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r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 中文提要 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 中文提要 射频识别( r f i d ) 是一种新兴的自动识别技术，它成功地实现了多目标的跟踪与 识别。它以非接触性，存储容量大，识别速度快，可以多卡识别等优于其它自动识别 技术的特性在近年来受到人们的广泛重视。 本文首先介绍了几种常见的自动识别技术，对他们进行了较全面的分析与比较。 分析t r f i d 系统的组成、特点及应用领域，探索了射频识别技术的工作原理，并对射 频识别技术的一些关键技术进行了深入的研究。在此基础上设计出了基于1 s 0 1 5 6 9 3 协 议的射频识别系统，并制作了一台r f i d 阅读器。 根据问题的特点和实际需要，确定了智能车辆识别系统的结构和组成，并选用 $ 6 7 0 0 系列的r i r 6 c 0 0 1 a 、控制器和与其配套的电子标签( r i 1 0 2 1 1 2 a 等) 构建了 系统的识别部分，针对阅读器设计了有效的外接天线及其匹配电路，实现信号的发送 与接收，最后根据系统的功能设计了系统的软件部分。其中采用c 语言和汇编语言进 行设计应用程序。 关键词：射频识别，阅读器，应答器，天线设计，电感耦合 作者：刘舒祺 指导教师：施国梁 a b s t r a c t 堕i 望1 9 d c ra n di n t e l l i g e n tv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e m r f i dr e a d e ra n d i n t e l l i g e n tv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yl d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i san e wo fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o na n dd a t a c a p t u r e ( a i d c ) ，w h i c hh a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di n t h e t r a c k i n ga n di d e n t i f i c a t i o no f m u l t i t a r g e ta p p l i c a t i o n s t h ea d v a n t a g ei t h a si s ：c o n t a e t l e s so p e r a t i o n ，l a r g es t o r a g e c a p a c i t y ，r a p i dr e c o g n i t i o na n dm u l t it a r g e t sr e c o g n i t i o n s s ot h ei m p o r t a n c et or f i di s a t t a c h e db yp e o p l er e c e n t l y f i r s t l y ，t h ep o p u l a ra i d ct e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e da n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e di nd e t a i l a n a l y z i n gt h e s t a - u c t u r e 、c h a r a c t e r 、a p p l i c a t i o nf i e l d a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f r f i d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u tr f i da r e d e v e l o p e d w i t ht h e s et h e o r i e s ，as a m p l e r e a d w r i t ed e v i c e , b a s e do ni s 0 1 5 6 9 3 p r o t o c o l ，w a sd e s i g n e d s e c o n d l y a ni n t e l l i g e n tv e h i c l es y s t e mb a s e do nt h er f i dt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d s e r i e ss 6 7 0 0t r a n s c e i v e ri cr i r 6 c - 0 0 1 ac o n t r o l l e ra n dr i 1 0 2 - 11 2 at a ga r es e l e c t e da s t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m t h ee x t e r n a la e r i a ll o o pa n di t sm a t c h i n g c i r c u i ta r ed e s i g n e d ，s ot h es y s t e mc a ne f f i c i e n t l yt r a n s f e ra n dr e c e i v ed a t a f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h ei n t e l l i g e n tv e h i c l es y s t e mi sd e v e l o p e dw i mc a n dc o m p i l a t i o nl a n g u a g e k e y w o r d s ：r f i d ，r e a d e r ，t r a n s p o n d e r ，a n t e n n ad e s i g n ，i n d u c t a n c ec o u p l i n g w r i t t e n b y ：s h u q il i u s u p e r v i s e db y ：g u o l i a n gs h i v 7 8 1 5 2 9 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创。i 生声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导帅的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：剑蛰缢日期：趔：，3 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩e | j 或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，口j 以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：塞j 签塑f | 期：塾竺：苎：宝 导师签名：旌蓟辔日 期：鲁型匕c ! ! r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1r f l d 系统及发展 1 1 1 自动识别与r f i d 的关系 近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部 门、在生产企业和材料流通领域都得到了快速的普及和推广。自动识别方法的任务和 目的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。 几年前，条形码在识别领域引起了一场革命并得到了广泛应用。今天，条形码在 越来越多的情况下已经不能满足人们的要求了。虽然条形码很便宜，但它的不足之处 是存储能力小以及不能改写。 一种技术上最佳的解决方案是将数据存储在一块硅芯片里。在日常生活中，具有 触点排的i c 卡( 电话i c 卡、银行卡等) 是电子数据载体的最普遍的结构。然而，对 i c 卡来说，在许多情况下，机械触点的接逶是不可靠的，况且无数次的将卡在所属阅 读器的缝隙里来回插拔很容易导致卡接触点的磨损和卡与阅读器之间的接触不良。所 以，电子数据载体与所属阅读器进行非接触通信已变得十分迫切。数据载体与一个所 属的阅读器之间的数据进行非接触传输将灵活得多，同时电子数据载体工作时所需要 的能量通过阅读器非接触地传输来获得。根据使用的能量和数据传输方法，我们把非 接触的识别系统称作射频识别系统( r f i d ) 。从信息技术的发展和功能实现方面看， 射频识别技术属于自动识别技术。可以说自动识别系统的发展是十分迅速的，而且技 术种类繁多。相继出现的自动识别系统主要有：条形码系统、光学符号识别系统、生 物识别法( 包括语音识别、指纹法识别) 、i c 卡( 包括存储器卡、c p u 卡等) 、射频识 别( r f i d ) 系统。 射频识别系统是上述i c 卡技术的延伸和发展，数据存储在电子数据载体( 应答器) 之中。然面，应答器的能量供应以及应答器和阅读器之间的数据交换不是通过电流的 触点接通而是通过磁场或电磁场，这方面采用了无线电和雷达技术。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。同其他识别系统相比，射频识别系统 具有许多优点，因此，射频识别系统开始占领了巨大的销售市场。而且，射频识别系 第章绪论 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 统正在逐步取代原有的很多自动识别系统。表l 、l 对各种识别系统进行了比较。结 果表明了射频识别系统与其他系统的弱点和优点。表中还表明了接触式i c 卡与射频 识别系统之间的密切关系，与老式的i c 技术相比，避免了接触式i c 卡很多缺点，如 易磨损、易损坏、插入费时等。同一些目前尚不成熟的生物识别技术相比，射频识别 技术具有高效快捷、非接触无污染、识别率高等突出优点”1 。 袭1 、l 各种识别系统优缺点的比较【2 】 必 条形码光学符号语音识别生物计数i c 卡 射频识别 识别 测量法系统 典型的数 】1 0 0l 1 0 01 6 6 4 k1 6 6 4 k 字量字节 数据密度 小小 高高很高很高 机器阅读 好好 费时间费时间好好 的可读性 受污染潮很严重很严重可能( 接 没有影响 湿影响触) 受光遮盖全部失效全部失效可能没有影响 影响 受方向和很小很小一个插入没有影响 位置影响方向 用坏磨损有条件的有条件的接触没有影响 购置费电 很少 一般很高很高很少一般 子阅读设 备 工作费用很少很少无无一般( 接无 ( 例：打印 触) 机 阅读速度低4 s 低一3 s 很低 5 s很低 低- - 4 s很快加5 s 5 1 0 s 未经准许容易容易可能( 录 不可能不可能不可能 的复帝打修音带) 改 数据簸体 0 - - 5 0 e m l e a n ( 扫 0 - 一5 0 e m 直接接触直接接触 肛s m 微波 与阅读器 描器) 之间的最 大距离 注： 使用随机发生器来选择一段要说的文字，可以减少“重放”的风险，因为事先不知道哪些文 字必须说。# 这仅仅使用于指纹识别。在利用眼睛视网膜或虹膜的情况下，直接接触是不必要或 不可能的。 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究第一章绪论 1 1 2r f i d 的定义及特点 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，即射频标识。r f i d 射频识别 是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据 t l 。r f ( 射频) 专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波。 从概念上来讲，r f i d 类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形 码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形码传送到扫描读 写器：而r f i d 则使用专用的r f i d 阅读器及专门的可附着于目标物的r f i d 单元，利 用r f 信号将信息由r f i d 单元传送至r f i d 阅读器。r f i d 单元中载有关于目标物的各 类相关信息，如：该目标物的名称，目标物运输起始、终止地点，中转地点及目标物 经过某一地的具体时间等，还可以载入诸如温度等指标。 r f i d 是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的应用技术，其所具 备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。它既可支持只读工作模式也可支持读写 工作模式，且无需接触或瞄准；识别工作无需人工干预，可自由工作在各种恶劣环境 下；可迸行高度的数据集成。另外，由于该技术很难被仿冒、侵入，使r f i d 具备了 极高的安全防护能力。射频识别的突出优点体现在如下几个方面：( 1 ) 无接触识别、阅 读距离远；( 2 ) 识别速度快；( 3 ) 适应物体高速度移动；( 4 ) 可穿过布、皮、木等材料 阅读；( 5 ) 抗恶劣环境工作能力强，可全天候工作。 1 1 3r f i d 系统的组成及工作原理 个典型的射频识别系统一般由射频卡( 应答器) 、读写器( 阅读器) 和应用系统 ( 包括连接线路) 三部分构成。系统构成如下图1 、1 和图1 、2 【6 l ： 数据流 图i 、1 射频识别系统的构成 第一章绪论r f i d 阅读船与智能车辆识别方案研究 耦合元件 ( 线圈、微波天线) 图1 、2 阅读器与应答器信息传递 应答器中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，应答器附着在待识别物 体的表面。阅读器又称为读出装置，可无接触地读取并识别应答器中所保存的电子数 据，从而达到自动识别物体的目的，阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标 签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息被阅读器读取并解 码后送至计算机，由计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传 送等管理功能【3 】。 1 1 4r f i d 系统的研究现状与发展 r f i d 技术应该归结为雷达技术的发展和应用，因此其历史可追溯到2 0 世纪初期， 大约在1 9 2 2 年雷达l 4 - s j 诞生了，正式由于雷达的发明才奠定了盟军在第二次世界大战 时期的胜利基础。雷达发射无线电波并通过接收到的目标反射信号来测定和定位目标 的位置及速度。随后，在1 9 4 8 年出现了早期研究r f i d 技术的一篇里程碑的论文。： “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、通信网络等新技术，拉开了r f i d 技术的研究序幕。 在2 0 世纪6 0 年代发表了一系列r f i d 技术论文及专利文献p 1 2 1 。予是，r f i d 的应用 已于2 0 世纪6 0 年代应运而生，在2 0 世纪6 0 年代末出现了商用r f i d 系统一电子 物品防盗系统简称e a s ( e l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c e ) 设备。e a s 被认为是r f i d 技术最早，且最广泛应用于商业领域的系统。 2 0 世纪7 0 年代，r f i d 技术成为人们研究的热门课题，各种机构都开始致力于r f i d 技术的开发，出现了一系列的研究成果，并且将r f i d 技术成功应用于自动汽车识别 ( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ) 的电子记费系统【1 3 i 、动物跟踪以及工厂自动 4 r f l d 阅读器与智能车辆识别方案研究 第一章绪论 化等。 2 0 世纪8 0 年代是充分使用r f i d 技术的十年，虽然在世界各地开发者的方向有所 不同但是在美国、法国、意大利、挪威和日本等国家都不同程度在不同应用领域安 装使用了r f i d 系统：第一个使用的r f i d 电子收费系统是1 9 8 7 年在挪威正式使用， 】9 8 9 年在美国达拉斯南部高速公路也开始使用不停车收费系统。在此期间纽约港务局 和新泽西开始在林肯路的汽车入口处使用r f i d 系统。8 0 年代可以说是r f i d 技术在电 子收费系统应用的年代。 2 0 世纪9 0 年代可以说是r f i d 技术繁荣发展的十年，其主要表现在美国大量配 置了电子收费系统。1 9 9 1 年的俄克拉荷马州建成了世界上第一个开放的高速公路不停 车收费系统，汽车可以高速通过收费站。世界上第一个电子收费系统和交通管理系统 是1 9 9 2 年安装在休斯顿，该系统中首次使用了“t i t l e 2 1 ”标签，而且这套系统和安 装在俄克拉荷马州的r f i d 系统相兼容。同时在欧洲也广泛使用r f i d 技术，如在不停 车收费系统、道路控制和商业上的应用。而一种新的尝试是德州仪器公司( t i ) 开发 的t i r i s 系统用于汽车发动机的启动控制1 4 1 。由于已经开发了小到能够密封到汽车钥 匙当中的电子标签，使r f i d 系统可以方便地应用于汽车防盗中，如欧洲的丰田汽车、 福特汽车和日本三凌汽车己将r f i d 技术应用于汽车防盗。r f i d 技术已在许多国家的 公路不停车收费和火车车辆跟踪与管理中得到广泛应用。 为适应数字化信息社会发展的需求，r f i d 技术的研究与开发也正突飞猛进的发 展。在欧洲、美国及日本等国家正在研究各种各样r f i d 技术。各种新功能的r f i d 系 统不断出现，满足各种各样市场的需求。2 0 世纪末到2 l 世纪初，r f i d 技术中一个重 大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 y m e t a l 0 x i d es 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 的电子标签只 含有一个集成芯片成为可能。 目前，在m i c r o c h i p 、h i t a c h i 、m a x e l l 和瑞典的t a g m a s t e r 等公司已有单一芯 片的不同频段的电子标签供应市场1 5 】【1 6 】i 翔，而且已加入如防冲突协议 ( a n t i c o l l i s i o np r o t o c o l ) ，使得一个阅读器可以同时读出至少4 0 个微波电子标 签的内容信息，同时也增加了很多功能，如电子钱包需要的低功耗读写功能、数据加 密功能等，为r f i d 技术的应用提供更为广泛的应用前景。 2 0 0 1 年6 月，日本东芝公司在东京发布消息：已制造出世界上最小的r f i d 芯片 s 第一章绪论r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 f 5 l “咖一c h ip j ，使得电子标签嵌入纸内成为可能。日本m a x e l l 公司已生产出只有 米粒大小的电子标签，用于1 3 5 6 m h z 的r f i d 系统1 6 】，该电子标签中集成有用作天线 的电感线圈。 2 0 0 1 年1 2 月电子工程时代( e e t i m e s ) 宣布到2 0 0 5 年欧洲银行将在银行票据上 安装r f i d 芯片。2 0 0 1 年1 0 月，己报道在欧元上使用了r f i d 防伪标识。 2 0 0 2 年3 月m i c r o m e m 技术公司和国际纸业( i n t e r n a t i o n a lp a p e r ) 公司共同开发 纸质”芯片的封装技术 最近，嵌入在纸内的电子标签技术成为研究的热点。 在r f i d 系统中的天线也有长足的发展，尤其是2 0 0 1 年9 月f r a c t a la n t e n n a s y s t e m 公司开发出分形天线用于r f i d 系统中，其中包括标签天线和读出装置天线。 由于电子标签是从外部射频场中获取能量，因此电子标签的低功耗技术成为关注的焦 点。微功率的单片电子标签芯片己被研制出来，极低功耗的电子标签技术正在研制之 中。 在实际应用中，多标签和多阅读器等的防冲突协议也是人们研究的热点。当前， r f i d 技术在我国的应用正处于起步阶段，自1 9 9 3 年我国政府颁布实施“金卡工程” 计划以来，加速了我国国民经济信息化进程。由此，各种射频技术的发展及应用十分 迅速。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，该设 备是从美国a m t e c h 公司引进。由于该系统没有真正实现“一卡通”功能而限制了其 速卡通用户的数量：为适应全国信息化技术的要求，我国铁道部于1 9 9 9 年开始投资 建设自动车号识别系统并于2 0 0 0 年开始正式投入使用，作为电子清算的依据。该项 目有兰州远望公司和哈尔滨铁路科学研究所共同研制；2 0 0 1 年7 月上海市虹桥机场组 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化创新”项目的示范工程。2 0 0 1 年，我国交通部也 已宣布开发使用电子车牌管理系统，给r f i d 技术的应用增添了新的活力。 我国r f i d 产品的市场是十分巨大的。我国的国土面积大、公路多、车辆多，随着 国内对现代物流业的日益重视与发展，对r f i d 技术的应用，预计在未来十年内将有 数十亿元的需求。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。目前r f i d 技术在我国虽处于一 个刚刚起步的阶段，但它的发展潜力是巨大的，它的前景非常诱人。 6 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究第一章绪论 i 2 本选题的背景和意义 r f i d 技术是一种无线的、非接触的自动识别技术，是近几年发展起来的前沿科技 项目。该技术主要和当今数字化移动商务相适应，可以实现自动识别和远程实施监控 及管理，其通信距离范围可从几厘米到几十米远，而且依据读写方式的不同，可以输 入数千字节的数字信息，具有极高的保密性。它适应当代数字化移动商务的社会需求， 是当代信息技术中的热门技术之一。其主要优点是环境适应性强、不受风雪、冰雹、 灰尘等的影响，可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪与管理，且可穿透非金属物 体进行识别，抗干扰能力强。因此，r f i d 技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、 日本和欧洲为首的发达国家对r f i d 技术的应用研究已达到相当高的水平，而我国处 于起步阶段，大多采用了引进的技术成果。所以研究该技术已成为当今社会发展的必 一 n d 另外，r f i d 技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理 论，而且还包括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因 此，对r f i d 技术的认识和研究具有深远的理论意义。 随着2 1 世纪数字化时代的到来，基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会 需求，r f i d 技术在智能交通管理系统中将发挥巨大的作用，r f i d 技术的明天将更加 灿烂夺目。在全球范围内蔓延开来，研究开发r f i d 技术有着巨大的经济效益和社会 意义。 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，汽车成为普及的交通工具，如何才 能实现对汽车有效、高效的管理成为一个难题。我国汽车的管理、汽车税费收取方式、 路况信息系统、汽车g p s ( g l o b ap o s i t i o ns y s t e m ) 、汽车的防盗等的研究和应用都 相对的落后，离自动化和智能化的距离还很大。在发达国家这些研究己经部分的应用 到了汽车工业中，实现了高效化、智能化的汽车管理。这些应用系统有的采用了图象 识别技术，有的采用r f i d 技术。从第一节表l 、1 的比较来看，图象识别由千受污染、 光线、距离、角度、位置等影响严重，而且图象识别的算法以及需要的存储空间开销 很大，实现比较复杂。r f i d 系统相对来说受干扰比较小，包含信息量大，算法简单， 实现较容易。 本文将基于r f i d 技术来提出一个实现汽车r p s ( r e g i o np o s i t i o ns y s t e m ) 以及 第一章绪论r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 高速公路收费系统的方案，并以m c u ( p i c l 6 f 8 7 7 ) 为核心进行智能车辆识别的a s t c 设计，为集成化( a s i c m c u ) 车用r f i d 系统提供理论依据和实现的实例。推动r f i d 技术在我国的开发研究及应用。 1 3 本课题的研究内容 本文以射频识别技术的实际应用为背景，以智能车辆识别系统的设计为例，阐述 了使用一种t i 公司生产的工作于1 3 5 6 m h z 的典型的射频i c 卡进行系统开发的方法， 所做的工作主要有以下几方面：整个系统方案的软件、硬件设计，阅读器电路的设计， 单片机系统硬件、软件的设计，天线的设计以及对天线的匹配、调谐电路进行了研究。 其中，对射频识别技术中的关键问题：能量和信号的传输与耦合，信号的编码、调制 等做了理论上的分析和探讨。 1 4 论文结构 本论文的结构安排如下： 第一章绪论 介绍了r f i d 技术产生的背景，系统地回顾了国内外r f i d 的研究现状和发展，简 述了r f i d 系统的缎成和工作原理，最后阐述了本选题的背景、意义以及本论文的主 要内容和结构安排。 第二章r f i d 系统基本理论 本章首先阐述了射频通信的物理基础电磁场和电磁波，然后详细分析了通信 中的一些关键技术，如编码、调制、c r c 校验等。 第三章r f i d 系统分析 本章主要分析了r f i d 系统各部分的组成及特点：研究了防冲突算法、通信协议以 及相关的规范、标准等。阐述r f i d 系统设计思想。 第四章智能车辆识别系统外接天线的设计与实现 本章首先分析了几种常用天线的特点，然后根据实际情况设计出p c b 环型天线， 晟后研究了参数的确定方法以及天线的调谐和匹配。 第五章可视化阅读器的设计与实现 本章对r f i d 系统的阅读器进行分析设计同时分析了所设计的阅读器在进行数据 传输时的具体的通信技术以及通信过程。 r f j d 阅读器与智能车辆识荆方案研究 第一章绪论 第六章智能车辆识别系统设计 本章从应用的角度，对整个系统进行了分析，详细阐述了系统的整个工作过程。 第七章结论 本章檄括总结了本文所做的工作，并指出下一步研究的重点。 第二章r f i d 系统基本理论 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 第二章r f i d 系统基本理论 应答器与阅读器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行的。一般 地，可以利用两个参数衡量数据在空气介质中的传播，即数据传输的速度和数据传输 的距离。由于应答器的体积、电能有限，从应答器发出的无线信号是很弱的，因而信 号传输的速度与传输的距离就很有限。为了实现数据远距离、高速度传输，必须把要 传输的数据信号叠加在一个规则变化的信号比较强的电波上，这个过程就是调制，规 则变化的电波即载波。在r f i d 系统中，载波一般由阅读器发出并进行调制，而实现 数据的调制也有许多方法，如用数据信息改变载波的波幅即调幅、改变载波的频率即 调频、改变载波的相位即调相。射频识别系统一般采用调幅或调频方式。 2 1r f i d 技术的物理基础 绝大多数的射频识别系统是按电感耦台的原理工作的，因此深入探讨磁现象的物 理本质，对研究阅读器与应答器之间的能量和数据传输的过程是非常必要的。下面从 射频识别的角度来探讨电磁场的特性。 2 1 1 电磁场 众所周知，运动的电荷或者说电流，都伴随有磁场【8 】，磁场的大小用磁场强度h 表示，与所在空间的物质属性无关。 为了在电感耦合的射频识别系统的阅读器中产生交变磁场，一般采用导体回路或 短圆柱形线圈来做磁性天线，天线中的电流变化会产生如图2 、l 所示的磁力线，在 其周围产生磁场。 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 第二章r f i d 系统基本理论 一 日= 器 (2、1)2 , ( r 2 + z 2 r 。“1 式中n ：线圈匝数：r ：圆半径：x ：沿x 方向与线圈中心的距离( 此式使用的有 效边界条件：d ri 而j f l _ x 必疗) 。上式表明，如果被测点沿线圈轴( x 轴) 方向离 开线圈中心很远，那么场强h 随着距离x 的增加不断减弱。 在一个线圈中通过线圈内部空间的所有磁力线总数称作磁通量o ，单位面积内的 磁通量称为磁通密度b ，二者的关系为中= 矗a ；磁通密度b 和场强h 之间的物理关系 可表示为口= 硒一日= 胪。其中岛是磁场常数( 鸬= 4 疗x 1 0 “v s a m ) ，用以描述真 空导磁率( 等于导磁系数) ；变量肛被称作相对磁导率，用于说明材料的导磁率比硒 大多少或小多少。 任意形状的通电导体周围都能产生磁场，郎有磁通量o 。但如果导体形成回路( 线 圈) ，则磁通量会明显增加。绕制相同的n 匝线圈相当于n 个面积相同的回路，且每 个回路都有相同的电流i ，每个回路对总磁通量甲的贡献是，即甲= $ 。 在电流i 包围的总面积中的磁通量v 与导体中的电流之比称为感应系数l ， 三= 手一n p ，h a ，电感是导体回路的一种特征参数，仅取决于磁通量所通过的空间的 物质属性( 导磁率) 及几何分布。 如果在通电的导体回路厶( 面积4 ，电流) 的附近还有另外的通电导体回路厶 ( 面积4 ，电流1 2 ) ，则穿过a 。的部分磁通量。也穿过4 。两个回路通过这部分磁通 ! 三! l 坠里蟹燮奎墨! ! 一 些! 旦鲤垦壁量塑堡兰塑望型查壅竺窒 量( 即耦合磁通量) 连结在一起。导体回路岛与导体回路的互感系数。是被回路 如包围的部分磁通量甲：，与回路厶中的电流2 _ 1 5 鸩。：鼍嫂：( 5 冬 1 1 同理r m 。2 = m ：i = m 。 ( 2 、2 ) 圈2 、2 两个线圈的部分磁通量耦合产生的互感 如l 两个电路经过磁场耦合是电感耦合射频识别系统的物理基础。磁通量。的变化会 产生电场强度e ，感应定律说明了磁场的这种特性，感应定律可用如下公式表示 驴姐出= 一警 ( 2 ，) 下面考察电磁感应对磁耦合的导电回路的影响。 导体回路厶中随时间变化的电流( r ) 产生了随时间变化的磁通量旦! 掣【1 8 】。根据 电磁感应定律，中的全部或部分磁通量会穿过导体回路三i 和厶，产生两种感应电压： ( 1 ) 自感：由电流变化鲁引起的磁通量变化在同一导体回路厶中感应产生电压q ( 2 ) 互感：由鲁引起的磁通量变化在邻近导体回路岛中感应产生电压”：。 通过互感，两个导体回路相互耦合。 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 第二章r f i d 系统基本理论 图2 、3 磁耦合导体同路的等效电路图 图2 、3 所示的电感耦合的射频识别系统中，厶代表阅读器的发射天线，岛代表 应答器的天线，韪为应答器天线的线圈电阻。数据存储器的电流消耗用负载电阻来 表示。阅读器天线厶中的交变电流产生随时间变化的磁通量，通过互感系数m 会对其 电磁场内的应答器线圈感应产生电压地，并可由下式求得 旷+ 华：m 譬一乏拿f 2 足 ( 2 、4 ) 。dd 王d 2。 一般，和f 2 均为正弦波交流电( 高频) ，故用复数形式写出 = j c o m i ，一歹鸣五一岛r ( 2 、5 ) 根据应答器供电来源不同，感应电压有两种作用。有源应答器使用自身电池给 数据载体供电，电压“：通常只用于产生“唤醒”信号，当电压超过某个极限，这一 信号就被激活，并使数据载体进入工作模式；当和阅读器完成信息交换后或f g 压u z 低 于某最小值后，应答器就返回到节电的“睡眠”模式。 对无源应答器而言，数据载体的供电必须取自电压屹。使用低损耗的桥式整流电 路将电压转换成直流，然后被滤波、稳压，达到应答器要求的工作电压。研究表明， 并联谐振电路在达到谐振频率时产生的电压毪与普通电路相比要增大1 0 倍以上，为 显著提高图2 、3 所示的电路的效率，通常在应答器线圈厶上应并联电容c 2 ，以构成 并联谐振回路，使其谐振频率与阅读器的工作频率相一致。并联谐振回路的谐振电容 可由汤姆逊公式求得2 1 第= 章r f | d 系统基本理论r f i d 阅读器与智能车辆识别方粜研究 3 司秀1 2 1 2 电磁波 ( 2 、6 ) 除了电感耦合的射频识别系统以外，还有一部分r f i d 系统是以无线电波的形式工 作的，要理解这些系统，需要深入分析电磁波在远距离场中的传播。 理论分析认为，变化的空间磁场感应有闭合电力线的电场，这个电场包围着磁场， 且也随时间而变化。由于电场随时间变化，在空间产生有磁场，该磁场包围着电场且 也随时问变化，又产生了另外的电场。由于随时问变化的场的相互依赖关系，于是在 空间有一系列的电场和磁场效应，形成电磁波m 】。所产生电磁波的波长为五：1 = 杉， ，i 其中c 为光速，f 为辐射频率。 初始磁场由天线上开始，并在空间感应电力线。这个范围称为天线的近场。 当距离为，时，电磁场脱离天线并作为电磁波进入空间，这种脱离天线的电磁 场称作远距离场。 一个脱离天线的电磁波，虽然它是由天线产生的，但已经不能通过电感或电容的 耦合自反作用于天线。对电感耦合的射频识别系统来说，这意味着随着远距离场的开 始，变压器式的耦合已不再可能。这一范围也是电感耦合系统不可超出的作用范围。 电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的高频能量一部分 被目标吸收，转化为热能，另一部分则以不同强度被散射到各个方向上去。反射能量 的一小部分最终又返回到了发送天线。 在雷达技术中，就是用这种反射来测量远程目标的距离与方向的。 对射频识别系统而言，可以利用电磁波反射进而达到从应答器到阅读器的数据传 输，但由于目标的反射性能般随频率的上升而增强，所以这种方式主要用在高频的 微波射频识别系统。我主要研究的是耦合的射频识别系统，所以对电磁波就不作详细 的介绍了。 2 2r f t d 系统的数据传输 r f i d 系统是一个数字通信系统，当然其数据传输就要遵循通信系统要求。阅读器 与应答器之间进行通信需要三个主要功能模块1 2 0 】，即发送端的信号编码与调制模块， 1 4 r f i d 阅读器与智能车辆识别方案研究第二章r f i d 系统基本理论 传输通道和接收端的解调与信号译码模块，如图2 、4 所示。 信嗣信僻卜 图2 、4 通信系统的模型 宿 2 2 1 信号编码与调制 为了使代表消息的信号在数字系统或数字信道中有效地传输，必须将信源发出的 信号进行变换，使之成为合适的数字脉冲串( 一般为二进制脉冲) ，这就是信源信号 编码f 2 l 】。在通信中，信号编码的目的主要有两个： ( 1 ) 将信号变换为适于数字通信系统处理与传输的数字信号形式。 ( 2 ) 通过信号编码提高通信的有效性，尽可能减少原消息中的冗余度，使单位时间 或单位频带上所传的信息量最大。 信号编码的作用使要传输的信息及其信号表示尽可能最佳地与传输通道的性能相 匹配。这种处理包括对信息提供某种程度的保护，从而防止信息受干扰或相碰撞，以 及对某些信号特性的蓄意改变。 对于不同的传输系统，由于信道特性和要求的指标不同而采用不同的数字脉冲波 形。通常采用的波形有矩形脉冲、三角脉冲、高斯脉冲及正余弦脉冲等。由于矩形脉 冲易于形成和变换，所以矩形脉冲成为最常用的数字波形。 对于给定的代码情况下，使用不同的编码类型可以形成各不相同的二进制脉冲序 列。射频识别系统通常使用下列编码法中的一种方法： n r z ( 反向不归零制) 编码、曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码、单极归零制( u n i p o l a rr z ) 编码、差动双相( d b p ) 编码、米勒( m i l l e r ) 编码、差动编码和脉冲间歇( p p ) 编码。 n r z 编码：“高”信号表示二进制1 ，“低”信号表示二进制0 。 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：在半个比特周期时的负边沿表示二进制1 ，半个比特 周期时的正边沿表示二进制0 第二章k f i d 系绩纂本理论p , q d 阅读器与智能车辆识别方案研究 单极归零制( u n i p o l a rr z ) 编码：在第一个半比特周期中的“高”信号表示二进制1 ， 而持续熬个比特周期的“低”信号表示二进制0 。 差动双相( d b p ) 编码：在半比特周期中的任意边沿表示二进制0 ，而没有边沿就表示 二进制1 。 米勒( m i l 】e r ) 编码：在半比特周期内的任意边沿表示二进制1 ，而经过下个比特 周期中不变的高电平二进制0 。 变型米勒编码：是把米勒编码的每个边沿都为一“负”脉冲所取代。 差动编码：每个要传输的二进制l 将引起信号电平的改变，而0 使电平保持不变。 下图2 、5 是对同一个信息用不同编码方法进行编码的结果 蔓 图2 、5 不同编码的比较 为射频识别系统选择编码类型时，首先要考虑调制后的信号频谱以及对输入故障 的敏感度，尤其对无源应答器来讲，如果阅读器发送信号的编码和调制方法组合不当， 会造成应答器能量供应的中断，从而影响通信的质量。 经过编码的信号一般不能在信道直接传送，必须用调制的方式对载波信号的某些 1 6 r f i d 阅读嚣与智能车辆识别方案研究第二章r f i d 系统基本理论 参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号( 指经过编码的信号) 的变化而变化。 从原理上讲，受调载波的波形可以是任意的，只要调制后的信号适合于传输就可以。 但实际上，大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形 式简单，便于产生与接收。 传统的无线电技术中，主要是众所周知的模拟调制方法。根据电磁波的三个参数， 可区分为振幅调制，频率调制和相位调制三种基本形式，并可派生出多种其他形式。 数字调制与模拟调制相比，其原理是相同的，只不过模拟调制是对载波信号的参量进 行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续进行估值；而数字调制都是用载波 信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参 量进行检测。因此，数字调制信号也称键控信号。 射频识别系统采用的是振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) 三 种之一的数字调制法 2 0 1 。 另外，就电感耦合的射频识别系统而言，从虚答器到阅读器的数据传输常使用副 载波的调制法，这种调制有着与阅读器天线上的高频电压的振幅键控t a s k ) 调制相 似的结果。代替在基带编码的信号节拍中对负载电阻的切换，用基带编码的数据信号 首先调制低频率的副载波。可以选择a s k 、f s k 或p s k 调制作为对副载波调制的方法。 对于1 3 5 6 m h z 的系统来说，大多使用的副载波频率为8 4 7 k h z ( 1 3 5 6 州z 1 6 ) 、4 2 4k h z ( 1 3 5 6 潲z 3 2 ) 。已调的副载波信号则用于切换负载电阻。 ， 副载波进行负载调制时，首先在围绕操作频率副载波频率，一的距离上产生两条 谱线。真实的信息随着基带编码的数据流对负载波的调制被传输到两条副载波谱线的 边带中，另一方面，如果采用的是在基带中进行的负载调制时，数据流的边带将直接 围绕工作频率的载波信号。 下图2 、6 是负载波调制的多重调制的逐步产生过程： 第二章r f i d 系统基本理论r e i d 阅读器与智能车辆识别方案研究 删找渡的饥拔咖制f ? f0 图2 、6 用负载调制的a s k 的副载波调制 2 2 2 数据的完整性 对r h d 系统而言，使用非接触技术传输数据，很容易遇上干扰，使传输数据发生 不受欢迎的改变从而导致传输错误。使用校验和法可以识别传输错误，并进行校正操 作。最常用的方法是奇偶校验和循环冗余校验。 奇偶校验是一种很简单的且广泛使用的校验和法。该方法是把一个奇偶校验位组 合到每一个字节中，并被传输，即每字节发送九位。在数据传输前必须确定是用偶校 验还是奇校验，以保证发送端和接收端使用相同的方法进行校验。奇偶校验的值是这 样设定的：奇校验时，每字节的数据位中“1 ”的个数是奇数，则校验位为“0 ”，反 之，则为“1 ”；偶校验与奇校验相反。这种简单方法的缺点是识别错误能力低。 循环冗余校验，该方法的计算是一种循环过程。c r c 的计算包括了要计算其c r c 值的数据字节以及所有前面的数据字节的e r e 值。数据块中的每一被校验过的字节都 用来计算整个数据块的c r c 值。 当一数据块被传输时，在发送器内计算数据的c r c 值，并将此值附在数据块后一 一 r f l d | ； j 读器与智能车辆识别方寨研究弗二章r f ；d 系统基本理论 起传输。在接收器中计算接收数据( 包括附加c r c 字节) 的c r c 值。结果应该是零， 否则出现了传输错误。 2 2 3 防冲突算法及其分析 在r f i d 系统中，阅读器与应答器之间的通信，不能排除可能会有一个以上的应答 器同时处于阅读器的作用范围内，此时二者之间的通信存在着两种基本形式：第一种 通信形式是阅读器发出的数据流同时被多个应答器接收( 无线电广播) ；第二种通信 形式是在阅读器的作用范围内有多