（通信与信息系统专业论文）rfid技术在列车控制系统应用的研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着铁路列车运行速度的提高，为了保证列车运行的安全，列车运行控 制系统需要在列车一地面之间传输大量的信息。r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 技术应答器作为列车一地面之间信息传输的一种方式在列车运 行控制系统中应用广泛。本文在分析r f i d 技术特点、原理以及欧洲标准应 答器技术的基础上，提出了一种符合欧洲标准的应答器设计方案。设计了天 线耦合模块、电源模块、主控制模块、调制模块和调制信号功率放大等5 个 模块，根据设计方案和应答器参数选择电子元器件设计了电路，开发出试验 样机。对本项目的重要部分f s k 调制信号产生模块以及d d s 调制进行了深 入的研究，硬件实现了f s k 信号的发射，编写了能实现应答器基本功能的 控制程序。应答器试验样机通过测试能实现基本的功能，满足系统指标要求。 关键词：r f i d ，列车控制系统，应答器，e u r o b a l i s e a b s t r a c t a l o n gw i t ht r a i nr u n n i n gs p e e de n h a n c e m e n t ，i no r d e rt og u a r a n t e et r a i n r u n n i n gs a f e t y , t h et r a i nc o n t r o ls y s t e mn e e dt r a n s m i tl o t so fi n f o r m a t i o nb e t w e e n t r a i na n dt r a c k a so n eo ft h em e t h o d st ot r a n s m i ti n f o r m a t i o nb e t w e e nt r a i na n d t r a c k ，r f i dt e c h n i c a lb a l i s ei sw i d e l yu s e di nt h et r a i nc o n t r o ls y s t e m r f i d t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ，p r i n c i p l ea sw e l la st h ee u r o p e a nb a l i s et e c h n i c a l s t a n d a r da r ea n a l y z e d ，a n dt h e np r o p o s e daw a yt od e s i g ne u r o p e a ns t a n d a r d b a l i s e f i v em o d u l e sa r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ea e r i a lc o u p l i n gm o d u l e ，t h e p o w e rs o u r c em o d u l e ，t h ep r i m a r yc o n t r o lm o d u l e ，t h em o d u l a t i o nm o d u l ea n d t h em o d u l a t i o ns i g n a lp o w e re n l a r g e sm o d u l e c h o o s i n gt h ee l e c t r o n i cd e v i c et o d e s i g nt h ee l e c t r i cc i r c u i ta n dd e v e l o p e de x p e r i m e n t sp r o t o t y p ea c c o r d i n gt ot h e d e s i g np r o p o s a la n db a l i s ep a r a m e t e r s t h ei m p o r t a n tp a r tf s ks i g n a lp r o d u c t i o n a n dd d sm o d u l a t i o na r et h o r o u g h l yr e s e a r c h e d t h eh a r d w a r er e a l i z a t i o no ft h e f s kt r a n s m i t t e ri sf i n i s h e da n dt h eb a s i cf u n c t i o np r o g r a mi sw r i t t e na l s o t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t sp r o t o t y p eb a l i s ec a nr e a l i z eb a s i cf u n c t i o na n d t h ed e s i g nt a r g e ti so b t a i n e d y ej i a n b i n ( c o m m u n i c a t i o n i n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f h a oj i a n h o n g k e yw o r d s ：r f i d ，t r a i nc o n t r o ls y s t e m ，t r a n s p o n d e r , e u r o b a l i s e 华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着铁路列车运行速度的提高，为了保证列车运行的安全，列车运行控 制系统需要在列车一地面之间传输大量的信息。r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 技术应答器作为列车一地面之间信息传输的一种方式在列车运 行控制系统中应用广泛。本文在分析r f i d 技术特点、原理以及欧洲标准应 答器技术的基础上，提出了一种符合欧洲标准的应答器设计方案。设计了天 线耦合模块、电源模块、主控制模块、调制模块和调制信号功率放大等5 个 模块，根据设计方案和应答器参数选择电子元器件设计了电路，开发出试验 样机。对本项目的重要部分f s k 调制信号产生模块以及d d s 调制进行了深 入的研究，硬件实现了f s k 信号的发射，编写了能实现应答器基本功能的 控制程序。应答器试验样机通过测试能实现基本的功能，满足系统指标要求。 关键词：r f i d ，列车控制系统，应答器，e u r o b a l i s e a b s t r a c t a l o n gw i t ht r a i nr u n n i n gs p e e de n h a n c e m e n t ，i no r d e rt og u a r a n t e et r a i n r u n n i n gs a f e t y , t h et r a i nc o n t r o ls y s t e mn e e dt r a n s m i tl o t so fi n f o r m a t i o nb e t w e e n t r a i na n dt r a c k a so n eo ft h em e t h o d st ot r a n s m i ti n f o r m a t i o nb e t w e e nt r a i na n d t r a c k ，r f i dt e c h n i c a lb a l i s ei sw i d e l yu s e di nt h et r a i nc o n t r o ls y s t e m r f i d t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ，p r i n c i p l ea sw e l la st h ee u r o p e a nb a l i s et e c h n i c a l s t a n d a r da r ea n a l y z e d ，a n dt h e np r o p o s e daw a yt od e s i g ne u r o p e a ns t a n d a r d b a l i s e f i v em o d u l e sa r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ea e r i a lc o u p l i n gm o d u l e ，t h e p o w e rs o u r c em o d u l e ，t h ep r i m a r yc o n t r o lm o d u l e ，t h em o d u l a t i o nm o d u l ea n d t h em o d u l a t i o ns i g n a lp o w e re n l a r g e sm o d u l e c h o o s i n gt h ee l e c t r o n i cd e v i c et o d e s i g nt h ee l e c t r i cc i r c u i ta n dd e v e l o p e de x p e r i m e n t sp r o t o t y p ea c c o r d i n gt ot h e d e s i g np r o p o s a la n db a l i s ep a r a m e t e r s t h ei m p o r t a n tp a r tf s ks i g n a lp r o d u c t i o n a n dd d sm o d u l a t i o na r et h o r o u g h l yr e s e a r c h e d t h eh a r d w a r er e a l i z a t i o no ft h e f s kt r a n s m i t t e ri sf i n i s h e da n dt h eb a s i cf u n c t i o np r o g r a mi sw r i t t e na l s o t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t sp r o t o t y p eb a l i s ec a nr e a l i z eb a s i cf u n c t i o na n d t h ed e s i g nt a r g e ti so b t a i n e d y ej i a n b i n ( c o m m u n i c a t i o n i n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f h a oj i a n h o n g k e yw o r d s ：r f i d ，t r a i nc o n t r o ls y s t e m ，t r a n s p o n d e r , e u r o b a l i s e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( r f i d 技术在列车控制系 统应用的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对 本研究所做的任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： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：碴纰 日期：2 巡：圣：! 了 华北电力火学硕士学位论文 第一章绪论 射频识别( r 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 ) 技术，是一种先进的、 安全可靠的自动识别技术。r f i d 技术是i c 卡技术的延伸和发展，他们有着 相似的原理，两者的数据均存储在电子数据载体( 常称为应答器) 之中，然 而两者之间交换信息和能量获取的方式不一样。读取r f i d 应答器的能量供 应以及应答器和r f i d 阅读器之间的信息交换不是通过电流触点连接，而是 通过磁场( 频率较低) 或电磁场( 频率较高) 来完成的，这方面主要采用了 无线电和雷达技术。因此，射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线 电波进行识别。射频识别与其它识别系统相比有很多的优点，如识别的速度 快和操作方便等。目前，在很多领域射频识别系缝二逐步事代原有的自动 识别系统，其技术市场也越来越宽泛，射颏以别的成熟为自动识男i j 拱术在一 些新领域的应用提供很好的技术方案。比如，已经广泛运用在铁路管理部门 的铁路车次号自动识别系统( a t i s ，a 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 ) ，其可 以作为铁道部门电子清算依据和货运管理，提高清算的准确性，同时也节省 了人力资源。铁道部制定的中国列车运行控制系统( c t c s ，c h i n al r a m c o n t r o ls y s t e m ) ，明确规定r f i d 技术应答器( b a l i s e ，欧洲标准铁路专角) 作为点式信息传送设备，为运行的列车和地面之间传送点式信息用于歹j 车自 动控制( a t c ，a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) ，为列车定位、位置校准提供参考信 息。城市轨道交通列车控制系统，也经常使用应答器( b a c o n ，1 壬我国大量 使用美国t r a n s c o r e 公司的产品) 作为点式信息传输设备。城jj 快速公交b r t ( b u sr a p i dt r a n s i t ) 系统，r f i d 系统为公共汽车和地面之间传递信息提供 通道。车站停车场车辆出入管理、高速公路收费站不停车收费系统e t c ( e l e c t r o n i ct o nc o l l e c t i o ns y s t e m ) 等运用射频识别技术，很好的满足了实 际要求。随着2 1 世纪数字化时代的进一步深入，基于信息化管理技术的社 会需求不断增加，r f i d 技术将发挥巨大的作用，r f i d 技术的明天将更加灿 烂夺目。r f i d 技术正成为一个新的经济增长点，在全球蔓延开来，研究r f i d 技术有着巨大的经济效益和深远的社会意义。 1 1r f l d 技术国内外研究和应用现状 1 1 1r fld 技术的研究现状 r f i d 技术可归结为雷达技术的发展及应用，其历史可以追溯到2 0 世纪 华北电力大学硕士学位论文 初期雷达的诞生。雷达发射无线电波并通过接收到的目标反射回来的信号来 测定目标的位置和移动情况。随后，1 9 4 8 年出现了早期研究r f i d 技术一篇 非常重要的论文“c o m m u n i c a t i o nb ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r 。后来，随着 电子技术的发展，如晶体管集成电路、微处理芯片、信息网络等新技术，加 快了r f i d 技术的研究序幕。 2 0 世纪6 0 年代末出现了r f i d 系统的商用产品e a s ( e l e c t r o n i ca r t i c l e s u r v e i l l a n c e ) 电子物品防盗系统，e a s 被认为是r f i d 技术应用最早和最广 泛商业运用系统。 2 0 世纪7 0 年代，r f i d 成为人们研究的热点课题取得了一系列的研究成 果。今天，r f i d 技术已成功应用于自动汽车识别a v i ( a u t o m a t i cv e h i c l e i d e n t i f i c a t i o n ) 的电子计费系统、动物跟踪以及工厂自动化等。 ， 2 0 世纪8 0 年代r f i d 技术得到了比较充分的使用。第一个实用的r f i d 电子计费系统于1 9 8 7 年在挪威正式投入运行。1 9 8 9 年，不停车收费系统在 美国南部的高速公路开始使用。总之，2 0 世纪8 0 年代是r f i d 技术在电子 收费系统开始应用的年代。 2 0 世纪9 0 年代是r f i d 技术全面发展和繁荣的十年，主要表现在美国 大量配置电子收费系统，广泛运用于高速公路管理和不停车收费系统( e t c ) 。 在欧洲不停车收费、道路控制和其它商业运用也大量使用r f i d 技术。由于 已经开发小到可以密封到汽车钥匙当中的电子标签，使r f i d 技术可以方便 的运用于汽车防盗。r f i d 技术应用在许多国家的火车车辆跟踪与管理，以 及行驶的列车与地面之间传递点式临时限速信息和位置信息，用于列车控制 系统。 信息化社会的需求，带来了r f i d 技术研发突飞猛进的发展。美国、日 本和欧洲各国正在研究各种各样的r f i d 技术，各种新功能的r f i d 系统不 断涌现，这不仅满足了各种技术需求，也为一些场合提供了新的技术解决思 路。2 0 世纪末到本世纪初，r f i d 技术一个重要的突破就是微波肖特基 ( s c h o t t k y ) 二极管可以被集成在c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 的集成电路上。这一技术使得微波r f i d 的电子标签集成封 一个芯片变为可能。在这方面i b m 、t a g m a s t e r 、m i c r o n 、s c s ( s i n g l ec h i p s y s t e m ) 、m o t o r o l a 、s i m e n s e 、m i c r o c h i p 、t r a n s c o r e 、h i t a c h i 、m a x e l l 等公 司表现积极。目前，在m i c r o c h i p 、t r a n s c o r e 、h i t a c h i 、m a x e l l 、t a g m a s t e r 等公司已有不同频段单一芯片的电子标签供应市场。 2 0 0 1 年6 月，日本东芝公司发布消息已经研制出世界上最小的r f i d 芯 片一“m u c h i p ”，使得电子芯片嵌入纸内成为可能。m a x w e l l 公司已生产出频 2 华北电力大学碘士学位论文 率为1 3 5 6 m h z 只有米粒大小的r f i d 电子标签。嵌入式纸内的电子标签技术 已经成熟，在电子车票等场合使用已经处于商业应用的阶段。2 0 0 1 年1 0 月， 报道在欧元上使用了r f i d 防伪技术。表卜一1 总结了r f i d 技术的主要发展 历程： 表1 1r f i d 技术发展历程 时期发展情况 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 1 9 4 1 。1 9 5 0 技术的理论基础 1 9 5 1 1 9 6 0早期r f i d 技术的探索阶段，处于实验室实验研究阶段 1 9 6 1 1 9 7 0 r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 r f i d 技术和产品研发处于二个大发展时期，出现了r f i d 1 9 7 1 1 9 8 0 技术的应用 1 9 8 1 - 1 9 9 0r f i d 技术和产品进入商业应用阶段 1 9 9 1 2 0 0 0r f i d 技术标准化问题日趋突出，r f i d 产品广泛运用 标准化问题日趋重视，r f i d 产品种类更加丰富，电子标签 2 0 0 1 至今 种类增多成本不断降低 当前，我国的r f i d 技术研究和应用正处于起步阶段。1 9 9 3 年我国政府颁 布实施“金卡工程”，加速了我国信息化的进程，国内已经具备自主开发低频、 高频、微波r f i d 电子标签和读卡器技术能力及集成能力。与国外r f i d 先进技 术之间的差距主要体现在r f i d 芯片技术方面。尽管如此，在标签芯片设计和开 发方面国内已有多个成功的低频r f i d 系统标签芯片面市。虽然我国目前在这方 面与发达国家相比有一定的差距，但业界和政府部门高度的重视大力的加强了 这方面技术的研究。2 0 0 6 年l o 月1 日国家科技部公布的8 6 3 计划，发布了2 0 个r f i d 方面的技术研究课题【lj ，进一步表明国家正大力支持我国r f i d 技术研 究的决心和信心。 1 9 9 6 年1 0 月北京首都机场高速公路天竺收费站安装了不停车收费系统 ( e t c ) ，该设备是从a m t e c h ( 现为t a n s c o r e ) 公司引进；我国铁道部1 9 9 9 年开始投资建设的自动车号识别系统【2 j ，作为铁路部门电子清算和资产管理的 数据采集终端设备于2 0 0 0 年正式投入使用；2 0 0 1 年，上海虹桥国际机场组合式 电子不停车收费系统( e t c ) 实验开通，被国家经贸委和交通部确定为“高等级 公路电子收费系统技术开发和产业创新”项目的示范工程；2 0 0 2 年1 2 月，深圳 机荷、梅观高速公路的不停车收费系统投入使用：我国第二代身份证，采用清 华同方微电子等研究所开发的r f i d 防伪技术。 3 华北电力大学硕士学位论文 广州铁路集团下属的广深铁路股份有限公司，从2 0 0 6 年底开始正式采用 r f i d 技术车票，以提高进、出站效率和彻底杜绝假车票的现象【3 1 。新的r f i d 车票基于p h i l l i p sm i f a r e 技术的u l t r a l i g h t 芯片，与i s 0 1 4 4 4 3 标准的空中接口 兼容。芯片的内部数据经过加密，只有特定的阅读器可以读出数据，造假者无 法制造出相同的车票。最近几年，中国铁路以及城市地铁和轻轨，大量采用r f i d 技术的点式设备一应答器，为列车和地面之间传递点式控制信息的技术手段用 于定位、校正列车位置等，该设备作为列车控制系统的重要设备现正是业界研 究开发的热点。 1 1 2r f i d 技术主要应用领域 随着r f i d 技术的日益成熟，其技术优势得到越来越充分的展现，在很 多领域都得到了广泛的应用。 目前典型的应用领域包括： ( 1 ) 铁路车次号自动识别系统。如：北美铁路、中国铁路车次号识别系统 ( a t i s a u t o m a t i ct r a i ni d e n t i f ys y s t e m ) 、瑞士铁路等都运用r f i d 技术进行 电子清算和资产管理等。 ( 2 ) 车辆道路交通自动收费管理( e t c ，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 m ) 。 如：北美部分收费高速公路的不停车收费及自动管理系统、东南亚收费公路 的自动收费管理。 ( 3 ) 旅客航空行包的自动识别、分捡、转运管理。如：北美、欧洲部分航 空公司。 ( 4 ) 车辆的出入控制。如停车场、垃圾场、水泥厂车辆出入等。 ( 5 ) 校园卡、饭卡、公交乘车卡( 可重复使用的充值卡和纸质的r f i d 电子 车票) 、会员卡、驾驶卡、健康卡、身份证等国内外均有大量应用。 ( 6 ) 生产线产品加工过程自动控制。主要用在大型工厂的自动化流水作业 线上。 ( 7 ) 动物识别大型养殖场、家庭牧场。 ( 8 ) 大型物流、仓储企业的物流、仓库自动管理。 ( 9 ) 储气容器的自动识别管理。 ( 1 0 ) 汽车遥控门锁、电子门锁等。 ( 1 1 ) 铁路机车r f i d 追踪定位和自动转换轨道系统。 ( 1 2 ) 轨道交通( 包括大铁路、地铁、城市轻轨) 列车控制系统车载一地面 之间点式应答器信息传输子系统。 ( 1 3 ) 城市快速公交b r t ( b u sr a p i dt r a n s i t ) 系统，公共汽车与地面之间信 4 华北电力大学硕+ 学位论文 息采集以及车辆管理。 由于实际使用过程中各个领域的技术要求及使用环境不同，要根据不同 频段的射频识别系统的特性和开发的成本选择合适的设备，以满足各种场合 应用的需求。 1 2 选题的意义 随着我国铁路既有线路提速改造、客运专线和高速铁路新线路的建设， r f i d 技术应答器在中国铁路的应用越来越广泛。根据我国铁道部颁发的中 国列车控制系统( c t c s ，c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 规范，应答器设备是 c t c s 系统重要的组成部分，为列车和地面间传递定位信息、进路参数、线 路参数、限速信息和停车信息等。由于我国铁路列车控制系统研究起步比较 晚，所以列车控制系统设备及技术方面与发达国家相比有一定的距离，我国 尚无这方面的成熟产品。目前，中国新建的客运专线和高速铁路线路采用的 是欧洲引进的查询应答器设备。标准为欧洲铁路联盟统一制定的，这种应答 器安全可靠，欧洲有成熟产品，但其价格昂贵。核心技术、知识产权掌握在 欧洲几个大的铁路信号公司手中，缺乏我们自己的自主知识产权。铁路运输 作为国家经济大动脉，实现关键设备的自主研发，最终实现国产化具有十分 重要的经济和战略意义。 1 3 本论文的主要工作 本论文的主要工作源于开发具有我国自主知识产权的列车与地面点式 信息传输设备一欧洲标准应答器。该设备是中国铁路列车控制系统中a t p ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 的子系统，应答器的开发以欧洲几个大的铁路 信号公司共同制定的欧洲铁路应答器标准的技术参数和我国铁道部颁布的 技术条件为主要依据，阅读了大量的文献和资料，尤其在深入研究应答器欧 洲规范的基础上，主要开展了以下工作： ( 1 ) 阐述了本选题的意义和应用前景。分析和归纳了射频识别系统的工作 原理、r f i d 技术特点、分类、技术规范和标准，包括国际标准的现状、发 展趋势和一些相对独立行业的行业性产品的规范。 ( 2 ) 综述列车运行控制系统的发展状况和典型的列车控制系统，介绍了应 答器在列车控制系统中的实际应用情况。 ( 3 ) 在深入研究欧洲应答器标准的基础上，分析了应答器各个部分的功能 和工作流程。对应答器重要技术参数的选择进行了分析计算，为开发产品奠 华北电力大学硕士学位论文 定了基础。并详细的描述了应答器系统各部分之间的接口。 ( 4 ) 提出了种符合欧洲标准的应答器设计方案，针对地面固定应答器分 为5 个功能模块，对电路进行了构建和设计，并就电子元器件选择的依据以 及性能分别进行了分析。 ( 6 ) 对f s k 信号调制的实现进行了深入的分析，用a d 9 8 3 4 芯片实现了 f s k 调制并编写了具备基本功能的控制程序，最后在示波器上测试出调制信 号的仿真波形。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章r f ld 技术的基本原理和标准体系 本章首先阐述了r f i d 技术的基本原理，然后就r f i d 技术特性、优点 以及r f i d 技术的分类作了总结。最后概括了r f i d 技术规范和标准，包括 国际标准的现状、发展的趋势和一些相对独立行业的行业性产品规范。 2 1 r fid 技术的基本原理 r f i d 是一种低功耗的短程无线通信技术，主要由被识别的应答器 ( t r a n s p o n d e r ) ( 或称为电子标签t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) ( 或称为读卡器 i n t e r r o g a t o r ) 、用户应用系统等几部分组成4 1 。r f i d 系统一般组成如图2 一l 所示： ，o c 辱蕃雹星星盆盆盆金星盆8 女 j 理一8 a 全金8 口 图2 1r f i d 系统基本组成 工作时待识别的应答器处于阅读器发射射频信号范围系统自动的以无 接触的方式将应答器中的信息读取并传送到阅读器，从而实现自动识别物品 或应答器与阅读器之间交换信息。应答器是射频识别系统的数据载体，日常 使用的应答器很多由标签天线和标签专用芯片组成( 最新提出的无芯片应答 器以及声表面波s a w 标签未来可能会有较大的发展，目前还正处在产品萌 芽初期) ，但是在一些特殊的场合因为特殊运用环境的原因，依然采用分立元 件电路和天线的结构实现。例如，在轨道交通列车运行控制系统中，列车和 地面之间传递点式列车控制信息的应答器设备。通常，依据应答器设备供电 方式的不同，应答器可以分为有源应答器( a c t i v et r a n s p o n d e r ) 和无源应答器 ( p a s s i v et r a n s p o n d e r ) 。有时候也以应答器内的数据是否可以在线实时更改 作为依据，分为有源和无源应答器。有源应答器，应答器的工作电源由内部 7 华北电力大学硕+ 学位论文 电池供给，但是应答器的电池不会为应答器与阅读器之问数据传输提供能 量，它只给应答器内芯片和电路工作供电p j 。无源应答器没有装电池，当应 答器处于阅读器的读出范围时，应答器从阅读器发出的射频能量中获取其电 路工作和发射信息所需要的所有能源。 阅读器一般包含射频模块( 发送和接收单元) 、控制单元以及阅读器天线。 此外，阅读器还附加有常用的通信接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、以太网接1 2 1 等) ，以 便将所获得的数据传向应用系统或者接收应用系统控制命令。应答器与阅读 器之间通过耦合天线，实现射频信号的空间( 无接触) 耦合。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。根据发生在阅读器和应答器 之间的射频信号的耦合类型可以分为电感耦合和电磁反向散射耦合两种。 ( 1 ) 电感耦合：变压器模型，阅读器和应答器分别作为变压器的初级线圈 和次级线圈。通过交变磁场实现耦合，进行能量传递从而实现信息交换，其 模型如图2 2 所示。 图2 2 电感耦合模型 ( 2 ) 电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标 后反射，有一部分能量会返回到发射天线，称为回波。雷达技术是通过测量 回波信号来测量远程目标的距离和定位。如果按照一定的规律控制目标反射 信号的幅度、频率或相位，那么接收机在接收到反射信号，经过解调后可获 得调制信号的信息。 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。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 。识别作用距离小于l m ，典型 作用距离一般为1 0 - 2 0 c m 。 电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、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 h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 。识别作用 8 华北电力大学硕士学位论文 距离大于l m ，典型作用距离为3 - 1 0 m 。 2 2r f i d 技术的特点及分类 2 2 1r fid 技术的特点 r f i d 技术作为自动识别技术的一种与传统的识别技术相比具有很多的 技术优点。无论从使用的安全可靠性、方便程度，以及应用场合的广泛性方 面都优于其它的自动识别技术，其主要的特点如下。 ( 1 ) 非接触性：应答器的读、写，均在非接触操作状态下完成。阅读距离 从几厘米到几十米，适用于相对较短距离的无线传输信息的场合。例如：运 行的列车和地面之间进行点式信息的交换。 ( 2 ) 高可靠性和耐用性：应答器与读写器之间无机械接触，避免了由于接 触不良所造成的读写错误等操作，即使应答器上有灰尘、油污或处于黑暗等 外部恶劣环境下也不影响对应答器的读写所以可靠性比较高。另外，应答器 表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，所以 应答器的使用寿命比较长。 f ( 3 ) 操作方便读、写速度快：由于非接触通讯，读写器在几厘米至几十米 范围内就可以对应答器操作，所以不必像i c 卡那样进行插拔工作。非接触 应答器使用时没有方向性，应答器可以从任意方向掠过读写器表面，可大大 提高使用的速度，在几毫秒时间内即可完成读、写操作。 ( 4 ) 防冲突机制：应答器中有快速防冲突机制，能防止应答器之间出现数 据干扰，因此读写器可以“同时”处理多个非接触式应答器，一次可处理2 0 0 个应答器以上。 ( 5 ) 安全加密性能好：应答器的厂家可以进行编号，制造厂家在产品出厂 前已将此序列号固化，不可再更改。读写器可验证应答器的合法性，同时应 答器也可验证读写器的合法性。处理前，应答器要与读写器可以设置握手信 号，而且在通讯过程中所有的数据都进行了加密。 ( 7 ) 重复使用性：由于应答器为电子数据，可以反复被覆写和更改。因此， 可以将回收的应答器重复使用。如果是被动式应答器，不需要电池就可以使 用，没有维护保养的需要。 ( 8 ) 穿透性：应答器可以穿透纸张、木材和塑料等、非金属或非透明的材 质，与读写器之间进行信息交换。但是铁质金属，由于具有屏蔽作用，就无 法进行正常的信息交换。 ( 9 ) 追踪定位性：可以对r f i d 应答器所附着的物体进行追踪定位。如果把 9 华北电力大学硕士学位论文 应答器与g p s 相结合，管理部门可以对带有应答器的货柜车、货舱等进行有 效地理位置的实时跟踪【6 1 。 2 2 2r fld 技术的分类 从应答器与阅读器之间的通信方式、应答器的数据容量、频率范围、调 制方式等不同的角度，r f i d 技术可以划分为下面几类。 ( 1 ) 工作方式 据射频识别系统的基本工作方式分为：全双工( f u l ld u p l e x ) 和半双工 ( h a l fd u p l e x ) 系统以及时序( s e q ) 系统。全双工表示应答器与读写器之 间数据传输可以双向同时进行的；半双工表示应答器与读写器之间可以双向 传送信息，但在同一时刻只能一个方向传送信息。这两种方法的共同特点是， 从阅读器到应答器的能量传输是连续的，应答器的响应是在读写器发出的电 磁场或电磁波的情况下发送出去的。与阅读器本身的信号相比，应答器发出 的信号在阅读器的接收天线上是很弱的，所以必须使用合适的传输方法，以 便把应答器的信号与阅读器的信号区别开来。在实践中，人们对从应答器到 阅读器的数据传输一般采用负载反射调制技术将应答器数据加载到反射回 波上( 尤其是针对无源应答器系统) 。 时序方法则是阅读器发射出的电磁场短时间周期性地断开，这些间歇被 应答器用来传输数据给阅读器。这是一种典型的雷达原理工作方式，其主要 缺点是阅读器发送电磁波间歇时应答器接受能量中断，这就必须通过装入足 够大的辅助电容器或辅助电池进行补偿。 ( 2 ) 数据容量 射频识别应答器的数据量通常在几个字节到几千个字节之间，但是有一 个例外，这就是l 比特应答器。阅读器只做出以下两种状态的判断：“在电 磁场中有应答器”或“在电磁场中无应答器”。这种特性对于实现简单的监 控是足够的，l 比特的应答器不需要电子芯片，所以应答器的成本很低。因 此大量的l 比特应答器在百货商场和商店中用于商品防盗系统( e a s ) ，当没 有付款的商品带出商场时安装在出口的读写器能识别出“在电磁场中有应答 器”的状况，对按规定已付款的商品l 比特应答器在付款处被除掉或者去活化 处理。 ( 3 ) 可编程 根据应答器存储信息能否改变可分为可读写( r w ) 应答器、一次写入 多次读出( w o r m ) 应答器和只读( r o ) 应答器三种。r w 应答器一般比w o r m 应答器和r o 应答器贵得多，如电话卡、信用卡等。一般情况下改写数据所 l o 华北电力大学硕士学位论文 花费的时间远大于读取数据所花费的时间( 常规为改写所花费的时间为s 级，阅读花费的时间为m s 级) 。w o r m 应答器是用户可以一次性写入的应答 器，写入后数据不能再改变，且比r w 应答器要便宜。应答器的数据写入一 般分为无线写入与有线写入两种形式。目前，铁路应用的机车、货车应答器 可以采用两种写入方式对存储在里面的信息进行修改。 ( 4 ) 数据载体 存储数据的载体主要有电可擦可编程只读存贮器( e e p r o m ) 、铁电随 机存取存储器( f r a m ) 、静态随机存取存贮器( s r a m ) 等三种方式，一般 的射频识别系统，使用e e p r o m 。但由于写入功率消耗大，使用寿命一般为 1 0 0 ，0 0 0 次。有的厂家使用f r a m ，其属于非易失类存储器。与电可擦可编 程只读存贮器相比，铁电随机存取存贮器的写入功率消耗减少1 0 0 倍，写入 时间甚至减少1 0 0 0 倍。铁电随机存取存贮器由于生产中的问题至今未获得 广泛应用。对微波射频识别系统来说，还使用s r a m ，存贮器能很快写入数 据。为了永久保存数据，需要用辅助电池作不中断的供电。 ( 5 ) 频率范围 射频识别系统的另一个重要特征是系统的工作频率和阅读距离。由电磁 波的传播特性可知，发射频率与阅读距离是密切相关的。通常把射频识别系 统工作时，阅读器读应答器时发送射频信号的频率称为工作频率。射频识别 系统阅读器发送的频率通常划分为三个范围：低频( 3 0 k h z 3 0 0 k h z ) 、高 频或射频( 3 m h z - - 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 或微波( 3 g h z ) 。 按作用距离，射频识别系统的还可分为：密耦合( 0 l c m ) 、遥耦合( 0 l m ) 和远距离系统( 1 m ) 。 ( 6 ) 应答器一读写器数据传输方式 应答器回送到阅读器的数据传输方式可以分为三类：反射或反向散射方 式( 反射波的频率与阅读器的发送频率一致) 或负载调制式( 阅读器的电磁 场受应答器影响，频率比1 ：1 ) 、分谐波( 1 n 倍) 式、以及应答器中产生的 高次谐波( n 倍) 式。 ( 7 ) 调制方式 根据调制方式的不同还可分为主动式和被动式：主动式的应答器用自 身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式的应答器使用调制散射方 式发射数据。它必须利用读写器的载波调制的信号，适宜在门禁系统中使 用。目前，使用的很多系统中，一次只能读写一个应答器，所以应答器之间 要保持一定距离。若阅读器的读写距离过长，为了确保在阅读范围内只有一 个应答器，在阅读器的读写区域内的应答器之间间隔就要大，导致应用不方 华北电力人学硕士学位论文 便。现在具有防碰撞的功能的应答器，这对于r f i d 来说十分重要。所谓碰 撞是指多个应答器进入识别区域时信号之间互相干扰的情况。具有防碰撞性 能的系统可以同时识别进入识别距离的所有应答器，它的并行工作方式大大 提高了系统的效率。 2 3r f l d 技术的标准体系 r f i d 标准体系主要由空中接口规范、物理特性、读写器协议、编码体 系、测试规范、应用规范、数据管理、信息安全等标准组成。目前国际上制 订r f i d 标准的主要组织是国际标准化组织( i s o i e c ) 。i s o i e cj t c l 等负 责制订与r f i d 技术相关的国际标准，同时i s o 其他有关技术委员会也制订 部分与r f i d 应用有关的标准，还有其他一些相关的组织也开展了r f i d 标 准化工作。值得注意的是，相关标准之间缺乏达成一致的基础，国际标准化 组织正在积极推动r f i d 应用层面上的互联互通。我国在r f i d 技术与应用 的标准化研究工作上已经有一定基础，目前已经从多个方面开展了相关标准 的研究制定工作。制定了集成电路卡模块技术规范、建设事业i c 卡应 用技术等应用标准，并且得到了广泛应用；在频率规划方面，已经做了大 量的试验；在技术标准方面，依据i s o i e c l 5 6 9 3 系列标准已经基本完成国 家标准的起草工作，参照i s o i e c l 8 0 0 0 系列标准制定国家标准的工作己列 入国家标准制订计划。此外，中国r f i d 标准体系框架的研究工作也已基本 完成【7 1 。 目前r f i d 技术还未形成国际统一的标准，市场为多种标准并存的局面。 但随着r f i d 在全球物流行业大规模应用的开始，r f i d 标准的统一已经得到 业界的广泛认同。r f i d 行业没有统一的国际标准各个厂家推出r f i d 产品互 不兼容，就会造成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r f i d 产品互通和发展造成了阻碍，不仅会加大用户的购置、运行与维 护成本，还会制约r f i d 行业的发展。目前国际上，比较成熟的r f i d 标准 组织：( 1 ) e p c 标准组织；( 2 ) 国际标准化组织( i s o ) ；( 3 ) 日本u i d 中心 标准组织。e p cg l o b a l 规定用于e p c 的载波频率为1 3 5