机及编码发送等模 块。在详细地探讨各子模块的功能、接口及时序关系的基础上，给出了各子模 块的设计方法，在m a x + p l u si i1 0 0 的环境下用v e r i l o g h d l 语言来实现各字模 块的功能并进行了仿真。在a l t e r a 公司的c p l d 芯片e p f l o k l o l c 8 4 - 4 上进行 了下载验证，其结果也表明，对此部分的设计是符合即定要求的。 本文中电子标签的工作频段为1 3 5 6 m h z ，最大工作距离为1 米。i c 卡芯片 内具有1 k 的e e p r o m 存储器，具有加密功能，适用于所有符合i s o 正c 1 5 6 9 3 的射频识别系统。最后给出了一些后续设计中关于耗能和测试方面的建议。 关键词：射频识别，电子标签，i s o i e c l 5 6 9 3 ，加密 武汉理。1 ：人学硕十学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v i n go ft h el e v e l o fm a n u f a c t u r e ，t h er f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) w h i c hi sa c h i e v e d t h r o u g ht e c h n o l o g yo fw i r e l e s s e sa n dr a d a rh a sag r e a td e v e l o p m e n t a so n ek i n do f u n t o u c h e di c c a r d s ，r f i de l e c t r o n i ct a g s ，c o m b i n i n gt h ew i r e l e s s e sa n di c c a r d ， c o m m u n i c a t ew i t hr e a d i n gm a c h i n et h r o u g hm a g n e t i cf i e l dm u t u a l l y w h e nc o m p a r e d w i t hb a rc o d ea n dl g c a r d ，e l e c t r o n i ct a gi sm o r ea s c e n d a n tt h a nb o t ho ft h e m ，t h u s ， i t su s e de v e r y w h e r ei nh u m a n sl i v e sa n dp r o d u c t i o n a c c o r d i n gt oi s o i e c l 5 6 9 3 ，t h et h e s i sd e s i g nt h ee l e c t r o n i ct a g sw h i c hc a nb e m a i n l yu s e di nt h ea r e a so fm e r c h a n d i s em a n a g e m e n t ，d o o rl o c k ，a n df i g u r ei d e n t i f y a n ds oo n f i r s t l yt h er f i ds y s t e mi sa d v i s e dt oc o m p o s ew i t hv c d v i c ca n d d a t a b a s e t h ei s o i e c l 5 6 9 3i sa l s oa n a l y z e dd e e p l y , i tc o n t a i n st h ec o m m u n i c a t i o n s i g n a lp o r t sb e t w e e nv c d a n dv i c c ，a n t i - c o l l i s i o na n dt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 t h e n a c c o r d i n gt ot h e i rf o u n d a t i o n s ，w ed i v i d et h ec o m sc h i po fe l e c t r o n i ct a gi n t oh i 2 l l f r e q u e n c yp o r t ，t h el o g i co fa d d r e s sa n ds a f e t y , m e m o r yt h r e ep a r t sa n dd e s i g nt h e m t h eh i g hf r e q u e n c yp o r ti ss i m u l a t i v ec i r c u i t ，w ed i v i d ei tt os e v e r a lm o d u l e s ，i n c l u d e e l e c t r i c i t ys u p p l y , c l o c k ，d e m o d u l a t i o n ，a s km o d u l a t i o na n dr e s e tc i r c u i t w r ed e s i g n t h e ms e p a r a t e l yt og a i nam o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h es t m c t u r eo fe e p r o mi s d e f i n e di nd e t a i l ；i n c l u d eu s e r s d a t a ，u i d ，a f ia n dd s f i d t h ep a r to f1 0 9 i co fa d d r e s sa n ds a f e t yi sd i 2 i t a lc i r c u i t t h ed e s i g nb a s eo nt h e m o d eo fs t a n d a r dc e l l ，w ed i v i d et h ep a r ti n t os e v e r a lm o d u l e s ，a sp p md e c o d e m o d u l e ，c r cm o d u l e ，e n c r y p tm o d u l e ，f s mm o d u l e ，c o d i n gm o d u l ea n ds oo n o n t h eb a s eo fd i s c u s s i n gt h er e l a t i o n s h i po ff u n c t i o n ，p o r t sa n dt i m es e q u e n c eo fe a c h m o d u l ei nd e t a i l ，w ep r o v i d et h ed e t a i l e dd e s i g nb l u ep r i n t ，a n da c h i e v ei tt h o u g h v e r i l o g h d ll a n g u a g ea n ds i m u l a t ei tw i t hm a x + p l u si i1 0 ，a n dv a l i d a t e dw i t ht h e c p l do fe p f l 0 k 1 0 l c 8 4 - 4o fc o m p a n ya l t e r a t h et r u er e s u l tp r o v e st h et r u e d e s i g n i nt h i st h e s i s ，t h ee l e c t r o n i ct a g sw o r k i n gf r e q u e n c yi s1 3 5 6 m h zw i t ht h e m a x i m a lw o r k i n gd i s t a n c e 1m e t e r t h e r ei sa ne e p r o mw i t h1 ks t o r a g ea b i l i t yi ni t t h i st a gh a st h ef u n c t i o no fe n c r y p t i n g ；i t sa p p l i c a b l ef o ra n yr f i ds y s t e mw h i c hi s a c c o r d i n gt oi s o i e c l 5 6 9 3 a tl a s t ，t h e r ei ss o m ea d v i c ea b o u te n e r g yw a s t ea n d t e s t i n go ft h et a gf o rt h ef u t u r ed e s i g n k e yw o r d s ：r f i d ，e l e c t r o n i ct a g , i s o h e c1 5 6 9 3 ，e n c r y p t i o n i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：导师签名：日期 武汉理l ：大学硕士学位论文 第1 章绪论 射频识别方法在许多服务领域，诸如在货物采购与分配、商业贸易、生 产制造和物流等领域中，得到了快速地普及和发展f l j 。射频识别的任务和目的 是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。电子标签就是这些信息的重要 载体。 1 1 课题研究背景及意义 r f i d 在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间( 约1 9 4 0 年 代) ，其当时的功能是用于分辨出敌方飞机与我方飞机。我方的飞机上装载有 高耗电量的主动式卷标( a c t i v et a 【g ) ，当雷达发出询问的讯号，这些卷标就会 发出适当的响应，藉以识别出自己是友军或是敌军。此系统称为i f f ( 1 d e n t i f y ： f r i e n d0 1 7f o e ) 。目前世界上的飞安管制系统仍是以此为概念。到了1 9 7 0 年代 末期，美国政府透过l o s a l a m o s 科学实验室将r f l d 技术转移到民间。r f i d 技术最先在商业上的应用是在牲畜身上。到了1 9 8 0 年代，美国与欧洲的几家 公司开始着手生产r f i d 卷标。今日来讲，r f i d 技术已经被广泛应用于各个 领域，从门禁管制、牲畜管理，到物流管理，皆可以见到其踪迹【2 1 。 国家信息产业部曾作出预测，未来5 到1 0 年全球r f i d 市场的规模将达 到3 0 0 0 亿美元，由于中国是世界首屈一指的制造业枢纽，其r f i d 产业也将 有可观的增长。事实上，业界中有不少人士认为中国r f i d 产业经过2 0 0 5 年 前数年的酝酿、2 0 0 6 及2 0 0 7 年开始起步、估计将在2 0 0 8 年之后踏入高速发 展期【3 1 。随着2 0 0 8 年北京奥运会的日益临近，中国r f i d 市场也相应热情高涨， 由此所带来的商机也是不言而喻【4 1 。 1 1 1 射频识别技术优势 射频识别技术是一种非接触的自动识别技术【5 l ，完成自动识别可以采用多 种技术，例如：条形码、光学符号识别、语音识别、生物识别法、i c 卡及射 频识别技术等，它们主要性能比较如表1 - 1 。 武汉理l ：人学硕士学位论文 表1 - 1 各识别技术的主要性能比较 参数 条形码 光学符号识别语音识别 l c 卡 射频识别 数据量 1 1 0 01 1 0 01 6 6 4 k1 6 6 4 k 机器阅读可读性好好费时好好 个人阅读可读性受制约容易容易不可能不可能 灰尘潮湿影响很严重 很严重 可能无影响 方向和位置影响 很小很小定向无影响 非法复制修改容易容易可能不可能不可能 阅读速度 低4 s低一3 s很低 5 s低4 s 很快加5 s 数据载体和阅读器的 0 5 0 c m 小于l c m 0 5 0 c m 直接接触0 - 5 m 微波 最大距离 和传统自动识别技术，特别是现在主流的条形码技术相比，r f i d 有以 下优势【6 l ： 体积小型化、形状多样化 r f i d 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合 纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，r f i d 标签更可往小型化与多样形态发展， 以应用于不同产品。 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但r f i d 对水、油和化学 药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱 上，所以特别容易受到折损；r f i d 卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受 污损。 可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，r f i d 标签则可以重复地新增、 修改、删除r f i d 卷标内储存的数据，方便信息的更新。 穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，r f i d 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透 明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有 物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。 数据的记忆容量大 2 武汉理_ 1 ：人学硕士学位论文 一维条形码的容量是5 0 b y t e s ，二维条形码最大的容量可储存2 至3 0 0 0 字符，r f i d 最大的容量则有数m e g a b y t e s 。随着记忆载体的发展，数据容量 也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能 扩充容量的需求也相应增加。 而与接触式i c 卡相比，在保留接触式l c 卡原有的优点的同时，r f i d 又 具备如下诸多长处【7 l ： 可靠性高，寿命长 卡片与阅读器间无机械接触和位移，故不存在接触式阅读器可能出现的 各种机械故障；卡与阅读器均无裸露电触点，无须担心触点损坏和脱落所致 之卡片失效；卡与阅读器均为全密封防水、防尘结构，即避免了静电、尘污 和水汽等对卡和阅读器的影响，又可以防止粗暴插卡、异物插入阅读器插槽 以及因阅读器“吃卡而导致用户恼怒之际对之报以拳脚等人为破坏现象。 这些都将大大提高卡片乃至机具的可靠性和使用寿命。 防伪性好 卡上拥有一个由制造商在产品出厂前固化于芯片的3 2 1 5 2 位字长序列 号，一旦写入即永远不可更改，且世界唯一。 安全性好 卡与阅读器间采用3 次相互确认的双向验证机制，在阅读器验证卡的合 法性的同时，卡也对阅读器的合法性进行检验。通信数据可加密，以防止信 号截取。卡内各存储区可拥有自己的操作密码和访问条件，以阻止未授权的 非法访问，并实行芯片运输密码保护。 抗干扰能力强 可建立防冲突机制，同一时间“同时 处理多张卡，而不出现相互间的 数据干扰。 一卡多用 用户可根据自身需求，灵活定义各存储区的密码和访问条件，以便互相 不影响地分别满足不同场合、不同用途需求。 1 1 2 射频识别技术应用 在应用方面，随着技术的成熟和市场的发展，r f i d 在多领域、多行业中 扮演越来越重要的角色1 8 】1 9 1 1 1 0 l 。 3 武汉理1 1 ：人学硕十学位论文 物流 物流仓储是r f i d 最有潜力的应用领域之一，u p s 、d h l 、f e d e x 等国际 物流巨头都在积极实验r f i d 技术，以期在将来大规模应用提升其物流能力。 可应用的过程包括：物流过程中的货物跟踪，信息自动采集，仓储管理应用， 港口应用，邮政包裹，快递等。 零售 由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的r f i d 应用，可以为零售业带来包 括降低劳动成本，商品可视度提高，降低因商品断货造成的损失，减少商品 偷窃现象等等好处。可应用的过程包括：商品销售数据实时统计、补货、防 盗等。 身份识别 r f i d 技术由于天生的快速读取与难伪造性，而被广泛用于个人的身份识 别证件。如现在世界各国开展的电子护照、我国的第2 带身份证、学生证等。 图书管理 书店、图书馆、出版社等应用。可以大大减少书籍的盘点，管理时间， 可以实现自动租、借、还等功能。在美国、欧洲、新加坡已有图书馆应用成 功案例。在国内有图书馆正在测试中。 军事 弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与追踪。美国在伊拉克战争中已 大量使用。美国国防部已与其上万的供应商正在对军事物资进行电子标签标 识与识别。 其他如：门禁、考勤、电子巡更、一卡通、消费、电子停车场等都有r f i d 的踪影。 1 2r fid 电子标签的发展状况 1 2 1 频段分类 目前国内外r f i d 电子标签种类繁多1 1 1 】，依其采用的频率可分为低频和高 频两大类： 低频类电子标签一般指其工作频率小于3 0 m h z ，典型的工作频率有： 4 武汉理1 二大学硕十学位论文 1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 、1 3 5 6 m 等，基于这些频点的射频识别系统一般都有相应 的国际标准。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、 阅读距离较短、电子标签外形多样、阅读天线方向性不强等。高频类电子标 签一般指其工作频率大于4 0 0 m h z ，典型的工作频率有：9 1 5 m h z 、2 。4 5 g h z 、 5 8 g h z 等。高频系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。高频系统 的基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅 读距离较远，适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状。 1 2 2 技术标准 目前r f i d 存在两个技术标准阵营：一个是总部设在美国麻省理工学院的 a u t o i d c e n t e r ，另一个是日本的u b i q u i t o u s i d c e n t e r ( u i d ) 。前者的领导组织 是美国的e p c ( 电子产品代码) 环球协会，旗下有沃尔玛集团、英国t c s c o 等 1 0 0 多家欧美的零售流通企业，同时有i b m 、微软、飞利浦、a u t o i d l a b 等 公司提供技术研究支持【1 2 j 。后者主要由日系厂商组成，有日本电子厂商、信 息企业和印刷公司等，总计达3 5 2 家。日本u i d 标准和欧美的e p c 标准在使 用无线频段、信息位数和应用领域等存在诸多差异。例如日本的r f i d 采用的 频段为2 4 5 g h z 和1 3 5 6 m h z ，欧美的e p c 标准采用u h f 频段，如9 0 2 m h z - - 9 2 8 m h z ：日本的电子标签的信息位数为1 2 8 位，e p c 标准的位数为9 6 位： 日本的电子标签标准可用于库存管理、信息发送与接收以及产品和零部件的 跟踪管理等，e p c 标准侧重于物流管理、库存管理等。由于两大阵营得到了 不同的厂商支持，因而国际标准采纳何种标准，势必会影响各个厂商的市场 份额，进而影响产业链各环节的积极互动合作。在r f i d 的规模应用进程中， 如何协调各大厂商利益，如何将分裂的各路诸侯纳入到统一的技术规范中， 肯定要比解决单纯的技术问题复杂得多。 r f i d 的低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、 校园卡、煤气表、水表等；高频系统则用于需传送大量数据的应用系统；超 高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向 较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。另外值得一提 的是在供应链中的应用，e p cg l o b a l 规定用于e p c 的载波频率为1 3 5 6 m h z 和8 6 0 m h z 9 3 0 m h z 两个频段，其中1 3 5 6 m h z 频率采用的标准原型是 i s o i e c l 5 6 9 3 ，已经收入到i s o i e c l 8 0 0 0 3 中。 武汉理j 1 ：大学硕十学位论文 而8 6 0 9 3 0 m h z 频段的应用则较复杂，国际上各国家采用的频率不同： 美国为9 1 5 m h z ，欧洲为8 6 9 m h z ，而我国由于被g s m 、c d m a 等占用，目 前仍然待定。目前常用的r f i d 国际标准主要有用于对动物识别的i s o l l 7 8 4 和1 1 7 8 5 ，用于非接触智能卡的i s 0 1 0 5 3 6 ( c 1 0 s ec o u p l e dc a r d s ) 、 i s 0 1 5 6 9 3 ( v i c i n i t yc a r d s ) 、i s 0 1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t yc a r d s ) ，用于集装箱识别的 i s 0 1 0 3 7 4 等。有些标准正在形成和完善之中，比如用于供应链的i s 0 1 8 0 0 0 无源超高频( 8 6 0 m h z 9 3 0 m h z 载波频率) 部分的c 1 g 2 标准不久会正式推出， 我国自己的国家标准最快也将很快会出台。 1 2 3 生产状况 目前国际厂商对电子标签产品的生产主要表现在提供标签芯片上，能提 供r f i d 标签芯片产品的公司主要有飞利、西门子、意法半导体、德州仪器、 m i c r o c h i p 、i s dl t d 、m i c r o nc o r n m r 、e m 等公司1 1 3 l 。 在国内第一个拥有安全知识产权的非接触i c 卡芯片是清华大学微电子学 研究所1 9 9 8 年推出的t h r c f l 2 5 。之后上海华虹、复旦微电子、上海贝岭、 实华开等公司都相继参与到r f i d 行业并推出自己的产品。 1 3 论文研究内容和章节安排 1 3 1 研究内容 本文在深入分析i s o i e c l 5 6 9 3 国际标准的基础上，设计一种符合该标准 的射频识别电子标签。在对高频模拟接口和存储器进行相关研究和设计的基 础上，主要对电子标签芯片的地址和安全逻辑数字电路进行了研究和设计。 其包括脉冲位置编码的解码模块、c r c 校验模块、d e s 算法加密模块、主控 状态机模块、曼彻斯特编码模块等的设计、仿真与验证。 1 3 。2 章节安排 ? 全文共分六章，各章内容安排如下： 第1 章首先阐述了课题研究的背景及意义，主要介绍了射频识别电子标 签的技术优势和应用领域。然后介绍了电子标签现阶段的发展状况，主要包 括按工作频段的分类、相应标准的发展及国内外厂商的生产状况。最后提出 6 武汉理1 ：人学硕十学位论文 了本文研究目标。 第2 章首先介绍了射频识别系统的由阅读器和应答器构成；对系统工作 原理进行了分类，并指出本文设计的电子标签采用的是电感耦合工作方式。 然后对电子标签的结构进行了分析，它主要包括天线、芯片及卡基三部分。 对电子标签芯片的结构进行了描述，芯片分为高频接口、地址和安全逻辑、 储存器三部分。 第3 章分析了i s o i e c l 5 6 9 3 国际标准。主要对该标准与本文设计相关的 第二部分一空气接口与初始化、第三部分一防冲突和传输协议进行了详细介绍。 第4 章对高频接口各部分的功能进行了划分，并给出了高频接口部分的 电路设计和储存器部分的地址安排。 第5 章提出了地址和安全逻辑部分个子模块的详细设计思路。用 v e r i l o g h d l 语言对各子模块进行了编写，然后在m a x + p l u s i i1 0 0 环境下进 行编译和仿真，给出部分仿真波形并进行了分析，最后进行c p l d 下载验证。 第6 章对本文的所做工作进行了总结，对电子标签后续设计进行了展望。 7 武汉理【大学硕十学位论文 第2 章射频识别系统及电子标签 射频识别技术是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过 所传递的信息达到识别目的的技术，是自动识别技术在无线电技术方面的具 体应用和发展【1 4 l 。 2 1 射频识别系统的组成 术。 通常，射频识别系统( 如图2 1 ) 由以下两部分构成。 应答器：应答器放置在被识别物体处，本文中应答器为电子标签： 阅读器：阅读器是一种读或写只读装置，这取决于所使用的结构和技 能量 e = = = 二= 令 时序 数据 = = = = 爿 ( 磁场) 图2 - 1r f i d 射频识别系统基本结构 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元，以及 与应答器相连接的耦合元件。此外，许多阅读器还都配有附加的接口( 如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等) ，以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统( 如个人 计算机、机器人控制装置等) 。 应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件及微 电子芯片组成。通常应答器没有自己的供电源。只有在阅读器的响应范围之 内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样， 是通过耦合单元( 非接触式) 传输给应答器的。 2 2 射频识别系统的工作原理 目前，射频识别系统的工作原理可以分成如图2 2 所示的几类。 8 武汉理：r 入学硕十学位论文 图2 2 射频识别系统的工作原理 1 比特是可表示的最小信息单位，且仅需识别两种状态。对1 比特应答器 的系统来说，意味着只有两种可表示的状态：“响应范围内有应答器”或者“响 应范围内无应答器”。虽然功能简单，但1 比特应答器的使用范围还是非常广 泛的。它的主要应用领域是在商场里的电子防盗器( e a s ) 。1 比特应答器大 多通过应用简单的物理效应( 振荡过程、由二极管激发谐波或者在金属的非 线性磁滞回线上激发谐波) 来实现其功能。 与1 比特应答器不同，n 比特应答器是使用一种微芯片来做数据载体的。 在这个数据载体上，存储的数据量可达数千字节。为了对该数据载体进行存 取，必须在应答器和阅读器之间能够传输数据。这里数据传输使用的方法有： 半双工、全双工和时序法。 在半双工法中，从应答器到阅读器的数据传输与从阅读器到应答器的数 据传输是交替进行的。当频率在3 0 m h z 以下时，常常使用负载调制的半双工 法，有没有副载波都无所谓，其电路也很简单。与此很相似的方式是来源于 雷达技术的调制反射截面的方法，它的工作频率在1 0 0 m h z 以上。负载调制 和调制反射截面直接影响由阅读器产生的磁场或电磁场，因此被称作“谐波 处理法。在全双工法中，数据在应答器和阅读器之间的双向传输是同时进行 9 武汉理：r 人学硕十学位论文 的。这种方法经常用于应答器的数据以阅读器的分频率( 即“分谐波 ) 或 者以完全独立的频率( 即“非谐波”) 向阅读器传输。这两种方法的共同点 是：从阅读器到应答器的能量传输是连续的，且与数据传输的方向无关。 与此相反，在时序法中，从阅读器到数据载体的数据传输和能量传输与 从应答器到阅读器的数据传输在时间上是交叉进行的。在使用时序系统的情 况下，从阅读器到应答器的能量传输总是在限定的时间间隔内进行的( 脉冲 操作一脉冲系统) 。从应答器到阅读器的数据传输是在应答器的能量供应间歇 时进行的。 本文设计的是工作频率为1 3 5 6 m h z 的无源电子标签，其工作原理使用的 是半双工的电感耦合方式。 2 3 电子标签 应答器有多种构造形式：盘形、玻璃外壳、塑料外壳、钥匙和钥匙扣、 工具和气体瓶子的识别、手表式、i d 1 型非接触式i c 卡、电子标签、片上线 圈等。其中，电子标签有区别于其他构造形式的很独特的优点：小，薄、柔 韧性、可植入多种材料内部f 1 射。我们可以把“电子标签打理解为一种薄纸型 构造的应答器。电子标签本身的结构简单主要由一个可编程的超薄超微型半 导体集成芯片和一个天线线圈嵌压在塑料片、丝绸、纤维纸等材料中组成。 在阅读器天线产生的电磁场作用下，由电子标签天线产生感应电流，并及时 向连接的芯片提供电源。 电子标签和标准非接触式i c 卡在基本原理和结构方面共性多多，它们都 可以表现成图2 3 的形式。从图中可以看出，电子标签可由芯片模块、天线和 卡基三部分组成1 1 6 1 。 1 0 武汉理1 ：入学硕十学位论文 2 3 1 芯片模块 芯片模块是采用特殊材料将i c 芯片包封而成，用于防止机械特性脆弱却 承担着所有信息存储、处理和通信工作的核心部件半导体芯片的损坏， 同时提供芯片与外界的电气连接点。 随着i c 卡技术的发展，世界上已相继出现多种模块制作方案，如2 0 世 纪9 0 年代初大量使用、后因价格高昂而逐步放弃的“传送带自动压焊模块 ： 目前使用最广泛、但体积( 主要是厚度) 偏大的“柔性带载芯片模块；机 械强度和成本最佳的“引线框架 以及不采用模块，而是将芯片直接放入卡 基、但眼下仅限于面积较小的存储芯片的“表面和卡内微芯片一工艺等。 电子标签芯片的内部结构如图2 4 所示。主要包括一个用于能量供给及与 阅读器通信的高频接口模块，控制芯片动作过程的地址和安全逻辑模块和存 储器模块。 2 3 2 天线 天线高频接口地址鬻全逻 存储器 供电 时钟 解调 调制 复位 p p m 解码 c r c 加密 状态机 编码发送 图2 4 电子标签芯片结构 天线是电子标签和阅读器之间的重要耦合部件，是除i c 芯片外的标签中 唯一电路元件以及芯片信息传输、能源和时钟获取的唯一途径，其性能和质 量也是影响整个标签寿命、成本、通信距离和可靠性的重要因素。 典型c p u 卡和小型存储卡的功率需求分别为5 - - 8 m w 和1 - - 1 5 m w ，均需 要借助天线由阅读器生成的射频能量场获取 a l 。而根据电磁感应理论，电感线 圈在交变磁场感生的电压正比于场频、线圈匝数和线圈环绕面积，反比与耦 合距离。因此，不同的载频、读写距离和封装条件下的标签天线线圈匝数和 尺寸甚至制作工艺也不同。 武汉理_ t 大学硕十学位论文 线圈的制作方法有如下所述。 线绕法 借助专用工具绕制并用烤漆固定后，采用热压点焊使之与芯片模块相接。 优点：便于制作匝数较多线圈( 5 0 1 5 0 0 匝) ，甚至绕制与高导磁率的铁 氧体磁芯，以进一步改善耦合效果。在= 1 3 5 k h z 的低频应用中和要求电子标 签体积尽可能小以至线圈环绕面积很小时，线圈匝数的增大无疑可提高其耦 合度，此时，线圈将成为唯一可取方法。 缺点：单个加工，生产效率低( 2 0 0 2 5 0 个d , 时) ，易损，生产过程中 质量测试麻烦，与芯片模块相接时的位置准确性要求高，不适宜大量、价低 的智能薄膜标签等的制造。 蚀刻法 类似印刷电路生产，通过曝光和腐蚀等工艺去除塑料基材表面的铜箔多 余部分，形成所需要线圈。 优点：抗损性好，便于生产测试。可采用倒贴片工艺将之与芯片裸片相 接，适宜自动化生产。成本低，可靠性高，准确性好，产量高( 3 0 0 0 个d , 时) 。 可采用粘合技术连接模块和线圈，对产品变化适应性强。 缺点：对天线敷着基材有一点要求，且因铜材的较多消耗和回收工序， 致使生产成本较绕线法高。 印刷法 采用类似其他工业生产采用的丝网印刷技术，将内含铜或银或石墨粉未 颗粒的导电墨印刷于一薄膜材料( 塑料基材、纸或纺织品等) ，形成一印刷成 型线圈。 优点：类似蚀刻法，但效率更高、成本更低。 缺点：线圈导电性较前面两种方法差，且导线较宽，以至匝数有限。仅 适用于8 m h z 以上频率范围。 绕线法和印刷法在我国有较多应用，蚀刻法则主要用于欧洲地区。 布线法 这是一种利用超声探头直接在塑料薄膜上布线的工艺方法，通过超声探 头顶部的穿通管，将导线引到薄膜表面的同时，用超声能量使导线热熔入薄 膜内部，实现其形状和位置的固定。 1 2 武汉理。l ：人学硕十学位论文 2 3 3 卡基 卡基实质是由多层塑料薄膜叠合而成，芯片模块和天线均置于承载薄膜 之上，冲压成形薄膜开有与芯片模块位置对应的孔，并在封卡时由填充材料 填充多余空间，阻止上层覆盖膜下凹。覆盖膜为卡片的保护层，其外表面可 印制用户所需彩色图案，甚至贴敷磁条、全息照片、签名条和制作凹字等等。 目前。仍在寻求成本低廉、环保性能佳、加工特性好、温度和机械损伤影响 小的更新材料来制作卡体。 2 4 本章小结 本章首先介绍了射频识别系统的典型结构，主要由阅读器和应答器两部 分组成，标签电子就是应答器的一种。然后对射频识别系统的工作原理进行 了分类，并指出本文所设计的电子标签的工作模式属于电感耦合式，其工作 频段为1 3 5 6 m h z 。另外，本章还介绍了电子标签及其芯片的结构和电子标签 制作相关情况。 1 3 武汉理i ：人学硕十学位论文 第3 章i s o i e c l 5 6 9 3 协议分析 国际标准i s o i e c l 5 6 9 3 以“识别卡一非接触式集成电路卡一疏耦合卡为 标题说明非接触疏耦合i c 卡的作用原理和工作参数。这种i c 卡的最大工作 距离为1 米，主要使用价格便宜的简单“状态机 式存储器组件作为数据载 体。i s o i e c l 5 6 9 3 标准由三部分组成：第一部分一物理特性；第二部分一空气 接口与初始化：第三部分一防冲突和传输协议【1 7 l d s l 。 电子标签和标准非接触式i c 卡只是在封装、外形等物理特性上有一定差 别，而与在i s o i e c l 5 6 9 3 标准所规定的第二、三部分基本一致，所以本章对 协议的二、三部分做出分析。 3 1 空气接口与初始化 电子标签的能量供应是由发送频率为1 3 5 6 m h z 的阅读器产生的交变磁 场提供。电子标签中包含有一个大面积的天线线圈，典型值为3 6 匝。由阅 读器产生的磁场强度不允许超过或低于极限值：1 1 5 m a m = h = 7 5 a m 。 3 1 1 阅读器到电子标签的通信信号接口 为了从阅读器到电子标签的数据传输，不仅使用1 0 的a s k 调制，而且 还使用了1 0 0 的a s k 调制。此外，与选择的调制度无关，有两种不同的编 码方法：一是“2 5 6 中取1 代码，另一种是“4 取1 代码可供选用。 电子标签必须支持两种调制和编码方法。而调制方法和编码方法的不同 组合有不同意义。在用“2 5 6 中取1 编码时，1 0 的a s k 调制优先在“长距 离模式”中使用。在这种组合中，与( 1 3 5 6 m h z ) 载波信号的磁场强度相比， 调制波边带的较低磁场强度容许充分利用许可的磁场强度对电子标签供给能 量。与此相反，阅读器的“4 中取1 编码可与1 0 0 的a s k 调制组合，应用 于在作用距离变短或在阅读器的附近有屏蔽的场合。 ( 1 ) 调制 从阅读器到电子标签的信号采用a s k ( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 调制方 式，即振幅键控。在振幅键控中，载波振荡的振幅按二进制编码信号在两种 1 4 武汉理r 人学硕十学位论文 状态a 和b 之间切换( 键控) ，b 可以取a 和0 之间的值，并定义调制系数参 数( m o d u l a t i o ni n d e x ，也称为键控度) m 为：m = ( a - b ) ( a + b ) 。 阅读器和电子标签产生通信时，可使用两种调制系数：1 0 0 o 和1 0 0 ， 由阅读器决定使用哪种调制系数，电子标签必须能对这两种信号解码。图3 - 1 是调制系数为1 0 的调制波形，图3 2 是调制系数为1 0 0 的调制波形。 t 1 a b m a x ( u s ) m i n ( h s ) t 16 09 4 4 t 2 3 ot 1 t 3o4 5 m o d u l a t i o i l 1 0 3 0 i n d e x 图3 - 11 0 调制波形 t 1t 3 i y o 0 5 ( a - b ) h f ，h r 0 1 ( a - b ) m a x l 、 t 4 ， 一 、 厂 11 | m i n ( u s )m a x ( u s ) i t 。 t 1 6 o 9 4 4 t 22 1t l t 304 5 t 400 8 l， t 图3 - 21 0 0 调制波形 武汉理i ：人学硕十学位论文 ( 2 ) 数据速率和数据编码 数据编码采用脉冲位置调制( p p m ，p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 。协议中规 定电子标签应能够支持两种数据编码模式。阅读器决定选择哪一种模式，并 在帧起始( s o f ) 时给与电子标签指示。 “2 5 6 中取1 编码 这种编码方式通过控制明确规定在0 2 5 5 之值范围内的脉冲位置来表示 传输的数据之值( 如图3 3 表示十六进制数据f 5 、对应十进制2 4 5 被传送。 一个字节的传输时间为4 8 3 3 m s ，这与持续时间9 4 4 u s 的5 1 2 个时间段相符。 一个调制脉冲只能完成奇数时间段( 从零开始计数) 。传输数据的值n 可以很 容易地从脉冲位置中求出：脉冲位置= 2 n + 1 。由一个字节的传输时间( 4 8 3 3 m s ) 得出的数据传输率为1 6 5 k b i t s 。 图3 3 “2 5 6 中取1 编码 “4 中取1 编码 在这种编码方式中脉冲时间的位置决定它代表的数值( 如图3 4 ) 。在一 个节拍中可以同时传输2 位。4 个连续的位对构成1 个字节，首先传送最低的 位对。要传输的值在0 - - 3 范围内。1 个字节的整个传输时间为7 5 5 2 u s 。相应 于持续时间为9 4 4 u s 的8 个时间段。调制脉冲只能在奇数时间段内传输( 从 零开始计数) 。传输的数据之值可以很容易地从脉冲位置求出：脉冲位置 = 2 n + l 。由1 字节的传输时间( 7 5 5 2 u s ) 得出数据传输率为2 6 4 8 k b i t s 。 ( 3 ) 阅读器到电子标签的帧 用规定的帧信号( 帧起始- - s o f ，帧结束- - e o f ) 表明数据传输的开始和 结束。在标准中，帧起始和帧结束的信号编码可使这些符号在有用数据传输 过程中不可能出现，以保证帧信号的清晰。在发送一帧数据给阅读器后，电 1 6 武汉理j ：火学硕十学位论文 0 0 。 二 二二 t 。 二二二 二二二二 图3 4 “4 中取1 ”编码 子标签应准备在3 0 0 u s 内接收来自阅读器的一帧数据。电子标签应准备在能 量场激活的情况下，在l m s 内接收一帧数据。 “2 5 6 中取1 ”编码的帧起始信号是由在时间距离为5 6 6 4 u s 之间的两个 9 4 4 u s 长的调制脉冲组成的( 如图3 5 ) 。 9 4 4 u s5 6 6 4 u s9 4 4 u s i 图3 5 “2 5 6 中取1 ”模式帧起始 在“4 中取1 编码情况下，帧起始信号是由相距为3 7 7 6 u s 而持续时间 为9 4 4 u s 的两个调制脉冲组成( 如图3 6 ) 。在帧起始信号的第二个调制脉冲 后，经1 8 8 8 u s 的附加间歇后，便开始了有用数据的第一字符。 图3 6 “4 中取1 ”模式帧起始 帧结束信号是由一个唯一的时间为9 4 4 u s 的调制脉冲组成，该脉冲在偶 数