（通信与信息系统专业论文）rfid标签数字系统的设计与实现.pdf

摘要 射频识别( i 强i d ) 技术是随着大规模集成电路技术的发展与成熟而逐渐兴起 的一项自动识别技术。r f i d 芯片具有数据量大，保密性高，抗干扰能力强，识 别时间短，费用较低等优点，具有很好的应用前景。由于其利用射频进行通信， 无须物理接触就能识别并交换数据，与传统的i c 卡、磁卡不同，故获得了广泛的 应用。 本文首先介绍了射频识别技术的概念、发展历史、分类方法、技术领域及发 展前景，然后重点介绍了射频识别技术的工作原理和标准，并对其主要标准 i s o i e c1 8 0 0 0 6 中的t y p ea 和t y p eb 进行了详细介绍，进行比较后最终选择 t y p e b 最为本项目的标准。 接着，介绍了r f i d 标签数字系统的整体框架，并对其中的各个模块进行了 详细说明，主要包括双相间隔编码电路、曼彻斯特解码电路、循环冗余校验 ( c r c ) 、状态机( 实现对命令的处理) 和e e p r o m 读写模块，并编写v e r i l o gh d l 代码实现其功能，仿真正确后把v e r i l o gh d l 代码下载到f p g a 中进行了功能验 证。 验证正确后选用s y n o p s y s 公司的d e s i g nc o m p i l e r ( d c ) 和d e s i g n a n a l y z e r ( d a ) 分析v e f i l o gh d l 代码，用一种模型对h d l 进行映射并对这个模 型进行逻辑优化，最后进行逻辑映射和门级优化，将逻辑根据约束，映射为专门 的技术目标单元库( t a r g e tc e l ll i b r a r y ) 中的c e l l ，形成了综合后的网表。 然后进行布局布线，布局布线使用的工具是c a d e n c e 公司的s i l i c o n e n s e m b l e ( s e ) ，它根据综合生成的门级网表和时延文件执行基于标准单元集成电 路和子电路设计的平面布置、单元放置和互连线的连接，生成g d s i i 版图，最 后t a p eo u t 。 关键词：射频识别i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p ebc r c 综合布局布线 a bs t r a c t r f 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 ) ，龋a l la u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，i s d e v e l o p e dw i t ht h em a t u r i t yo fl a r g es c a l ei n t e g r a t i o no fc i r c u i t s i ti s a c o m p r e h e n s i v er i s i n gs u b j e c ta r e a r f i dc h i p sh a v ea d v a n t a g e so fh i g hv o l u m e ，h i g h s e c u r i t y , h i g hi n t e r f e r e n c er e s i s t a n c e ，s h o r tr e c o g n i t i o nt i m e 弱t i m ea sw e l la sl o w c o s t , s or f dc h i p sh a v ev e r yg o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a li cc a r d s ，r f i dh a sm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n sf o ri t sc o m m u n i c a t i o nw i t h r a d i of r e q u e n c ya n di t su n t o u c h e dc h a r a c t e r i s t i c i l l 也eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , t h ec o n c e p to fr a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g y , d e v e l o p m e n t ，c l a s s i f i c a t i o n ，f i e l da n dp r o s p e c tw e r ei n t r o d u c e d a f t e rt h a t ，t h e p r i n c i p l eo fr a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g ya n dp r o t o c o lw e r ef o c u s e d ，w i t hi s o h e c 18 0 0 0 - 6p a r t ：t y p eaa n dt y p ebi nd e t a i l t h e nt y p ebw a sc h o s e nf o rt h i sp r o j e c t a f t e rc o m p a r i s o n f o l l o w i n gt h ea b o v ec o n t e n t ，t h ew h o l ed i g i t a ls y s t e mo fr f i dt a gw a sd i s c u s s e d a n dc l a r i f i e de a c hm o d u l e ，m a i n l yi n c l u d i n ge n c o d e r , d e c o d e r , c r c ，f s m ，w r i t e r e a d t o f r o me e p r o mm o d u l e sa n ds oo n a c c o m p l i s ht h ef u n c t i o nw i t hv e r i l o gi - i d l ，a n d 也e l ld o w n l o a dt of p g at ov a l i d a t ei t a f t e rc e r t i f i e da s c o r r e c t , s y n t h e s i sw i t hd e s i g nc o m p i l e r ( d c ) a n dd e s i g n a n a l y z e r ( d a ) o fs y n o p s y s ，a n a l y z ev e r i l o gh d l ，t h e nm a pt h e mw i t ham o d e la n d o p t i m i z e ，a tl a s t , t om a pt h el o g i ct ot h ec e l li nt h et a r g e tc e l ll i b r a r ya c c o r d i n gt o c o n s t r a i n t s ，a n dg e n e r a t en e t l i s ta tt h es a m et i m e 。 f i n a l l y , p & r ( p l a c ea n dr o u t e ) w i t hs i l i c o ne n s e m b l e ( s e ) o fc a d e n c e ，u s i n gt h e n e t l i s ta n ds t a n d a r dd e l a yf i l eg e n e r a t e db ys y n t h e s i st of l o o r p l a n ，p l a c ec e l l sa n d r o u t e ，a tl a s t ，t a p eo u tw i 氇t h eg d s i i k e yw o r d s ：r f i d ，i s o i e c1 8 0 0 0 - 6 ，t y p eb ，c r c ，d c ，p & r 独创性声明 本人声明所璺交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得昀 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过翡磷究戒栗，遗不包含为获得墨邃叁茎或其拖教育机构的学位或证 书焉使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽的经何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：俄雏搀 签字蜀期： 哪年 月ye l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨童墨鲎有关保留、使熙学位论文舱规定。 特授权苤鲞基壁可以将学证论文的全部或部分内容编入有关数据瘴进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供麓阅和借阅。同意学校 囱蓬家有关都f j 或机构送交论文熬复印僚和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密螽适惩本授权说襄) 学位论文作者签名：凉派越 签字舀期：嘲年秀y 弱 导师虢 襄蠢拳 签字露赣：夕柙年月f 蠢 天津大学硕士学位论文第一章概述 1 1 射频识别技术的概念 第一章概述 r f i d 是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 的缩写，即射频识别，俗称电子标签。 p 强i d ( 射频识别) 是2 0 世纪粥年代兴起的一项鲁动识别技术，它利耀射频信号通 过空闻耦合实现无接触信息传递，通过所传递的信息自动识别目标对象，识别人 员无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。r f i d 技术可识别高速运动物体并可 圊时识别多个标签，操 笮快捷方便。 r f i d 是一种突破性的技术，其主要特点【1 】是： ( 1 ) 可以识别单个的非常具体的物体，而不是想条形码那样只能识别一类物 体； 2 ) 其采用无线电射频，可以透过外部零孝料读数数据，两条形码必须靠激光 来读取信息； ( 3 ) 可以同时对多个物体进行识别，而条形码只能一个一个地读； 婵) 存储的信息量菲常大。 最基本的r f d 系统【2 】由三部分组成： ( 1 ) 标签( t a g ) 由耦合元俘和芯片组成，每个标签有唯一的电子编码，附着在物体上识别目 标对象； ( 2 ) 读写器( r e a d e r ) 也称为阅读器，用于产生发射无线电射频信号并接收由标签反射回的无线电 射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可以写入标签信息的设备。读写 器的收发距离可长可短，根据它本身输出功率和使用频率的不同，从几厘米到几 十米不等。 ( 3 ) 天线( a n t e n n a ) 在标签和读写器之间传递射频信号，控制数据的获取和通信，一般而言， 天线都会和读写器整合在起，可设计为手持式或固定式。以常见的交通卡为例， 卡内嵌有一个电子标签，公交车上的读卡器内置了一个读写器和一裉天线，其读 写距离为l o 厘米左右，属于低频产品，成本相对较低。 天津大学硕士学位论文第一章概述 1 2 射频识别的发展历史f 3 】 在过去的半个多世纪里，r f i d 的发展经历了以下几个阶段，如果按照1 0 年为一个时期，可数划分如下： 1 9 4 1 - - 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的理论基础。 1 9 5 l 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的探索阶段，主要出于实验室实验研究。 1 9 6 l 1 9 7 0 年，灯国技术的理论得到了发展，牙始了一些应用尝试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年，r f d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技 术测试得到加速，并出现了一些最早的r f i d 的应用。 1 9 8 1 - - 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种靓模应用开始出 现。 1 9 9 1 - 2 0 0 0 年，r f d 技术标准化问题日趋得到重视，l 强d 产品得到了广 泛巍焉，r f i d 产晶逐渐成为入们生活中的一部分。 从2 0 0 1 年至今，r f i d 标准化问题日趋为人们所重视。r f i d 产品种类更加 丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到了发展，电子标签 成本不断降低，规模应用行韭不断扩大，r f i d 技术的理论得到了丰富和完善。 单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、 适应高速移动物体的r f i d 正在成为现实。特别是世界头号零售商沃尔玛宣布大 范围使用r f i d 和美国军方宣布军需物品均使用r f i d 来进行识别和跟踪，极大 的接动了r f i d 的研究和瘦属。 1 3 射频识别技术的；f i g 分类方法f 4 】 l 。3 1 根据标签的供电形式分力无源系统和有源系统 射频标签可分为有源耩无源的两种。有源射频标签使用标签内电池酶能量， 识别距离较长，可达几十米甚至上百米，但是它的寿命有限劳且价格较高，标签由 于带有电池，因此，有源标签的体积比较大，无法制作成薄片( 比如信用卡标签) 。 无源射频标签不含有电池，利用耦合的读写器发射的电磁场能量作为囱己的能 量，它的重量轻，体积小，寿命可以非常长，很便宜，可以制作成各种各样的薄 片或挂扣卡，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米到几十米，其需要有较大 的读写器发射功率。 2 天津大学硕士学位论文第章檄述 1 3 。2 根据标签的数据调制方式分戈主动式、被动式和半被动式 根据调制方式的不同分为主动式、被动式和半被动式。般来讲，无源系统 为被动式，有源系统为主动式。主动式的射频系统焉爨身的射频能量主动地发送 数据绘读写器，调制方式冒分为调蠖、调频或调相。被动式的射频系统，使用调 制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，在门禁或交 通的应用中适室。医必读写器可以确保只激活一定范围内的射频系统。在有障碍 物的馕况下，采用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。两主 动方式的射频标签发射的信号仅雾过障碍物一次，因诧主动方式工作酶射频标签 主要磁予有障碍物的应用中，距离更远。 在较旱使用的多数系统中，一次只能读写一个射频标签，射频标签之间要保 持一是距离，确傈一次只麓有一个标签在读写区域态。读写距离长粼射频标签之 阕的距离也要大，废用起来很不方便。现在韵射频标签具有防碰撞的功能，这对 于r 量来说十分重鬟，蹶谓碰撞是指多个射频桥签进入识别区域时相互干扰的 情况。具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别区域的射频标签，它的并行 工佟方式大大提高了系统舫效率。最先进酌r f i d 采用了缀好的防碰撞协议，在 同一对间可以识别工作区域凑的所有标签( 多达3 0 0 个数上) 。 在实际应用中，必须给标签提供能量它才能工作，虽然它的电能消耗非常低。 主动式标签内部叁带电池遴行供电，它的电能充足，工作可靠性嵩，信号传送的 距离远。另努，主动式标签霹潋通过设计耄遗豹不丽寿命，对标签瓣使瘸时阔和 使用次数进行限制，它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地 方，例如，在一年内，标签只允许读写有限次。主动式标签的主要缺点是标签的 使弱寿命受囊限裁，诼显隧着标签滤毫洼电力的漕耗，数据臻输赫距离会越来越 短，从露影响系统的正常工作，也就是说，主动斌标签的工倦性能相对于一段时 间是稳定的。 被动式标签蠹郝不带电池，要靠外赛提供能壁才能正常王 乍。被动式标签产 生电簏的典型装置是天线与线圈。当标签遴入系统戆工作区域对，天线接收到特 定的电磁波，线圈就会产生感应电流，在经过整流电路时，激活电路上的微型开 关，给标签供电。被动式标签具有永久的使用期，常常用在标签信息需要每天读 写或频繁读写多次豹地方，嚣且被动式标签支持长时闻熬数据传输和永久性豹数 据存储。被动式标签的主要缺点是数据传输的距离要比主动式标签短，因为被动 式标签依靠外界的电磁感应供电，它的电能就比较弱，数据传输的距离和信号强 度就受到限制，需要敏惑性比较高的信号接收舞( 读卡器) 才髓可靠识读。 此夕 ，还畜举主动的r f i d 系统。所谓半主动标签系统也称戈邀涟支援式反 天津大学硕士学位论文第章概述 岛散射调制系统。拳主动标签本身也豢有毫池，只起到对标签内郝数字电路供电 的作用，但是标签并不通过自身能量主动发送数撼，只有被读卡器的能量场“激 活”时，才通过反向散射调制方式发送自身的数据。半主动射频标签的电池相当 于汽车发动机的马达，汽车利用马达来雇动发动机，发动机一旦窟动，就不蒋需 要马达提供的凌力。 1 3 3 根据标签的王作频率可以分为低频、高频、超高频和微波系统 读头发送薏线臻号霹新使瘸的频率被称隽r f i d 系统的王律频率，基本上划 分为嚣个主要范匿：低频( 3 0 - 、一3 0 0 k h z ) 、高频( 3 - - 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z - - - 3 g 舭) 以及微波( 2 4 5 g h z 以上) 。低频系统一般工作在1 0 0 - - - 5 0 0 k h z ，常见的 工律频率有1 2 5 妊f z 、1 3 4 。2 k h z ；高频系统王作在1 0 - - - 1 5 m i - i z 左右，常见的高频 工作频率鸯1 3 。5 6 黼溆；超离频工佟频率先8 5 0 - - 9 6 0 m h z ，常见戆王作频率为9 1 5 m h z ；微波工作在2 4 - - 5 g h z 的微波频段。低频系统用于短距离、低成本的应 用中，如多数的门禁控制、动物监管、货物跟踪；高频系统用予门禁控制和需要 黄送大量数据麴应周；超高频系统廒耀于需要鞍长的读写距离和较高翁读写速度 的场合，如火车监控、高速公路收费等系统。 1 3 4 根据标签的可读写性分为只读、读写和一次写入多次读出卡 梭据瓣频标签感部使震存储器类塑鹩不露哥分为三辫：露读写卡( 薹乏箨) 、一 次写入多次读出卡( w o 蹦) 和只读卡( r o ) 。r w 卡一般比w o r m 卡和肭 卡贵，如信用卡等。w o r m 是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变， w o r m 卡毖r w 卡要便宜，r o 卡存有唯一熬号码m ，不能修改，这样具有较 高的安全性，卡最便宣。 只读标签内部只有只读存储器( r e a do n l ym e m o r y ，r o m ) 和随机存储器 ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，r a m ) 。r o m 瘸子存储发射器操作系统程痔和安全 性要求较褰於数据，玄与蠹部鳃处蘧器或逻辑处避单元完成内部熬攥侮控豢l 功麓， 如响廒延迟时间控制、数据流控制、电源开关控制等。另外，只读标签的r o m 中还存有标签的标识信息，这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入r o m 孛，也胃以在称签开始使爝时由馒建卷撮撰特定麓使爝噩鳃写入特殊的编码信 息。这种信息可以只简单的代表二迸制中的“0 或“1 ”，也可以像二维条码那 样，包含复杂的相当率富的信息，这种信息只能次写入，多次读出。只读标签 孛的r a m 用于存储标签反应帮数据传输过程孛峨时产生的数据。另乡 ，只读标 签中除了r o m 帮r a m 之终，般还有缓冲存储器，爨于暂孵存镳谲截螽等待 4 天津大学硕士学位论文第一章概述 天线发送的信息。 可读可写标签内部的存储器除了r o m 、r a m 和缓冲存储器之外，还有非活 动可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当的条件下 允许多次写入数据的功能，葺# 活动习编程记忆存储器有许多耪，e e p r o m ( 电可 擦除可编程只读存储器) 是比较常见的一种，这种存储器在加电的情况下，可以 实现对原有数据的擦除以及数据的重新写入。 1 3 5 根据标签存储器数据存储能力分为标识标签和便携式数据文件 根据标签中存储器数据存储能力的不同，可以把标签分为仅用于标识目的的 标识标签与便携式数据文件两种。对于标识标签来说，一个数字或多个数字，字 母字符串存储在标签中，是为了识别的目的，也可能是进入信息管理系统中的数 据库的钥匙( k e y ) 。条形技术中标准码制的号码，女曩e a n u p c 码、混合编码， 或者标签使用者按照特别的方法编的码，都可以存储在标识标签中。标识标签中 存储的只是标志号码，用于对特定韵标志项目，如入、物、地点进行标识，关于 被标识项碾的详细信息，只畿在与数据楱连接的数据瘁中查找。 顾名思义，便携式数据文件就是说标签中存储的数据非常大，足以看作是一 个数据文件，这种标签一般都是用户可编程的，标签中除了存储标识码外，还存 储有大量的被标识项霹中其它的相关信息，知包装说明、工艺说甓等。在实际应 用中，关于被标识项目的所有信息都存储在标签中，读标签就可以得到关于被标 识项目的所有信息，而不用再连接到数据库进行读取。另外，随着标签存储能力 的提高，霹臣提供组织数据的能力，在读标签的过程串，可以根据特定的应用雷 的控制数据的读出，实现在不同情况下读出不同数据。 1 4 射频识男l j 技术的应用领域 射频识别技术在国外发展很快，r f i d 产品种类也很多。如德州仪器公司 ( t i ) ，m o t o r o l a ，p h i l l i p s ，e m ，i p i c o ，a l i e n 等世界著名厂家都生产i 讧m 产品， 并髓他们的产品各有特点，自成系列。 射频识别技术被广泛廒用于【5 l - l - 业自动化、商业自动化、交通运输控制管理 等众多领域：汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车厂管理系统， 物晶管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓库管理，动物管理，车辆防盗， 等等。r f i d 的应用仍在层出不穷，如澳大利亚将它i 匏r f i d 产品用于澳洲机场旅 客行李管理中，并发挥了出色的作用：欧共体宣布从1 9 9 7 年开始生产的新型车 必须具有基于r f i d 技术的防盗系统；瑞士阙家铁路局在瑞士的全部旅客列车上 天津大学硕士学位论文第一章概述 安装了r f i d 自动识别系统，调度员可以实时掌握火车运行情况，不仅利于管理， 还大大减小了事故发生的可能性；德国汉莎航空公司试用非接触的射频标签作为 飞机票，改变了传统的机票购销方式，简化了机场入关的手续：德国b m w 公司 将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中；m o t o r o l a 公司在超净 车间里利用r f i d 系统来控制流水线的零件流向；中国则建立了世界上最大的 r f i d 铁路车号自动识别系统，等等。 1 5 射频识别技术在我国的发展前景 我国政府在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统 的1 0 年规划【6 】，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工 程。由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。现在，射频识别技术做为一 种新兴的自动识别技术，也将在中国很快地普及，可以说，我国射频识别产品的 市场是十分巨大的，举一个例子来说明，利用射频识别技术的不停车高速公路自 动收费系统是将来的发展方向，人工收费包括i c 卡的停车收费方式也终将被淘 汰。随着经济交流、旅游的发展，我国的高速公路发展势头十分强劲，对自动收 费系统的需求会日益增长，我国的国土面积大、公路多、车辆多，预计在未来十 年内将有数十亿元的需求。 国内已有几家公司在引进国外的先进技术，开发自己的射频识别系统。现在， 在锦山的一条高速公路上已应用了非接触射频卡自动收费，上海的公共汽车使用 了电子月票，北京的机场高速公路上、深圳的皇岗口岸也使用了射频识别系统收 费等等。 r f i d 技术比较有发展前景，可以毫不夸张的预测，任何一种应用如果成为 现实，都将会孕育一个庞大的市场。r f i d 将是未来一个新的经济增长点。 1 6 本章小结 本章主要介绍了射频识别技术的概念、发展历史、分类方法、技术领域及发 展前景，目的是对射频识别技术有一定的了解。 6 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术的工作原理和标准简舟 第二章射频识别技术的工作原理和标准简介 2 1 射频识别技术的基本工作原理 射频识别技术的模型如图2 - 1 所示w ，其中，电子标签又称为射频标签、应 答器，阅读器叉被称为读出装置、读头、读写器( 取决于电子标签是否可以无线 改写数据) 。电子标签与阅读器之间通过耦台元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦台。在耦合通道内根据时序关系实现能量的传递和数据的交换。 t * 7 ：= 一 图2 - 】r f i d 的基本模型图 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦台类型有两种： ( 1 ) 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦台，依据的是 电磁感应定律，如图2 - 2 所示。 ( 2 ) 电磁反向散射耦台。雷达原理模型，发射出去的电磁渡，碰到目标后 反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空问传播规律，如图2 - 3 所示。 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术的工作原理和标准简介 图2 - 2 电感耦合匿2 3 电磁藕合 电感耦合方式一般适用于中、低频工作的短距离射频识别系统。典型的工作 频率有1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z ，识别作震距离小于l m ，典型作用距离为 1 0 - - - 2 0 c m 。 电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。 典型的工作频率有：4 3 3 m h z 、9 1 5 m 融、2 4 5 g h z 和5 8 g h z ，识别作用距离大 于l m ，典型作用距离为3 - - 1 0 m 。 由图2 - 1 可以看出，在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通 过一定的时序方式来实现数据的交换。因此，在r f i d2 1 2 作的空闻通道中存在三 种事件模型：以能量提供鸯基础豹事件模型，以时序方式实现数据交换的实现形 式事件模型，以数据交换为目的的事件模型。下面分别给以说明。 读头向电予标签提供工作能量。对于无源标签( 被动标签) 来讲，当标签离开 射频识别场时，标签出于没有能量的激活面处于休眠状态。当标签进入射频识别 场时，读头发射出来的射频波激活标签电路，标签通过整流的方法将射频波转换 为电能存储在标签中的电容里，从而为标签的工作提供能量，完成数据的交换。 对于半有源标签来讲，射频场只起到了激活酶作用。有源标签( 主功标签) 始终处 于激活状态，处于主动工作状态，和读头发射出的射频波相甄作用，具夜较远的 识读距离。 时序指的是读头和标签的工作次序问题。也就是读头主动唤醒标签( 相当于 读头发出“你在哪里，你在哪里? ”的询问。r e a d e r t a l k f i r s t ，r t f ) ，这黠标签 首先自报家门( 相当于标签一直在呼唤“我在这里，我在这里。 t a gt a l kf i r s t ， r r f ) 。对于无源标签来讲，一般是读头先讲的形式；对于多标签同时识读来讲， 可以采焉读头先讲的形式，也可以是标签先专井的形式。对于多标签同时识读，“同 时”也只是相对的概念，为了实现多标签无冲撞同时识读，对于读头先讲的方式， 读头先对一批标签发出隔离指令，使得读头识读范围内的多个电子标签被隔离， 最蔗只保留一个标签处于活动状态与读头建立无冲撞的通信联系；通信结束君指 客 天津大学硕士学位论文 第二睾射频识别技术的工作原理和标准简介 定该标签进入体眠，指定个薪的标签执行无冲撞通信指令。如此重复完成多 标签同时识读。对于标签先讲的方式，标签随机地反复发送自己的识别i d ，不 同的标签可在不同的时间段被读头正确读取，完成多标签的同时识读。 读头帮标签之闻的数据通信包括读头向标签麴数据通信容标签向读头的数 据通信。 在读头向标签的数据通信中，又包括离线数据写入和在线数据写入。无论是 只读射频标签还是可读写的射频标签，都存在离线写入的情况这是因为，对于 任何一只射频电子标签来讲，都具有惟一的d 号，这个国号对于一只标签来讲， 是不可更改的。这样的m 号码可以在标签制造时由工厂固化写入( 工厂编程) ， 终身不变。但是，无论哪种写入方式d 号一旦写入，就不能在r f i d 系统中更 改。d 号的写入也霹以是非接触方式的写入。对于数据的在线写入来讲，指的 是可写标签。射频标签的可写性能对系统提出了很高的技术要求，要求具有较大 的能量、较短的写入距离、较慢的写入速度、较低的数据写入速率、较复杂的写 入校验过程等。这样就在较大程度上提高了射频标签的成本。也在某零中程度上 增加了标签数据的安全隐患。从目前市场上的射频系统来看，可读写的标签系统 并不多，而且写入性能也不是很高。因此，在大多数应用场合，使用的都是只读 r f i d 系统，都是运用后台来支持标签的数据属性的。 对于标签向读头的数据通信过程，其工作方式包括以下两种： ( 1 ) 标签收到读头的射频能量时，即被激活并向读头反射标签存储的数据信 息；， ( 2 ) 标签被激活后，根据读头指令转入数据发送状态或体眠状态。 在这两种工作方式中，前者属于单向通信，后者属于半双工双向通信。 电子标签与阅读器构成的射频识别系统是为应用服务的，应用的需求可能多 种多样，备不棚圊。阅读器与应用系统之闻豹接隧通常蔫一缀可由应焉系统开发 工具调用的标准接口函数来表示。 2 2r f i d 标准简介 标准化是指对产品、过程或服务现实和潜在的问题做出规定，提供可共同遵 守的工作语言以利于技术合作和防止贸易壁垒。射频标准体系是将无线技术作 为一个大系统，并形成一个完整的标准体系表。 由于目前还没有正式的r f i d 产品( 包括各个频段) 国际标准，因此，各个厂 家推出的r f i d 产品互不兼容，造成了r f i d 产品在不同市场和应用上的混乱和 孤立，这势必对未来的醛l d 产品互通和发展造成障碍。 9 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术的工作原理和标准简介 事实证明，标准化是推动r f i d 产业化进程的必要措施。 目前，形成了五大标准组织【7 】，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。 e p cg l o b a l 是由北美u c c 产品统一编码组织和欧洲e a n 产品标准组织联合成立， 在全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国 公司的支持。而a i m 、i s o i e c 、u d 则代表了欧美国家和日本；d x 的成员则 以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主。 其中，e p cg l o b a l 和i s o i e c 是两个主要标准。e p cg l o b a l ( 全球产品电子 代码管理中心) 是目前全球实力最强的i 江标准组织，其前身是北美u c c 产品 统一编码组织和欧洲e a n 产品标准组织，合并后称为e p cg l o b a l 。现在，e p c g l o b a l 又成为g s l 环球标准老大组织的一员，成为其致力于r f i d 标准的机构。 和e p cg l o b a l 相比，i s o i e c 有着天然的公信力，因为i s o 是公认的全球非盈 利工业标准组织。与e p cg l o b a l 只专注于8 6 0 9 6 0m h z 频段不同，i s o i e c 在 各个频段的r f i d 都颁布了标准。i s o i e c 组织下面有多个分技术委员会从事 r f i d 标准研究。日本u i d ( 泛在技术核心组织) 目前已经公布了电子标签超微芯 片部分规格，但正式标准尚未推出；支持这一r f i d 标准的有3 0 0 多家日本电子 厂商、i t 企业。日本和欧美的r f i d 标准在使用的无线频段、信息位数和应用领 域等有许多不同点。a i m ( 自动识别与数据收集组织) 和i p x 的势力则相对弱小。 中国r f i d 标准的制订工作正在按日程进行，不久将出台中国的r f i d 标准。 由于r f 标准是一系列标准，2 0 0 6 年底将会出台低频r f i d 标准，到无线电管 理委员会开放了频率范围后，才有可能出台全系统的r f i d 标准。 射频标签的通信标准【8 】是标签芯片设计的依据，目前国际上与r f i d 相关的通 信标准主要有：i s o i e c1 8 0 0 0 标准( 包括7 个部分，涉及1 2 5 k h z ，1 3 5 6 m h z ， 4 3 3 m h z ，8 6 0 9 6 0 m h z ，2 4 5 g h z 等频段) ，i s 0 1 1 7 8 5 ( 低频) ，i s o c1 4 4 4 3 标 准( 1 3 5 6 m h z ) ，i s o i e c1 5 6 9 3 标准( 1 3 5 6 m h z ) ，e p c 标准( 包括c l a s s 0 ，c l a s s l 和g e n 2 等三种协议，涉及h f 和u h f 两种频段) ，d s r c 标准( 欧洲e t c 标准，含 5 8 g 比) 。目前电子标签芯片的国际标准出现了融合的趋势，i s o i e c1 5 6 9 3 标 准已经成为i s 0 18 0 0 0 3 标准的一部分，e p cg e n 2 标准也已经启动向i s 0 1 8 0 0 0 6 p a r tc 标准的转化。 2 3i s o i e c18 0 0 0 标准 i s o i e c1 8 0 0 0 是物品管理的射频识别( r f i d ) 的国际标准，按工作频率的 不同分为7 部分，第l 部分：全球接收频率；第2 部分：低于1 3 5 k h z 的频率： 第3 部分：频率为1 3 5 6 m h z ；第4 部分：频率为2 4 5 g ；第5 部分：频率为 1 0 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术的工作厥理和标准简介 5 8 愆至差z ；第6 部分：频率为8 6 0 - - 9 3 0 m h z ：第7 部分：频率为4 3 3 潍z 。其中， 第6 部分规定的u h f 频段因为适合远距离识别并且对环境影响较小而成为目前 国际上r f i d 产品发展的热点，相应亦成为人们关注的焦点。 以下介绍l s 溅1 8 0 0 0 - 6 信息技术针对物品管理的射频识甓( r f l d ) 第6 部分：针对频率为8 6 0 - 9 3 0 m h z 无接触通信空气接口参数【9 】的阅读器 与应答器之间的物理接口、协议和命令以及防冲突判断机制，分析两种协议类型 技术上的差别和性能上的表现【潮。 2 3 1 物理接口 i s o i e c1 8 0 0 0 - 6 标准定义了两种类型的协议：t y p e a 和t y p eb 。标准规定， 阅读器需要同时支持两种类型，它能够在这两种类型之阁切换。应答器需要至少 支持一种类型。 1 t y p e a 协议的物理接豳 t y p ea 协议的通讯机制是基于一种“阅读器先发言”的：即基于阅读器的 命令与应答器的回答之闻交替发送的机制。整个通讯的数据信号定义为以下四 种：“0 ”，“l ”，“s o f 和“e o f ”。 通讯中的数据信号的编码和调制方法定义为： ( 1 ) 阅读器到应答器之闻觞通讯传输 阅读器发送的数据采用a s k ( 调制载波幅度) 进行调制，调制深度是3 0 ( 误差不超过3 ) 。 数据编码采用脉冲宽度编码( p 磁) 来编码数据，如图2 4 所示，酃通过定 义下降沿之间的不同宽度来表示不同数据信号。 符号时间长度 0l l2 幢拜始( s o f ) 毒 帻结束( e o f ) 4 图2 4 脉冲宽度编码( p l e ( 2 ) 应答器到阅读器之间的传输连接 天津火学硕士学位论文第二章射频识别技术的工作原理和标准简介 虚答器通过反翔散射给阅读器来传输信息，数据速率是4 0 k b p s 。数据采用 f m 0 编码。f m 0 编码又瑟q 双相闰隔编码( b i p h a s es p a c e ) ，是在一个位窗内采用 电平变化来表示逻辑，如果电平从位窗的起始处翻转则表示逻辑“l ”；如果电平 除了在位窗的起始处翻转，还在位窗的中间翻转则表示为逻辑“0 。 2 。t y p eb 协议的物理接日 t y p eb 的传输机制也是基予“阅读器先发言的”的，即基于阅读器的命令 与应答器的回答之间交换的机制。 ( 1 ) 阅读器到应答器之间的数据传输 采用a s k 谲翩，调制深度是ll 或9 9 ，经速率规定为1 0 k b p s 或4 0 k b p s ， 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码来完成。具体来说就是一种o n - o f fk e y 格式。射频 场存在代表“l ，射频场不存在代表“0 ”。m a n c h e s t e r 编码是在一个位窗内采用 电平变化来表示逻辑描l ”( 下降滚) 和逻辑“0 ( 上暑浍) 熬。 ( 2 ) 应答器到阅读器之间的数据传输 同t y p e a 一样，通过调制入射并反向散射给阅读器来传输信息。数据速率 是4 0 k b p s 。同t y p e a 一样采用f m 0 编码。 2 3 2 协议和命令 l 。t y p e a 协议和命令 幻命令格式 由阅读器发送给应答器的数据按圈2 5 所示的帧格式组成。 r 厂_ 工 二 工丁 厂 lillllll lll|llll 一 静默i帧头 i bbb b i 帧尾 ( q u i e t ) ( s o f ) 命令(eof) ( c o m m a n d ) 图2 。5 帧格式 开始的静默( q u i e t ) 是一段持续时间至少3 0 0 微秒的无调制载波。s o f 是 帧开始标志。在发送完e o f 结束标志之后，阅读器必须维持一段时间的稳定载 波来提供应答器囡答的能量。 命令包含下列各部分区域( 见表2 - 1 ) ： 表2 1t y p e a 阅读器命令格式 | 保留 f u 蠡& 蚤| 禽令码| 命令标悫| 参数| 数据区 | c r c l 6 或c r c 5 | 1 2 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术的王作原理和标准简介 r f u 位，保留作为协议的扩展；命令玛的长度是6 比特；命令标志的长度 是4 比特；使用c r c l 6 或者c r c 5 取决于命令的位数，可在不同长度的命令中 分别采用不同位数的c r c 编码。 应答器的回答格式如表2 - 2 ，回答包含下列区域：帧头、标志位、一个或更 多的参数区、数据、采用1 6 位的c r c 编码。 表2 2t y p e a 应答器回答格式 i 帧头 l 标志( f l 黟) l 参数( p 吖眦e t e 嘴)l 数据 l c r c l 酗数据帮参数 在t y p e a 协议的通讯中可能用到以下的数据内容和参数信号： 命令标志段：一个4 比特的数据用来规定应答器的工作和数据段的有效性。 其中l 比特的标志定义命令是否使用在下面的防冲突过程中，其健的三位根据具 体情况有不同的定义。 数据段：数据段中定义了应答器的识别码和数据结构，另外为了加快识别过 程，还定义了一个较短的识剐码，如表2 3 所示。 表2 - 3 数据段说明 数据段说明 应答器6 4 位的瞧一标识符，其体分配：离8 位定义为“e o ”，接着是8 位的 l c 制造商码和4 8 位的唯一序列号( 只有g e t _ s y s t e m _ i n f o r m a t i o n 命令才返回 窨糌u i d ) 。 s 1 j m 作为u i d 的子集，被用在冲突识别过程巾的绝大部分命令和回答，它是一个 4 0 位的轹识符：8 位l c 制造商码秘u i d 序列号的低3 2 位。 a f il 字节编码，定义了所有的应用类及其子类。该标识符被用来指定应答器的目 标应用类型，可以被编辑或锁定。 芬s f l dl 字节编码，定义了瘦答器存储器中的数据结构，哥娃被编辑或锬定。 c ) 存储器寻址 t y p ea 可以寻址最多可达2 5 6 个b l o c k s ，每个b l o c k s 最多可包含2 5 6 比特的 容量。所以整个废答器的存储容量最多达6 4 k 比特。 d ) 通讯中的一些时序规定 威答器应该在无电或电源不足的情况下保持它的状态至少3 0 0 微秒，特别当 应答器处予静默状态时，应答器必须保持该状态至少2 秒，可以魔复位 天津大学硕士学位论文 第二章射频识别技术的工作原理和标准篱介 ( r e s e tt of a d y ) 命令退出该状态。 应答器从阅读器接收到一个帧结柬( e o f ) 盾，需要等待从帧结束( e o f ) 的下降沿开始计时的段时间后才开始回发，等待的时间根据时隙延迟标志确 定，一般在1 5 0 微秒以上。 阅读器对予特定的一个应答器的网答必须在一个特定的时间鬻1 2 1 里发送，这 个时间从应答器最后一个传输位结束后的第2 和第3 位时的边界开始，持续2 7 5 个应答器的比特。 阅读器在发送命令前至少3 个比特对内不得调制载波。阙读器在应答器最后 一个传输位结束后第4 个位时内发送命令帧的第一个下降沿。 3 t y p e b 协议和命令 曲命令格式 表2 _ 4t y p eb 阅读器命令格式 帧头探测段是一个至少持续4 0 0 微秒的稳定无调制载波( 相当于1 6 位数据 “1 的传输) ； 帧头是9 位的m a n c h e s t e r “0 ”，n r z 格式就是0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 ： 分割符是用来区分帧头和有效数据的，共定义了4 种，一般采用第一种no o 1 ll ol o ； 命令、参数和数据段未作明确定义，由具体指令来确定