（通信与信息系统专业论文）58ghz+rfid电子标签的硬件设计.pdf

哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论殳 5 8 g h zr f i d 电子标签的硬件设计 摘要 射频识别( r a t i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术是2 0 世纪中期 无线电技术应用与研究发展的产物。在近半个世纪的发展过程中，射频识别 技术从简单的基础理论研究到实验室实验研究，最后形成了广泛众多的商业 产品，应用范围遍及制造、物流、医疗、运输、零售、国防等领域。其中近 十几年射频技术在远距离和长寿命等方面都有所突破，不停车收费系统就是 这一应用的典型代表。 不停车收费系统( e l e c t r o n i ct 0 l lc o l l e c t i o n ，e t c ) 是未来高速公路， 桥梁，隧道等收费系统的发展趋势，此项应用在欧美和同本等发达国家已经 大范围的使用，快捷便利。但进入我国市场只有短短的十年时问，无论是产 品应用的推广，还是运营，管理都不完善，都与发达国家存在一定差距，这 也说明我国在不停车收费系统的市场仍存在很大的发展空间。 电子标签是不停车收费系统的主要组成部分之一，它与阅读器，天线系 统共同组成最基本的射频识别系统。目前射频识别系统存在三个国际标准： i s o 标准、e p cg l o b a l 标准和u b i q u i t o u si d 标准，而我国现有的e t c 系统 中，三种标准并存，同时国际上e t c 系统使用的频段有三种：9 1 5 m h z ， 2 4 g h z ，5 8 g h z 。中国在2 0 0 7 年颁布了自己的e t c 标准一专用短程通信标 准，此标准规定了我国的e t c 频段为5 8 g h z 。 本文搭建了一种符合我国专用短程通信标准的电子标签平台，采用硬件 具体实现和仿真的方法进行研究。此平台的数字主控芯片为m s p 4 3 0 f 5 x x ， 上行链路的发射芯片为m l 5 8 3 0 ，从而完成5 8 g h z 电子标签与e t c 系统中 阅读器的通信功能，实现高速公路路桥的不停车收费目的。 关键词射频识别；不停车收费系统；5 8 g h z 电子标签；低功耗 h a r d w a r ed e s i g no f5 8 g h zr f i d t a g a b s t r a c t r a t i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ni sp r o d u c t i o no fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f r a d i ot e c h n o l o g yi nt h em i d d l eo ft w e n t yc e n t u r y i nt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t n e a r l yh a l f ac e n t u r y , r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ne x p e r i e n c e sf r o ms i m p l y b a s i cr e s e a r c ht o l a b o r a t o r y ，a n df i n a l l yf o r mal a r g en u m b e ro fc o m m e r c i a l p r o d u c t sw h i c hi n c l u d em a n u f a c t u r e ，l o g i s t i c s ，m e d i c a l ，t r a n s p o r t a t i o n ，r e t a i l ， d e f e n s ea n do t h e rf i e l d s o v e rl a s td e c a d er a d i ot e c h n o l o g yh a sb r o k e ni nm a n y a s p e c t ss u c ha sl o n g - d i s t a n c ea n dl o n g l i f e e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e mi sa t y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo ft h i sa p p l i c a t i o n e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ni st h ef u t u r eo fc h a r g i n gs y s t e mo f h i g h w a y , b r i d g e a n dt u n n e l t h i sa p p l i c a t i o nh a sa l r e a d yw i d e l yu s e di nd e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c h a sa m e r i c a ，j a p a na n de u r o p e b u te t cs y s t e mj u s tc o m ei n t oc h i n e s em a r k e t o n l yas h o r tp e r i o do ft e ny e a r s t h e r ei sac e r t a i ng a pb e t w e e nc h i n aa n dt h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，f o ri n s t a n c e ，p r o m o t i o no f a p p l i c a t i o n s ，o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t t h i sa l s os h o w st h a tt h e r ei ss t i l lal o to fs p a c ef o rd e v e l o p m e n to f e t cm a r k e t r f i dt a gi sam a j o rc o m p o n e n to ft h i ss y s t e m w i t ht h e r e a d e r a n t e n n a s y s t e m ，t a gc o n s t i t u t e st h eb a s i cr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m t h e r ea r e t h r e er a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m so fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ：i s o s t a n d a r d s ，e p cg l o b a ls t a n d a r d sa n dt h eu b i q u i t o u si ds t a n d a r d s a n dt h et h r e e s t a n d a r d sc o - e x i s ti nc h i n a ，w h i l et h e i n t e r n a t i o n a le t cs y s t e mu s e st h r e e f r e q u e n c yb a n d s ：9 1 5 m h z ，2 4 g h z ，5 8 g h z i n2 0 0 7 ，c h i n ai s s u e di t so w ne t c s t a n d a r d s - d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c hs p e c i f i e st h ef r e q u e n c y o ft h ee t cf o rt h e5 8 g h z t h i sp a p e rp r o v i d e sat e s t i n gm e t h o dt h r o u g hw h i c hap l a t f o r mo fat a gc a n b ec o n s t r u c t e da n dt h et h e o r yo fr f i dw o u l db ea p p l i e d ，w h i l el o w p o w e rc h i p m s p 4 3 0 f 5 x xw i l lb eu s e da st h em c ua n dm l 5 8 3 0w i l lb eu s e da st r a n s m i t t e r 0 ft h ew h o l et a gs y s t e mi no r d e rt or e a l i z ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h et a ga n d t h er e a d e ro fe t c 哈尔滨理t 人学t 学硕l + 学位论文 k e y w o r d s r a t i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n 5 8 gt a g ，l o w p o w e r 1 1 1 哈尔滨理丁人学丁学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 目前，中国的许多高速公路，道路桥梁和隧道的收费方式还是传统的设置 收费站进行人工收费，但这种收费方式已经成今天中国交通的严重阻碍1 1 1 。尤 其在2 0 1 0 年中国汽车销量达到历史最高的今天，高速公路的高效运转是尤为 重要的，也是必须要解决的交通问题。传统的收费方式以及人工半自动收费已 不能适应高速公路收费管理的需要。收费站塞车现象已经是一个较为普遍的社 会现象，同时也间接影响着中国经济的发展。 传统的收费方式是一车一停，收费效率低，降低了车辆的通行能力，造成 交通堵塞，成为高速公路，桥梁隧道发挥其最大效率的障碍；车辆多次的启动 制动带来了能源的浪费，排除的尾气造成了环境的污染，同时也加快车辆零部 件的磨损，带来了交通隐患；由于停车收费是现金交易，因此导致贪污的现 象，造成资金流失；从灵活性的角度讲，停车收费这种传统方式虽然也通过电 脑操作，但整个系统由于人为因素变得运行缓慢，无法向车辆使用者提供快 捷、方便的服务。 高速公路管理运营单位也曾经提出过收费站的重建和增加收费人员的相关 解决方案来解决收费站的拥堵问题，但此项措施不仅带来的是运营成本的增 加，而且并不能从根本上转变收费口的拥堵状况。随着汽车数量的不断增加， 交通量的不断增长，原有的收费路口吞吐量和收费方式已经不能满足车辆快速 通行的要求。因此寻求高效率的、安全的收费方式已成为必然的发展趋势。 2 1 世纪随着通信技术、嵌入式技术，网络计算机技术的飞速发展，为实现 公路的科学化设计和现代化运行管理，提高交通设施的利用率，为连网环境下 实现不停车收费的方案提供了有力的保证。在大势所趋的要求和有利的环境 下，电子不停车收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，e t c ) 孕育而生，加上便 捷的计算机网络技术，可以同时将相同城市的几乎所有的涉及车辆路桥收费站 点相连，也可以将同一省内连接各个大中小城市的高速公路连成一个整体，方 便运营和管理。， 电子不停车收费系统具有传统的人工收费系统不可比拟的优势，很大程度 上提高了高速路桥收费的服务水平和通行能力，使得车辆运行更加畅通、便 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 捷；不停车电子收费系统的运行和管理的可靠性和有效性大大增加，运营成本 大大降低，提高了车辆的运营效益，同时解决了由于认为原因造成的交通堵塞 和系统运行缓慢的问题：能源消耗和环境污染等问题也得到了妥善的控制；间 接的提高了社会的经济效益；智能化程度的提高节约了大量的人力和物力，减 轻了工作人员的工作疲劳度，同时也改变了恶劣的工作环境；此外还减少驾驶 员携带金钱和财务报销的麻烦，可以从根本上杜绝贪污现象的发生；公路收费 的可靠性和可控性得到保证。 电子不停车收费是一项用于高速公路，隧道，桥梁的车辆自动收费技术。 电子不停车收费系统是利用收费站自动搜索和识别车辆来完成车辆与收费站之 间的无线数据通信，进行车辆自动缴费，然后通过计算机网络进行数据的处 理，从而实现不停车自动收费的功能【2 i 。 电子不停车收费系统采用微波有源射频识别技术来完成汽车与自动收费站 之间的无线数据通信。目前国际上的电子不停车收费系统采用的频段主要有三 种：9 1 5 m h z 、2 4 g h z 、5 8 g h z 。其中前两个频段在医疗卫生，无线通信和科 研等其他领域应用广泛，其频率重复使用现象严重，相对其他频段管理和使用 权限上比较混乱，背景噪声较大，并且没有相应有效的安全机制，通信可靠性 和有效性比较差，尤其是2 4 g h z 频段是全球免许可频段，其问题更为严重 【3 】。相对前两个频段来说5 8 g h z 频段已在2 0 0 7 年被我国批准应用于电子不停 车收费，因为该频段背景噪声小，具有专业有效的安全保证，同时符合国内外 标准化组织的相关技术标准f 4 】。 但由于5 8 g h z 电子不停车收费系统技术本身实现起来具有一定难度，况 且国内在2 0 0 7 年才刚刚颁布相关标准，所以在研发此项技术上的起步较晚。 国内具备此项设备研发与生产能力的企业少之又少，而且都在相关技术上及其 严格的保密，形成不正当的垄断，缺乏市场竞争力，导致电子不停车收费系统 价格居高不下，无论是在收费站处使用的阅读器还是在车辆上使用的电子标签 价格都比较昂贵，电子标签一般价格都在四百元到五百元之间，这样导致多数 私家车和长途汽车驾驶员都持观望态度，不轻易涉足使用此项技术，从而限制 了电子不停车收费技术的发展与推广，也就导致了目前各城市高速路桥收费站 交通堵塞的问题。 故高性价比且符合我国电子不停车收费标准的电子标签的研发成为降低整 个系统成本和推行不停车收费系统使用的核心问题之一。可见研究符合我国 5 8 g 电子标签是非常有意义和市场前景的。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 1 2e t c 国内外发展现状 1 2 1e t c 国外发展现状 高速公路收费模式早在几个世纪之前就出现了，首先是在欧洲的一些国 家，相继出现了桥梁和渡口收费。到了十九世纪初期，英国大约已经有3 5 0 0 公 里的公路设置了收费站，日本的车辆过路收费项目在当时占日本全部道路预算 的四成。最早的不停车收费应用至今也有二十多年的时间了，其主要分柿在欧 洲、同本、美国等国家。由于电子不停车收费技术发展也有较长的历史，许多 发达国家和地区的收费系统已经连成了网络【5 i ，初具规模，形成规模化利益。 这些国家很早就开始对不停车收费系统中的各项枝术进行研发，进行工程实 践。 目前国际e t c 标谁已形成以欧洲c e n t c 2 7 8 ，美国a s t m i e e e ，日本 i s o t c 2 0 4 为核心的专用通信短程( d s r c ) 标准化体系。 1 欧洲 欧洲在二十世纪中期就丌始使用电子不停车收费系统【6 1 ( t e l e p a s s ) ，当时 它仅可以在同一个公司所管理的道路网中通用，此时的电子不停车收费系统采 用的技术是只读车载电子标签，和先通行后到银行付款的方式。在上个世纪九 十年代左右，欧洲国家开始使用第二代电子收费系统，采用专用短程通信标准 的5 8 g h z 频段可读写电子标签。还有一些其它e t c 系统，比如葡萄牙的开放式 电子不停车收费系统和罗马高速公路封闭式电子不停车收费系统。 葡萄牙的电子不停车收费系统( v i av a r d e ) 可以算作欧洲比较有代表性的联 网e t c 系统之一。由葡萄牙最大的公路运营商b r i s a 公司管理和运营，其收费 系统采用封闭式和丌放式相结合的模式【7 i ，该e t c 车道的上设有自动栏杆，如 果缴费不成功，或者欠费等问题，车辆可以转到丌放式的车道上进行人工缴 费，这样在封闭式的车道上，车辆能以不低于8 0 k m h 的速度通行。 意大利的百分之三十的收费站使用了e t c 设备，该系统的收费方式每分钟 可处理车辆3 0 次，意大利的e t c 系统可以被认为是目前为止国际上比较庞大的 电子不停车收费网络，不停车收费交易次数可以高达到每同几十万次。 2 日本 在闩本，电子不停车收费系统的推广和使用是政府和企业都很重视的问 题，这关系到企业经济利益问题。由于技术上存在一定的难度和政府的协调管 哈尔滨胖t 人学t 学硕l j 学化论文 理的问题，直到1 9 9 9 年开始全面建设同本国内的电子不停车收费系统的网络。 首先建成的是东京附近的环路工程。由于刚刚丌始建设，必定存在一些问题， 在总结了经验教训后，从2 0 0 0 年开始在日本国内的其他大中城市的多条高速公 路和桥梁上建设e t c 系统，大约共计一百多个收费站，几百多条e t c 车道。 同本采用的是接触式l c 卡加双片式电子标签和双天线的方案，车道设置双 向高速打开栏杆【引，有很高的车道吞吐能力，而且保密机制相对于从前有很大 的提升。 三菱株式会社、丰田株式会社是同本e t c 系统研究的领先者，并在各地大 力的开展了不停车收费系统验证试验【9 1 。闩本交通部和公路管理相关部门组织 了多家单位在全国各大中小城市进行了实地考察和试验，试验结束后就有关技 术参数做的修i f ，并且对试验结果进行了详细分析和总结。随后在日本政府的 相关部门的协助下，编制了有关不停车收费标准草案并提交给国际标准化组织 并于1 9 9 8 年在全国范围内统一推广e t c 系统，以保证全国范围内的兼容性【1 0 l 。 3 美国 美国是当今世界上高速公路最多，设备最完备，公路网线最发达的国家， 也是电子不停车收费使用最早的国家之一【1 1j 。最著名的联网运行e t c 系统是e z p a s s 系统，该系统采用专用车道与混合车道两种模式，都有工作人员值班， 系统的专用车道限定了时速不允许超过5 英里，以便给工作人员和汽车驾驶员 一个安全的收费环境【1 2 i 。 从违章行为的处理方式来看，有当场被警察处理和抓拍照片事后交罚款两 种模式。如果电子不停车收费系统运营模式不能淋漓尽致的发挥免停车快速通 过的能力，不能大幅减少工作人员的劳动强度，将无法体现出e t c 明显的优势 和高科技产品带给人们的便捷，推广应用的市场也将受到严重影响【1 3 l 。 电子不停车收费己经成为美国回收公路投资的有效手段。自从1 9 8 8 年以来 美国林肯隧道丌始应用e t c 收费系统到目前美国己有十二个运输机构在进行这 方面研究和管理运营工作，这些机构的成果就是将推出更多更快捷的电子不停 车收费设备和系统，使之在美国境内的收费公路上丌通，仅华盛顿地区就一次 性就丌通五十多条e t c 收费车道1 1 4 l 。 电子不停车收费的交易量持续增长，曾经在一年半的时间罩，共计有二十 三条专用e t c 车道的电子不停车收费网络就占有了整个月平均交易量的4 3 ， 高峰时段可以达到百分之六十【l 卯。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 1 2 2e t c 国内发展现状 我国政府的相关部门在1 9 9 3 年制定了一项计划意在加速推动国民经济信息 化进程，由此各种r f i d 技术的发展及应用十分迅猛。到1 9 9 6 年北京首都机场 高速的收费站使用了电子不停车收费系统，但该设备和系统都是来自于美国。 为适应全国的道路信息化的发展，我国于2 0 0 0 年开始着手研发和试验自动车号 识别系统1 1 6 1 。在2 0 0 1 年，我国交通部开始使用电子车牌管理系统，给交通信息 技术的应用增添了新的项目1 1 7 1 。 1 9 9 8 年，我国组织广东、北京等省的交通部门开展了“网络环境下电子不 停车收费的系统研究和未来发展趋势”o a l 。该项目的目的在于联合各个科研单 位共同探讨中国未来的e t c 道路，最终讨论的结果纳入交通部发布的高速公 路联网收费暂行技术要求1 1 9 1 。到2 0 0 3 年底，我国不停车收费系统的实施取得 初步的成果，已经有一些工程实施并己经开始了试运行。 2 0 0 7 年，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管 理委员会发布了g b t 2 0 8 5 1 2 0 0 7 电子收费专用短程通信1 2 0 l ，此项国家标准 的颁布加快了各个科研机构对电子不停车收费系统的投资和研发。 目前，国内现有的或正在使用的电子不停车收费系统都不是本国研发和生 产的，系统都是按照其他国家的标准制定的，并且他们在技术上都相互保密 1 2 1 1 。从而使我国相关研究单位在此项设备的研发上面临的困难曾大。而电子标 签作为车载设备，其在功能，成本和可靠性以及稳定性都有很严格的要求，所 以高性价比的电子标签的研发便是各大e t c 研发单位最需要解决的难题。 广东省的高速公路采用美国德州仪器公司的设备在佛山等地建成了四十多 余条e t c 车道并投入使用【2 射。但是该e t c 系统工作的频段是9 1 5 m h z ，而此频 段在国内己经分配给移动通信使用，并与中国将采用的d s r c 标准不符。 江苏沪宁高速公路，也设计了2 0 多条e t c 车道，目前正处于调试阶段。天 津津滨高速，四川德中公路，甘肃尹中高速公路，上海虹桥机场路都是由瑞典 康比特公司和清华紫光共同设计的e t c 系统，都相继丌通试用【2 3 1 。 目前来看国内高速公路不停车收费工作仍处于探索时期，一些有条件的路 段币在进行试点，大范围和大规模的推广不停车收费还为时尚早，更不用说是 联网运行了。对于外国e t c 技术成熟的公司，也可以批量生产，但其价格比较 昂贵，而且各国e t c 标准也不统一，不一定适合我国使用。对于国内的公司， 系统的整体价格比国外要低，但电子标签的价格却居高不下，而且没有形成大 哈t j , r e 理t 人学t 学顾l ：学位论义 规模生产，技术不是很成熟，还需要进一步改善和升级。 近十年以来，国际上应用道路收费系统都转向5 8 g h z 的专用短程通信 ( d s r c ) 标准系统，9 1 5 m h z 和2 4 5 g h z 系统应用逐渐减少。从技术上讲，专用 短程通信相对于其他频段的标准，有着无法比拟的优势。其系统通信距离长， 通信速率高，吞吐量大，5 8 g h z 频段背景噪声小，争用率不高，干扰问题容易 解决，安全性，有效性，可靠性都很高，易于开放。从国内e t c 市场统一的角 度来看，5 8 g h z 系统更符合我国相关标准化组织及技术主管部门的技术取向， 同时也与国际上的i t s 标准化体系保持一致【2 4 1 。 1 3 本课题研究内容 1 r f i d 系统基本工作原理 对射频识别的基本原理进行分析和研究，了解射频识别系统的组成和完成 无线通信功能所涉及的元器件及相关理论，并且明确了射频识别技术所应用到 的领域和范围。在众多的r f i d 国际标准中，选择符合本课题实际情况的空中 接口。 2 电子标签整体设计方案 首先通过研究各个频段的电子标签的构成，总结所有电子标签可能用到的 元件和涉及的模块，再根据本课题的要求，设计5 8 g h z 电子标签系统框图和各 个功能模块。 3 m c u 的选型 综合考虑电子标签所要实现的功能，对比市面上现有的低功耗芯片，选取 性能适合本系统的低功耗m c u 处理器。 4 电子标签接收部分和发射部分方案 在5 8 g h z 电子标签系统之中，除了m c u 数字控制处理芯片外，还有重要 的两部分，接收部分和发射部分。发射部分是电子标签将数据发送出去时所经 历的调制，变频和放大的一系列过程；接收部分是电子标签所接收到数据后所 经历的解调，小信号放大，整形，比较等一系列过程。接收部分和发射部分直 接影响到m c u 的处理能力和数据的准确程度。 5 硬件设计仿真测试 安捷伦公司的a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m 射频仿真软件可以用来检验电子标 签接收部分搭建是否合理，相应的射频参数足否满足国家标准的要求，一些最 基本的射频硬件仿真效果都可以在此软件上呈现出来。 哈尔滨理t 人学t 学颀i j 学位论文 第2 章r f i d 和e t c 简介 本章将详细介绍射频识别( r f i d ) 相关基础理论，r f i d 系统组成，工作 原理和分类，r f i d 三大国际标准和专用短程通信标准( d s r c ) 。 ， 2 1 射频识别基本概念 射频识别技术，又称电子标签，无线射频识别，是一种通信技术，可以通 过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间 建立机械或光学接触。 2 1 1r f i d 发展概况 在二十世纪中，无线电技术的理论研究为射频技术的发展奠定了重要的基 础。射频技术起源于雷达技术的发展和改进，早期射频技术的研究只是停留在 实验室阶段，随着研究不断深入，一些简单的r f i d 产品诞生了，由于此项技 术初见成效，激起了世界广泛关注，随即之后r f i d 技术得到了飞速发展，这 时各种规模的商业应用开始相继诞生。在近二十年中，r f i d 技术标准被同趋 重视起来，r f i d 的产品更加丰富，如公交卡，食堂就餐卡，门禁卡，无线键 盘鼠标等等都是应用射频原理完成相应功能的。 2 1 2r f i d 系统基本组成和工作原理 最基本的r f i d 系统有三部分：电子标签，阅读器，天线。 电子标签( t a g ) ：由耦合元件及芯片组成，有的还会涉及射频模块，每个标 签具有唯一的电子编码，以电子数据形式存储标识物体代码，也叫射频卡。 阅读器( r e a d e r ) ：读写电子标签内数据信息的设备。一般阅读器都包括控 制芯片，射频模块，耦合元器件，还会有与计算机连接的串行接口。 天线( a n t e n n a ) ：用来传递阅读器和电子标签之f d j 数据信息的工具【胡。 r f i d 技术的基本工作原理：当无源电子标签进入阅读器提供的能量磁场 后，接收到发出的射频信号，靠耦合元件提供的感应电流获得所需要的能量将 芯片中已存储的数据信息发送回给阅读器完成数据交换的功能1 2 6 】；或者有源电 子标签在进入阅读器发射唤醒信号所覆盖的磁场后，主动将标签内的信息以某 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 一频率发射出去，阅读器通过天线系统将获得的信息数据解码，然后发送给中 央处理器进行有关数据处理。 2 1 3r f i d 电子标签分类 依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签、无源电 子标签。无源电子标签需要耦合元件在进入阅读器磁场范围内由感应电流获得 能量，有源电子标签则被唤醒信号启动后，由自身电池供电，完成发送信息的 功能。 电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电 子标签和微波电子标签【2 7 1 。 2 1 4r f i d 应用领域 1 物流追踪：货物追踪，仓储应用，信息自动采集，港口应用，邮政。 2 零售快速扫描：商品的销售数据实时统计，补货，防盗。 3 制造业：生产数据的实时监控，质量追踪，自动化生产。 4 服装业：自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道管理。 5 医疗卫生：医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗。 6 身份识别：电子护照，身份证，学生证等各种电子证件。 7 防伪：贵重物品( 烟，酒，药品) 的防伪，票证的防伪等。 8 资产管理：各类资产( 贵重的或数量大相似性高的或危险品等) 。 9 交通：电子不停车收费，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别。 1 0 食品：水果，蔬菜，生鲜，食品等保鲜度管理。 1 1 动物识别：训养动物，畜牧牲口，宠物等识别管理。 1 2 图书馆：书店，图书馆，出版社等应用。 1 3 汽车：制造，防盗，定位，车钥匙。 1 4 航空：制造，旅客机票，行李包裹追踪。 1 5 军事：弹药，枪支，物资，人员，卡车等识别与追踪【2 8 i 。 本课题针对交通运输方面里的电子不停车收费应用领域进行研究与设计。 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 2 2r f i d 三大国际标准 在射频技术发展迅速的今天，各国已经越来越重视r f i d 技术标准的制 定，目前国际上存在三个标准体系：i s o 标准体系，e p cg l o b a l 标准体系和 u b i q u i t o u si d 标准体系。 2 2 1i s o 标准体系 国际标准化组织i s o 以及其他国际标准化机构包括国际电工委员会i e c ， 国际电信联盟i t u 等都是r f i d 国际标准的主要制定机构【2 引。大部分r f i d 标 准都是由i s o 技术委员会制定的。 r f i d 领域的i s o 标准可以分为以下四大类：应用标准，技术标准，数据 内容与编码标准，性能与一致性标准。 目前常用的i s o 国际标准用于非接触智能卡的有i s 0 1 5 6 9 3 ，i s 0 1 4 4 4 3 ； 用于动物识别的有i s o l l 7 8 4 和i s 0 1 1 7 8 5 用于集装箱识别的有i s 0 1 0 3 7 4 t 3 0 l 。 i s 0 1 4 4 4 3 和i s 0 1 5 6 9 3 标准在九五年开始研究和实验，于九九年进入市 场。这两个都是以1 3 5 6 m h z 信号为载波频率；i s 0 1 5 6 9 3 的读写识别距离较 远，这也与所用系统天线的极化形式，发射功率和形状有关刚；i s 0 1 4 4 4 3 读 写识别距离较近，然而应用范围较广泛，目i j f 我国第二代身份证采用的标准就 是i s 0 1 4 4 4 3 协议1 3 2 1 。 i s 0 1 0 3 7 4 标准主要用在远程集装箱自动识别系统中，应用对象都是微波 频段的有源应答器，工作频率有两种，分别是9 0 0 m h z 及2 4 5 g h z 。当电子标 签所在的位置是阅读器的电磁场范围内就会被其唤醒信号唤醒到工作模式下， 并采用f s k 反向散射调制方式做出对电子标签的应割3 3 1 。 i s 0 1 8 0 0 0 是目前最新的也是最热门的标准之一，他是一系列标准应用范 围广泛，收到各大企业的推崇。 以上几个部分都规定了相应频段的无接触通信接口参数，描述了被动式的 反向散射系统或主动式的r f i d 系统，主要包括系统协议，工作区域内多电子 标签识别及通信，冲突仲裁办法等。 2 2 2e p cg l o b a l 标准体系 2 0 0 3 年，美国统一代码协会和国际物品编码协会共同成立了e p cg l o b a l 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 非盈利性机构，其前身是麻省理工学院成立的非盈利性组织a u t o i d 中心。该 中心与众多成员一起制定完善了一个统一的技术标准，即在现有计算机互网络 技术的基础上，实现产品信息的交换与共享。 e p cg l o b a l 以建立一个向全球电子标签用户提供标准化服务的网络为使 命，但前提是用户需要遵循该公司制定的技术规范，目前e p c 网络技术规范 第一版给出了所有的系统定义和功能要求。e p cg l o b a l 己在很多国家建立了分 支机构，专门负责e p c 频段在这些国家的分配与使用和管理。 e p cg l o b a l 提出的“物联网 架构由e p c 编码、e p c 电子标签及e p c 阅 读器、e p c 中间件、o n s 服务器和e p c i s 服务器等部分构成。对不同的应 用，e p c 规定了不同的编码格式，主要存放企业代码、商品代码和序列号等 3 4 1 。o n s 服务器根据编码及用户要求进行分析，以确定与e p c 编码相关的信 息存放在相关的e p c i s 服务器上【3 研。 2 2 3u b i q u i t o u si d 标准体系 u b i q u i t o u si dc e n t e r 是日本有关电子标签的标准化组织，其组成是由同本 政府率先领头，日本电子公司、信息企业和其他一些机构共同参与的。 其识别技术体系由识别码、服务器、通信器以及解析服务器等组成。同本 的射频识别中心分给任何一个物理对象唯一的识别码，它拥有1 2 8 位容量，并 可以扩展到5 1 2 位，都是以1 2 8 位为一个单元逐步进行扩展。u i d 电子标签多 种多样，包括条码、射频标签、智能卡、有源芯片等。u i d 识别中心针对网络 应用安全的问题，未来可能出现安全隐患做了充分的思考和准备，比如在节点 进行信息交换时需要相互认证，而且通信内容是加密的，避免非法阅 卖【3 6 1 。 以上三种r f i d 国际标准都是以频段划分为基础的，在此基础上根据地域 不同，国情不同将这些频段应用到不同的领域和范围当中，以便发挥最大效 用。但在以上三种标准中都未对5 8 g h z 频段做过多的阐述，是因为此频段的 特点与其他频段特点区别相对较大，各国对5 8 g h z 这一频段的空中接口进行 单独规定和使用。5 8 g h z 专用短程通信就是国家职能运输系统( i t s ) 中心提 出的专门用于e t c 系统的国家标准，后文将继续介绍。 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论文 2 3 专用短程通信标准 专用短程通信标准即d s r c 是国际组织为车辆智能管理的发展与实现专门 开发的通信协议。国际上目i j i 存在欧洲的c e n t c 2 7 8 、美国的a s t m i e e e 和 日本的i s o t c 2 0 4 的d s r c 三个标准化体系，其它各国的d s r c 标准都是参照这 三类标准结合本国国情制定的【3 7 1 。 鉴于d s r c 标准发展前景广阔，势头强劲和国内e t c 系统应用现状，二零 零七年实施的中国国家标准g b t 2 0 8 5 1 2 0 0 7 ，规定了我国e t c 系统的短程通信 频段为5 8 g h z ，到此刻为止，国内e t c 标准才算最终确立，以前国内e t c 市场 频段和标准不统一的现象就此结束。 新一代的e t c 系统将是基于d s r c 标准研发和实施的，目前国内为数不 多的企业有能力研制和大量生产符合d s r c 标准的电子标签，但由于成本较 高，技术垄断严重给国内e t c 系统的推广带来不小的障碍，一些试点路段纷 纷停用此项技术。 2 45 s g h ze t c 系统构成及原理 1 5 s g h z 电子不停车收费系统构成 电子标签又称车载单元( o b u ) 存有识别车辆的具体信息，如车牌号等。 一般放在汽车的前挡风玻璃上。车载单元集成了i c 卡卡座，可实现车辆内部 与i c 卡的支付信息交换功能。r s u 路侧单元设置于收费站旁边或上端，其功 能是一直发送广播信号，当车辆快要到达收费站口时对r s u 路测单元的射频 广播唤醒信号做出反应，随即建立专用短程通信链路进行数据交换。控制系统 由路侧单元实现车辆信息验证、支付验证，此系统还控制整个不停车收费车道 的所有设备，其中包括自动栏杆、车辆抓拍系统、交通灯等。后台系统的功能 是将大量的车辆和用户信息存储起来：另一个任务是向客户发售电子标签，并 做标签的初始化工作；接受客户交费和查询；向自仃台和客户发送指令和信息； 存储和管理抓拍的图像等1 3 剐。后台系统主要包括计算机管理系统、道路运营管 理系统、结算中心管理系统、客户服务中心管理系统、银行管理系统1 3 9 i 。 2 5 8 g h z 电子不停车收费系统工作原理 车辆相关信息通过电子标签发送出去，收费站的阅读器将车辆信息数据传 送到车道控制系统中，然后对车辆信息进行核实验证，若验证成功则进行支付 信息验证，计算支付额并传输支付记录，对于未通过车辆验证的汽车，控制系 哈尔滨理t 人学丁学硕卜学位论文 统不会控制栏杆开启，拒绝该车辆通过收费站，同时抓拍该车辆图像传送给后 台系统报警，这样整个不停车收费系统通过前端和后台的协调配合实现整个设 备的运行和管理【删。 3 5 8 g h z 电子不停车收费系统电子标签 e t c 系统中的电子标签具有微波通信功能和信息存储功能，是一种移动设 备识别装置。电子标签按供电方式可分为主动式和被动式两类。主动式为有源 的，自身在接收到唤醒信号后可以发射信息【4 l i 。被动式是无源反向散射方式 的，是通过感应电流获得能量的无须接电源。根据有无i c 卡卡座又分为单片 式和双片式，即：带i c 卡卡座接口为双片式电子标签，无l c 卡卡座接口的为 单片式电子标签。 2 0 0 7 年，我国交通部颁布了收费公路联网收费技术要求，其中规定我 国不停车收费系统采用的5 8 g h z 电子标签为有源的，可读写的，双片式的。 电子标签设备需要满足的要求如下【4 2 】： 安全标准和接口速度：电子标签应支持t d e s j j n 密算法，所有的数据存取 和访问应采用t d e s 加密方式传输；电子标签要具备i c 卡读写接口，该接口应 该符合相关标准，即接触式卡座接口的传输速率不低于5 6 k b p s 。 电子标签配置的外部设备和接口：i c 卡读写接口、l c d 显示屏、蜂鸣器、 扬声器、l e d 指示灯、u s b 接口、r s 2 3 2 串口等。 环境条件：工作温度范围：2 5 度至+ 7 0 度：存储温度范围：4 0 度至+ 7 0 度；相对工作湿度：5 1 0 0 ；静电：8 k v ； 其他要求：5 8 g h z 电子标签应有防拆卸的功能，一旦电子标签被拆卸或非 专业人员异动，应在电子标签内设置相应的标志位；平均无故障时问大于五万 小时，平均免维护时间不小于两年；支持程序升级更新，升级可采用无线方式 或有线方式。 5 8 g h z 电子标签由以下模块组成：天线、射频信号收发模块、调制解调 模块、协议处理单元、帧处理单元、i c 卡接口模块、电源管理模块及外部扩展 接口。在5 8 g h z 电子标签的设计中，射频部分收发模块技术难度最大，目前 国内外还很少有大公司能够研发和大量生产符合我国规定的d s r c 标准的 5 8 g h z 电子标签。国内提供5 8 g h z 电子标签的主要有：广州埃特斯公司、广 东新粤公司。但是，由于这些公司起步较早，其技术上并不完全符合我国规定 的标准。 4 5 8 g h z 电子不停车收费系统阅读器 e t c 系统中r s u 路侧单元位于收费站旁边或上端，当车辆行驶通过收费 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 站口时，车载单元与路侧单元之间建立通信链路进行双向数据信息交换，完成 收费功能。收费公路联网收费技术要求规定我国的电子不停车收费系统采 用的路侧单元设备需要满足的技术指标如下1 4 3 j ： 功能接口：路侧单元要具备u s b ，r s 2 3 2 或c a n 其中一种接口连接方式与 上位机通信，还要符合有p s a m 接口，支持安全交易规范要求的p s a m 的指令 操作，p s a m 卡通信速率不低于5 6 k b p s 。 环境条件：2 0 度至+ 5 5 度；存储温度范围：4 0 度至+ 8 5 度；相对工作湿 度：5 1 0 0 ；静电：8 k v ； 其他要求：路侧单元采用2 2 0 v 5 0 h z 交流供电；平均无故障时间大于七万 小时；路侧单元设备信号覆盖范围应在3 3 m 左右，此p b r s u 还要具有相应接口 与上位机通信和在线升级的能力。 随着我国不停车收费标准的完善和统一，过去少数企业垄断的局面已经被 打破，符合统一标准的各公司的产品将相互兼容【4 4 1 。 2 5 本章小结 r f i d 这种非接触的自动识别技术是近几十年才发展起来的前沿科技项 目。该技术应用广泛，应用领域也在不断扩大，通信距离范围随着技术的不断 更新可以从几厘米到几十米。其主要的优点是不受环境影响、不受天气干扰， 可全天候、无接触地完成货物的自动识别、跟踪与管理。且可以穿透非金属物 体进行识别，抗干扰能力强。在美国，日本和欧洲等发达国家对射频技术的研 究与应用已经达到相当高的水平，而我国处于起步状态，这几年刚开始有自己 的部分射频识别功能研发得以应用，但是还没有大批量的应用。 另外，射频识别技术是一个新的技术领域，覆盖了微波技术与电磁学理 论，通信原理及半导体集成数字电路技术，是一个多学科综合性强的新学科。 因此对r f i d 的认知和研究具有比较深远的意义。 本章丌始简单介绍了射频识别的相关理论，发展状况，射频识别的工作 原理和应用领域。随后又介绍了有关射频识别目自i 三种国际标准，相应的空中 接口协议和应用范围，其中将5 8 g h z 频段单独阐述，引出了国际上支持 5 8 g h z 协议的专用短程通信标准d s r c ，最后又简要说明符合我国专用短程 通信标准的5 8 g h ze t c 系统的构成，工作原理和设备的相关要求，并分析和 阐述了该系统的优势以及研究的意义和今后发展的前景，为后文搭建符合我国 国家标准的5 8 g h z 电子标签的设计做好了充分的准备。 哈尔滨理t 人学t 学颐i ：学位论文 第3 章5 8 g h zd s r c 电子标签的硬件设计 30 1d s r c 电子标签硬件设计 3 1 1 电子标签硬件整体设计