（信号与信息处理专业论文）非接触ic卡读写器和palm设备的结合.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进 行的研究工作。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发表或撰写过的研究成果。 参与同一工作的其他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。 期之! 堑丝乡 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件， 允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蒋府一 导师签名：蕊赋爪 上海人学硕i j 学位论文非接触i c 卡读碍器和p a l m 设备的站台 摘要 众所周知，自动识别技术在现今的经济中起餐至关重要的作用。条形码、交 逐卡、信惩卡等都是叁动识裂技零在当今社会中瓣广泛应爝。荬中r f i d ( 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 n ) 射频识别技术在最近几年愈发显示了其在自动识别领域 猿无二豹遗住。它稳溺无线电液，以菲绥辍、无视觉、离可靠豹方式采传送识 别资料，以达到身份识别的目的。 本文采用t i 公司的多协议应铸器芯片$ 6 7 0 0 ，结合a t m e l 8 9 c 5 2 m c u ，设计了 基于t a gi t 秘议款读写嚣。著鬟爨了p a l m 设釜耱读写嚣整合懿方案。遥瘸p a l m 的优点在于大大降低了开发的成本，提高了读写器的使用灵活性。硬件上通过 兆i m 豁串翻，结合了p a l m 设备帮读写嚣。软件上使用j 2 m e 技术露多线程技术 在p a l m 上开发功能强大的应用程序。本文将着重介绍$ 6 7 0 0 通信协议、t a gi t 协议标准、p a l m o s 系统和j 2 m e 投术、多线翟技术。 挖羚，本文穷缓了该没诗系统鹱涉及豹r f i d 龛季菝谈嬲基礁理论 关键词：r f i d ，t a g ic ，读写器，p a l mo s ，j 2 m e 始1 毅 上海大学硕p 学位论文 非接触i c 卡读写器和p al m 啦蔷的结合 a b s t r a c t i ti sk n o w nt oa l lt h a tc u r r e n ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ev i t a lt oo u r e n t i r ee c o n o m y t h i n ko ft h em a n yw a y sd a t ai s ”a u t o m a t i c a l l yc a p t u r e d ”o rh o w ”t h i n g s ”a r ea u t o m a t i c a l l yi d e n t i f i e d b a rc o d e s m a g n e t i cs t r i p ea n de v e ns u b w a y & t r a n s p o r t a t i o ns m a r tc a r d sa r ee x a m p l e so f ”a u t o m a t i cd a t ac a p t u r e ”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 ( r f i d ) t e c h n o l o g y i s b e c o m i n g t h em o r ea n dm o r e p o w e r f u l ”a u t o m a t i cd a t ac a p t u r e ”t o o ll i n k i n gp h y s i c a l ”t h i n g s ”t oe l e c t r o n i cb i t sa n db y t e s r f i dt e c h n o l o g yh a sb e e na v a i l a b l ef o rm a n yy e a r sa n dd o e sh a v ec u r r e n ts u p p l y c h a i ni m p l e m e n t a t i o n s i n t h i sp a p e r , ah i g hf r e q u e n c yr e a d e ri sd e s i g n e db yc o m b i n i n gp a l m t h em c ui s u s e dt oc o n t r o lt h e $ 6 7 0 0c h i pt oc o m p l e t et h eb a s i cr e q u e s t r e s p o n s ec o m m a n d s f i r s t l y , t h et i $ 6 7 0 0c h i pw a si n t r o d u c e da n dt h ed e s i g ni sp r e s e n t e do nh a r d w a r e s e c o n d l y , t h ep a p e rp a r t i c u l a r l ye x p l a i n st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f $ 6 7 0 0c h i p a n dt a g i tp r o t o c 0 1 f i n a l l y , i ti se x p l a i n e dw h a tw ec o u l db e n e f i tf r o mt h en e w d e s i g n ，h o wt h eh i g hf r e q u e n c yr e a d e rc o m b i n e sw i t ht h ep a l md e v i c ea n dh o w t o p r o g r a mw i t hj 2 m et e c h n o l o g ya b o v et h ep a l mo s k e yw o r d s ：r f i d ，t a g i t ，h fr e a d e r , p a l mo s ，j 2 m e 第2 负 海人学碗_ 上学位论文非接触i c 卡缕写器和p a l m 设备的结合 第一章绪论 1 。1 课题背景 目前广泛应用于包装品、书刊、生产线等的条形码技术，极有可能被一种全 新的高科技射频识别( r f i d ) 技术所取代。 r f i d ( r a d i 0f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 利用无线电波，以非接触、无视觉、 高可靠的方式来传送识别资料，以达到身份识别的目的。读写器和感应器不需要 任何的接触和瞄准对齐。r f i d 不是一个独立的产品，不像现在使用的那种条形 码，而是一个完全封闭型的系统。 r f i d 源于无线电通讯技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别、 i n t e r n e t i n t r a n e t 等高新技术，顺应了c i m s ( 计算机制造系统) 、电子商务等 热点应用的发展需要。自1 9 9 1 年，随着应答器系统协议的发展，整个r i f d 系统 有了长足的发展。智能卡技术作为r f i d 技术的一项重要应用，发展尤其迅猛。 在2 0 世纪9 0 年代之初，智能卡工作者有时还需要向新用户和人们详细解释 智能卡是什么? 现在这个概念已经扩展到专家的范围以外了，几乎每一个人都知 道它是什么，这个小小的、彩色的、带有半导体芯片的塑料卡片已经从它的故乡 法国和德国扩散到了整个世界，并已经融入当今信息技术的主流。她以其高 度的信息集成，高度的安全性，正日渐其辉煌和灿烂，特别考虑到这项技术仍处 在发展的初级阶段，在我们的视野之内远没有看到停滞和终结的迹象。因此本课 题就是顺应当前的需要而产生的，本课题所涉及的读写器采用t i 公司的多协议 应答器芯片$ 6 7 0 0 ，并结合m c u ( 单片机) 和t a g - i t 协议标准来设计的。读写器 由单片机和$ 6 7 0 0 芯片、天线和一些外围电路组成，用单片机控制$ 6 7 0 0 完成读 写操作，软件方面主要分为读写器的软件部分和p a l m 设备的软件部分。读写器 的软件部分是根据$ 6 7 0 0 和t a g i t 协议来设计的。p a l m 上的软件是利用j a v a 的j 2 m e 技术来开发的。同时上位机利用现成的p d a ( p a l m ) 代替专用的手持机， 既节省了重新制造模具的费用也充分利用了p d a 的资源。 本文介绍了如何使用$ 6 7 0 0 通信协议和t a gi t 协议标准完成读写器与非接 触式i c 卡的数据通信，利用r s 2 3 2 的通信规程来完成读写器与上位机( p d a ) 的 双向数据串行通信，以及如何进行读写器与上位机之间的数据转换，还介绍了 j a v a 的j 2 m e 编程和多线程技术。 1 2 国外r f i d 应用的研究 国外对i c 卡的研究和应用较早，特别是在美国，欧洲国家等。i c 卡遍布社 会各个方方面面。就像在美国，国民消费总额的2 0 一3 0 是由“刷卡”消费完成 的由此可见i c 智能卡流行和使用的程度。 国外r f i d 技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化、交通运输控 第5 由 海人学硕士学位论文1 i 接触i c _ 芒滨写器和p a l m 设备的站台 第一章绪论 1 。1 课题背景 目前广泛应用于包装品、书叭生产线等的条形码技术，极有可能被种全 新的高科技射频识别( r f i d ) 技术所取代。 r ft d ( r a d l0f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 利用无线电波，以非接触、无视觉、 高可靠的方式来传送识别资料，以达到身份识别的目的。读写器和感应器不需要 仟何的接触和瞄准对齐。r f i d 不是一个独立的产品，不像现在使用的那种条形 码，而是个完全封闭型的系统。 r f i d 源于无线电通讯技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别、 i n t e r n e t i n t r a n e t 等高新技术，顺应_ rc l m s ( 计算机制造系统) 、电子商务等 热点应用的发展需要。自1 9 9 1 年，随着应答器系统协议的发展，整个r t f d 系统 有了长足的发展。智能卡技术作为r f i d 技术的一项重要应用，发展尤其迅猛。 在2 0 世纪9 0 年代之初，智能卡工作者有时还需要向新用户和人们详细解释 智能卡是什么? 现在这个概念已经扩展到专家的范围以外了，几乎每个人都知 道它是什么，这个小小的、彩色的、带有半导体芯片的塑料卡片已经从它的故乡 法国和德国扩散到了整个世界，并已经融入当今信息技术的主流。她以其高 度的信息集成，高度的安全性，正日渐其辉煌和灿烂，特别考虑到这项技术仍处 在发展的初级阶段，在我们的视野之内远没有看到停滞和终结的迹象。因此本课 题就是顺应当前的需要而产生的，本课题所涉及的读写器采用t i 公司的多协议 应答器芯片$ 6 7 0 0 ，并结合m c u ( 单片机) 和t a g i t 协议标准来设计的。读写器 由单片机和$ 6 7 0 0 芯片、天线和一些外围电路组成，用单片机控制$ 6 7 0 0 完成读 写操作，软件方面主要分为读写器的软件部分和p a l m 设备的软件部分。凄写器 的软件部分是根据$ 6 7 0 0 和t a g i t 协议来设计的。p a l m 上的软件是利用j a v a 的 2 m e 技术来开发的。同时上位机利用现成的p d a ( p a l m ) 代替专用的手持机， 既节省了重新制造模具的费用也充分利用了p d a 的资源。 本文介绍了如何使用$ 6 7 0 0 通信协议和t a gi t 协议标准完成读写器与非接 触式i c 卡的数据通信，利用r s 2 3 2 的通信规程来完成读写器与上位机( p d a ) 的 双同数据串行通信，以及如何进行读写嚣与上位机之间的数据转换，还介绍了 j a v a 的j 2 m e 编程和多线程技术。 1 2 国外r f i d 应用的研究 国外对i c 卡的研究和应用较早，特别是在美国，欧洲国家等。i c 遍布社 会各个方方面面。就像在美国，国民消费总额的2 0 一3 0 是由饲i j f ”消费完成 的、由此可见f c 智能卡流行和使用的程度。 国外r f i d 技术已被j3 一泛应用于诸如工业自动化、商业自动化、交通运输控 国外r f d 技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商、i p 自动化、交通运输控 第5 村 海火学顾i + 学位论文非接触i c 卡读写器和p a l m 改需的结台 制管理等众多领域。欧共体宣布1 9 9 7 年开始生产的新车型必须舆有基于r f t d 技术的防盗系统；瑞士国家铁路膈在瑞士的全部旅客列车上安装r f i d 自动识别 系统。调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事 故的可能性。德国汉莎航空公司试用非接触的电子标签作为飞机浆，改变了传统 的机票购销方式等等。 尽管困外对i cg - 已有多年的研究，但是非接触式i c 智能射频卡( 内建m c u ， a s i c 等) 方面静研究也仪有l 一2 年的藏熬鹈。函辩司幸亍也看到了c p u 卡，特 别是非接触式i c 智能射频卡代表了整个“刷卡”领域的发展方向，前景光明。 1 3 国内r f i d 应用的研究现状 我国竣密在1 9 9 3 年制定的金卡工程实旌计划及全国范围的金融卡嘲缀系统 的1 0 年规划，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缴工程。 最然至今也只有缀短的l o 年左右时间，假已取季譬了不小的成就。 现在我国已能成功研制具有舀主版权的较大容量的存储卡，逻辑加密卡等， 但是对于尖端的c p u 卡及非接触式i c 智熊射频卡( 内建m c u ，a s i c 等) 的制 卡技术及其相应静静写卡设各技术，仍魅于落后状态。 到目前为止，射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，也正在中困很快 遗普及。尤其是j 露歹乙年来，隧着l c 替能卡孛懿接触式c p u 专嚣及菲接触式 c 智能射频卡( 内建m c u ，a s i c 等) 的高度安全保密性，使之在i c 智能卡领域 中器军突怒，减麓警今跫餐筏卡中蕊主流产品之一，瘦麓前景卡分广溺。 无线技术看来命中注定了要与国家利髓发生密不可分的关系。不论是无线通 偿还是无线弱域爨凝荚裁努。这一次，孛瓣要篦认识w l a n 戆璧要洼更晕逢认 识到了r f i d 的重鼷。2 0 0 4 年2 月，中国图家标准化管理簧员会已正式宣布成立 “瞧子蠢签”国家拣准工搀缝，受赛起摹、利定孛基毒关“邀子橡签”款溺家嚣 准。问时。中国企业还加入了电予标签的企球化标准组织e p c g l o b a l ，4 周末， e p c g l o b a l c h i n a 也已宣告戏立。与魄圆时，e p c g l o b a l c h i n a 蛇中国成员企业又与 翻本的r f i d 标准化组织t - e n g i n e 论坛合作成立了基于曰本u l d 技术的实验室。 蠢出x - e n g i l i e 论坛主席坂树健领譬开发的t r o n 嵌入式操作系统已在全球8 3 亿 颗处理器中占到了近4 0 亿颖的使厢率，邋远超过了w i n d o w s 和l i n u x 的酱及程 度。所有这些都表明，对r f i d 标准的利焱之争已经进入了准自热化阶段。中国 自己的r f i d 标准制定过程必须加速，同时，技术研发和产业仡准备也应同步进 行。 1 4 研究内容与研究目标 本文掰突方两是深入蕊究$ 6 7 0 0 运镶协议嚣t a gi t 协谈标瀣，设落4 瀵写器 硬件设备，完成读写器与非接触式i c 卡的数据通信，利用j a v a 的j 2 m e 技术在 鹅6 更 r 海人学硕 学也论文 非接触i c 卡读碍器和p a l m 设备的缩寄 p a l m 上多线程编稷，实现读写器与上位机( p a l m ) 的整合。 研究内容： 1 。对纂予r f i d ( 射频识别) 技术的非接触i c 卡读写器的硬件研究 2 对基于r f i d ( 射频识别) 技术的非接触i c 卡读写器的软件设计 3 实现菲接触l c 卡读骂器和p a t m 设备结合的方案 4 在p a l m 设备上的j 2 m e 开发 磁究疆标： 1 全菌了解r f i d 技术和r f i d 系统。 2 。兵诲实现基予r f i d ( 骛雩频谖剐) 技术豹 接皴i c 卡读写器酌硬薛摸浚。 3 具体实现基于r f i d ( 射频识别) 技术的非接触i c 卡读写器上的软件模块。 4 实理嚣接齄 c 卡读写器窝p a l m 设备缝台懿方案 5 完成在p a l m0 s 上的j 2 m e 多线程开发。 蘩零理论： 1 r f i d 射频识别技术理论 2 $ 6 7 0 0 蕊片协议、t a g + i t 接输协议的基本理论 3 电磁感应原理 关键技术： 1 r f i d 技术 2 。t a g - i t 协议和非接触i c 卡读卡器硬件构成 3 天线技术 4 。j 2 m e 技术、多线程技术和p a h n 削新点： 创新处在于该方案利用r s 2 3 2 串行接口把读麓器和p a l m 设备糇合在一起， 黼时翻羯j 2 m e 在p a l m 设备上开发应角程窿，实魏p a l m 设备同菲羧艇i c 卡读写 器的数据通信，以及p a l m 设备对非接触i c 卡读写器的控制，这样将大大提高 i c 卡读写器臻终静便羁餐。 选取$ 6 7 0 0 芯片已经有的基本硬件命令，按定顺序缀合。用汇编语畜实现 这整务令，享塞$ 6 7 0 0 芯冀基本愈令。 为解决数据传输问题利用循环冗余校骏法提高非接触i c 卡的可靠性和实时 矬。 1 5 论文组织 第二章r f i d 的介绍 洋细介绍了射频识别系统r f i d 的系绕组成、工作原理、编码调制、多路存 联、颧率范围、葭及r f i d 瘟麓领域、操季# 系统、存在缺陷等方面 第三章非接触i c 卡读写器的硬件系统 第7 负 1 海人学硕i 学位论义 非接触i c 卡读写器和p a l m 垃蔷的纬台 详细阐述了读写器硬件系统模块和读写器天线设计 第四章非接触i c 卡读写器软件系统 详细阐述了读写器的软件系统模块 第五章读写器和p a l m 设备整合的实现 详细阐述了实现整合的重要意义，并且详细介绍了p a l m 和读写器间的接 ：j 以及在p a l m 上利用j 2 m e 的多线程开发 第六章系统调试、总结及展望 对本系统的硬件调试和软件调试总结。 第七章总结及展望 对系统的总结和r f i d 的展望。 第8 负 海大学坝卜学位论文非接触i ( ：卡读写器和p 8 l m 设薪的锚台 第二章r f i d 的介绍 r f i d i2 嘲1 瓢技零鞭捂来讲霹隧籍它理解为一穗应爱毫磁渡鬃游，以p 缓魅、 无视觉、高可靠的方式，传递特定识别信息的系统。 r f i d 源予无线电逶嘏技术，宅综合了瑗代谤葵褪搜术、磐裁控制、餐笼识 别等许多高新技术，顺应tc m i s ( 计算机集成制造系统) 、电子商务等热点应用 魄发展的褥要 2 0 世纪术射频识别系统的世界总销售额据不完全统计达到2 0 亿美元以上。 譬耱，射频识剃系统产品市场是无线电工娩增长矮快的部门。 本章将从r f i d 的系统组成、工作原理、编码调制、多路存取、频率范围、 以及r f i d 应用领域、操作系统、存在缺略等方磷对r f i d 做相关描述。 2 。1r f i d 的系统组成 圈1r f i d 系统组件 一个完整鲍r f i d 系绞包括陛下几部分；r e a d e r 、t r a n s p o n d e r 、数摆输出平 台和系统软件等组成部分。 r e a d e r 即读霹器或鹪码器，筵内主要包含收发天线、电源、收发模缀及控 制电路。t r a n s p o n d e r 即成答器，又称标签、收发器、卡片等，箕内主要识含收 发天线、电源( 可选) 、收发模组及存储数摄的电路( 可选择) 。数据处理与存储 的设备往往是p e 枫，p e 梳上一般应安装数据摩管理软件，雨系统软件也装予p c 机匕。 鹪9 硪 海人学硕l 学位论文非接触i c 卡读写器和p a l m 设备韵结台 图2 应答器的系统结构 应答器( t r a n s p o n d e r ) 爨猿特之楚在予无嚣辫热迄滋、j 接魅、受涮卡， 因而不怕脏污，且i d 密粥为世界唯，形状、尺寸和识别十分灵活，且无法复 制+ 安全蛙裹、寿念长。 应答器是r f i d 的技术核心，是一种身份信息“注册平台”，脊只读型和可读 写型鼹静。 顾名恩义，只读型应答器带育r o m 内存芯片，内含有工厂固化的i d 代码( 码 长为3 2 6 4 位) ，最终用户可以谈取但不熊改写其中的信息。一个只读型波答器 的i d 代码可以像二进制那样简单，也可熊像一个包含发送变频回声的编码系统 那么复杂。 可读霹型应答器，具商8 k b 或更大的r a m 芯片，用户阿以对内存中的数据进 行修改、更新，这样用户可以定制编码系缆，以便更好地与现有的计算机信息管 毽及舀动化系统送行集成。 r f i d 系统其有如下特点： 1 ，r f i d 不是一个攀一鲶产晶，焉怒一个综合豹系统，需簧有计葵梳网络静支持。 2 r f i d 系统具有很强的针对性。r f i d 必须针对特定的任务进行开发，不存在一 个广泛遥焉戆逶蔫r f i d 系统。蠢蘧，r f i d 对疲雳卡分酌敏感。 3 r f i d 需针对特定应用选择的不同的频段。在同一应用场合，采用不同的频段， r f i d 袭理篷数陡链德劣可能完全不弱。因建，最终鬟户或者r f i d 系统集残 开发商往往需要确保所使用的r f i d 系统选择了最适合该应用的特定频段。 4 r f i d 搜术其有烂摸效爨。r f t d 懿识疑投资霹戆枣子其它兹识别技术，键是它 带来的后期效髓是其它技术所不可比拟的。 5 ，r f i d 披米还能在其它识别技术无法使朋的场合大显身手。 上坶大学顶士学位论文非接触i c 卡读鲻器和p a l m 设备的站台 2 2r f i d 的工作原理 r f i d 戆基本工孬骚壤：出读写嚣乎嚣孪发瓣特定额窀懿无线电磁渡，当应 答器接近读写器时，应答器接收电磁波能摄，并将能量存储起来作为应答器所需 懿毫娆，褥此时应答器也歼始动佟，将卡内存髓豹识副资精隧无线毫波毂方式传 送给读写器以进行确认及进一步的控制劝作。而有些r f i d 系统，其卡内的电 源由电池提供，这样可热大识别藏圃。 射频识别的工作原理可以分为电感耦合、电磁反向散射耦合和密耦台三种。 l ，电感藕会 r f i d 的电感耦台工作方式对应了i s o i e c1 4 4 4 3 协议。电感祸合应蒋器是 幽一个电子数据俸载体，遇常是由弟个微芯片以及用作天线用的大面积的线圈等 缀成。电躲藕合应答器几乎无源工作，在廒答器中的微芯片工作的全都能嚣必须 由读写器发送的感应电磁g 提供。高频的强电磁场由读写器的天绒线圈产生，并 穷越线圈横截菰和线圈鹃阁菡空闽以使附近的应签器产垒电磁感疵。因为使用静 频率范围内的波长比读写器天线和应答器天线之间的距离大好几倍( 对于电感耦 合工终方式静r f i d 系统熬读写嚣天线和斑答器天线之闽豹踅离不超遗1 0 c m ) ， 可以把应替器天线到读写器天线间的电磁场当作简单的交变磁场考虑。 发爨磁场靛一枣都分磁力线穷遘距离读写嚣天线线辫一定鞭离兹瘦符器天 线线圈。通过感应，在应昝器的天线线圈上产生个电压。将其熬流后作为微芯 冀麴工谨壤漂。褥一个毫容器与读写器翁天线线潮并联，莛孛电蛰器与天线线霾 的电感一起，形成谐振频率与读写器发射频率相符的并联振荡回路，使该网路的 谐振让读写器瓣线霞产生较大兹魄滚足够供瘦绘微芯片黪正豢工依。 2 电磁反向散射耦合 r f i d 豹电磁爱国教射勰合工作方式对应了i s o i e c1 5 6 9 3 协议。应答器与 读写器之间的作用建立在l m 以上的射频识别系统称为远距离系统，一般频率范 围在欧洲为4 3 3 硪t z - 5 。6 g h z 。因为距离比较长，泡磁g 传输损耗大，射频系统魄 成答器不能采用光源方式工作了，需要电池为应答器提供能量。从读写嚣天线发 射出来的功率经过自由空间的衰减后其中的- d , 部分到达应答器的天线。到达应 答器的功率作为h f 电压在天线接口处供使用，经二极管整流后，可作为操作电 压去激活鹿答器省电的“低功耗”工作方式。另外到达应答器的功率的一部分被 天线反射。为了献应答嚣掰读写嚣传输鼗貉，与天线并联静掰茄负载电隧瀚接通 和断开要和传输的数据流一致，从而完成对由应昝器反射信号的振幅的调制。 3 密赣合 r f i d 的密耦合工作方式对应了i s o i e c1 0 5 3 6 标准。密耦合系统是为从 0 i - l c mv , j 揍用疆离竣诗瓣。系统王作时，需要将应答嚣箍入读写器之中。应答 器插入到读写器之中或被放到使应答器线圈能在环形铁芯藏u 型铁芯的能准确 第 1 贞 一f - 海火学坝 学位论文 非接触i c 卡陵筹器和p a m 啦备的结盆 定位的缝隙中。读写器稻应答器的线鬣莳功能分剐襁当于变压器的初级线辫和次 级线圈。初级线圈的高频交流电在铁芯和气隙中产生高频磁场，并穿过应昝器线 圈，在应答嚣线甏中感应疆频率穗鞫静交流电压。应答器辩该电压产生熬交流电 熬流，可以获得供芯片工作的电压。 为了欤应答嚣刭读写器遘 亍磁藕合数据接赣，在密藕合系统中氇镬麓有副载 波的负载调制。同时由于应答器与读写器之间的躐离很小，在密耦合系统中也使 麓瞧容藕合寒进纷数握传赣，吴髂憝 二佟方式峦i s o i e c1 0 5 3 6 标准确定。磊溺 读器到应答器的数据传输也采用a s k ，f s k 或p s k 方式进行。 2 3r f i d 的编码调制 射频识别系统应答器与读写器之间的数据传输需要三个主要的功能块。按从 读写器至裁答器静数据黄输方商，分剐是读写器中豹信号编鸦( 信号处理) 和调制 器( 载波电路) 、传输介质( 无线通路) 以及应答器中的解调器( 载波圊路) 和德号译 磷( 信号楚疆) 。 信号编码系统的作用是使要传输的信息和它的信号袭示尽可能最佳地与传 输逶遘黪瞧憩匮醮。戳对嵇患提螯莱静疆发的保护，耱壹话惠受到予抗或穗磋撞， 也称信号编码为基带编码。 谖割楚改变纛频载波瓣信号懿瑾，辈凌发送臻镬其援褥、频率袋相位受基带 信号的控制而变化，而解调则是强接收端通过检测载波掇取基带信号来完成接 收，以提麓接收数撰鹣霹纛瞧等。傣号解璐是扶纂豢缡玛黝接牧襞号中恢复蒙来 的信息，并识别和标识出传输错误。 1 。揍带信号编码 射频卡的基带信号编码方式有：n z r 不归零编碣、曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编 码，单极嬲零制( u n i p o l a rr z ) 编码、差动双相( d b p ) 编码、米勒( m i t l e r ) 缡码、 差渤编码和脉冲一间隙( p p ) 编码。 n z r 不归零编码：“高”信号袭示二进锘1 ，“低”信号表示二避制0 。在f s k 或p s k 中凡乎只搿n z r 编粥。 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：在半个b 特周期内的负边沿表示二进制l ，半 个比特弱期肉的疆边沿表示二避翩0 。萁在采用翻载波翡受载调澍时经常阁于从 应昝器到读写器的数据传输。 肇投麴零麓( u n i p o l a r 襄z ) 编秘：在第一个半魄特溺鬻中酌“嵩”信号袭示二 进制1 ，而持续整个比特周期的“低”信号表示二进制0 。 差动双裙( d b p ) 绫码：在半篦黪周麓中任意翡边沿表示二二进割0 ，磊无边沿表 示二进制1 。 鹾 l l e ：编殍：在半毙特瘸戆肉的彳壬意边潼表示j 二遽铡1 ，嚣经过下一个比特 周期中不变的1 电平表示二进制0 。一连串的零在比特周期开始时产生电平交变， 摘i2 页 海大学硕l 学位论文非接触i c 卡渎q 器和p a l m 没备的结合 圈此，对于接收嚣来既，位节拍比较容易定位。 改进的m i l l e t 编码：相对于m i l l e r 编码，在每个边沿为一“负”脉冲所取 代。改进的m i l e r 编码在电感祸合的射频识剐系统中用于从读写器至9 应答器的 数据传输，由于椴短的脉冲持续时间t p 比特周期t b ，就可以在数据传输过程 中保证甄读写器的高频场中连续供应给成答器能鬣。 差动犏码：每个要传输的二进制l 将引起信号电平的转换，而在二进制0 时 信号电乎傈蒋不变。 脉冲一间隙( p p ) 编码：在下脉冲前的暂停持续时间t 表示= 进制l ，而下 一躲净懿鹣暂停持续靖褥2 t 表示二遂裁0 。 2 数字调制法 射频蓉绞售遂溪裁方式遴豢采翅二邋铡数字调翱，露臻熬落镬方式有a s k ， f s k 和p s k 等 振爆键控( a s k ) ：载波振荡戆振龌按二进铡缓强售号在瑟穆、扶态8 秘b 之霆 切换( 键控) 。 频移键控( f s k ) ：搜载波振游豹频率用二进剃编码髅号在聪摹孛频率f ；鞠磊 之间切换( 键控) 。 相移键控( p s k ) ：将编码信号的二进制状态0 靼1 转变成载波振荡樱对基准 褶位的褶应相位状态。对2 一p s k 来说，鼹在相位0 和1 8 0 之问切换。 2 。4r f i d 的多路存取理论 2 4 1 多路存取问题的提出 在r f i d 系统工作时，可能会有一个以上的成答器同时处子读写器的工作范 围内。这榉当有两个或两个以上的应答器同时发送数据时就会出现数据互相的干 扰( 碰撞) ，所以强须制定适当的遴信方式。一般在r f i d 系统中裔两种不闻的基 本通信方式： 第一芹中通信形式：获读写器到波答器的数据簧输为第一种通信形式。发送酌 数据流同时被所有的应答器接收，这种通信方式称为“无线广播”。 第二释逶信方式：在谈写器黥痰签范豳瘫有多个应答嚣静数摇同籍寸传输绘读 写器，这种通信方式称为多路存取，它是r f i d 系统中研究的重点之一。 每个逶售逶籍糖有霰定静赛羹。这耱遴鼹豹鸯麓是由逶路熬最大数据率戳及 它使用的时间片来确定的。分配给用户( 应答器) 的通路容艇必须满足：当商多个 应答器司眩磐数掇传绘一个单独戆读写爨瓣不戆窭瑷提互予撬。 在r f i d 系统中存取记录的技术方法( 该方法能够使多路存取无故障的进行) 被稼为反磁撞法。这毒孛无线小系统有羞几茸孛不同的多路方法：空分多嫠( s d m a ) 、 频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 。 第1 3 页 r 海大学硕l 学位论文 非接触i c 卡凄写器和p a l m 战备的绡台 反碰撞法的任务就是检测读写器作用范围内的应答器，并合理的管理这些庸 答器的数据传输。 2 4 2 多路理论 1 空分多路( s d m a ) 法 s d m a 可以理解为在分离空间范围内重新使用确定资源的技术。一种方法是 使单个读写器的距离明显减少，而把大量的读写器和天线覆盖面积并排的安置在 一个阵列中，当应答器经过这个阵列时与之最近的读写器就可以与之交换信息， 而因为每个天线的覆盖面积小，所以相邻的读写器区域内如有其他应答器仍可以 相互交换信息而不会受到相邻的干扰，这样许多应答器在这个阵列中可以同时读 出而不会相互影响。第二种方法是在读写器上利用一个自适应控制的天线，直接 对准某个应答器( 自适应$ d m a ) 。所以不同的应答器可以根据其在读写器作用范 围内的角度位置区分开来。可以利用相控阵天线作为电子控制定向天线，这种天 线由若干个偶极子元件构成。这些偶极子元件由独立的，确定的相位控制，天线 的方向是由各个不同方向上的偶极子的单个波叠加的出的，在某个方向上，偶极 子元件的单个场叠加由于相位关系，得到加强：而在其他方向上，则全部抵消或 部分抵消而被削弱。为了改变方向可以调节各个偶极子供给相位的可调高频电 压。为了启动某一应答器，必须是应答器扫描阅读周围的空间，直至应答器被读 写器的“搜索波束”检测到为止。r f i d 用的自适应s d m a 由于天线的结构尺寸， 只有当频率大于8 5 0 m h z ( 典型2 4 5g h z ) 时才能使用，而且此天线系统非常复杂， 价格昂贵，因此被限制用在一些特殊的应用。 2 频分多路( ( f d m a ) 法 f d m a 是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供给通信用户使用的技 术。对于r f i d 系统来说，可以使用具有可自由调整的、非发送频率谐振的应答 器。对应答器的能量供应以及控制信号的传输则使用最佳的使用频率f 。应答器 的应答可以使用若干个供选用的应答器频率f f 。因此，对于应答器的传输来 说可以使用完全不同的频率。f d m a 的缺点是读写器非常昂贵，因为每个接收通 路必须有单独的接收器供使用，所以也只用在一些特殊的应用上。 3 时分多路( t d m a ) 法 t d m a 法是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。它在 数字移动无线电系统的范围内广泛推广使用，对于r f i d 系统，t d m a 成为多路法 最大的一族。这种方法又分为应答器驱动和读写器询问驱动法。 应答器驱动的方法是非同步的，因为这里对读写器的数据传输没有控制。例 如a i ，o h a 法。按照应答器成功地完成数据传输后是否通过读写器的信号而断丌， 又可咀区分为“开关断开”和“非开关”法。 应答器询问驱动法是同步的，这里所有的应答器同时由读写器进行摔制和检 第】4 呵 卜海人学硕j 一学位论文非接触i c 卡读写器和p a l m 设备的结合 查。通过一种规定的算法在读写器的作用范围内首先选择较大的应答器组中的一 个应答器，然后在选择应答器和读写器之问进行通信( 例如鉴别、读出、写入数 据) 。为了选择另外一个应答器，应该解除原来的通信关系，保证在同一个时间 罩只建立一个通信关系，并且可以快速的按时间顺序来操作应答器。所以读写器 询问驱动法也称作定时双工传输法。 读写器驱动方法可以划分为“轮询”和“二进制搜索算法”，所有这些方法 都以一个独特的序列号来识别应答器为基础。 “轮询”需要有所有可能用到的应答器序列号清单，所有序列号依次被读写 器询问，直至某个相同序列号的应答器响应为止。然而，这个过程依赖于应答器 的数目，可能会很慢。因此，只适用于作用区域仅有几个已知应答器的场合。 最灵活和最广泛推广使用的方法是“二进制搜索算法”，本文将使用此方法 来实现一个读写器与作用范围内的多个应答器通信。为了从一组应答器中选择其 中之一，读写器发出一个请求命令有意识地将应答器序列号传输时的数据碰撞引 导到读写器上，在二进制搜索算法中起决定作用的是：应答器所使用的信道编码 ( 如m a n c h e s t e r 编码) 必须能够确定碰撞准确的b i t 位置。这个算法将在2 4 3 小节详细分析。 4 码分多路( c d m a ) 法 c d m a 是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新的无线通信技术。c d m a 技术 的原理是将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的 高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。 接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换 成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。其工作的基础就是产生正交 的伪随机码( 互相关性很小的伪随机码) ，作为扩频码及地址码。 这种多路方式软件设计困难，而且读写器每一路都需要相应的硬件或软件支 持非常复杂，所以不适合于r f i d 系统。 2 4 3 多路法的实现方法 r f i d 系统是小型的无线局域网，所以应选用比较简单的多路存取方法。在 r f i d 系统中可以使用的多路存取法有a l o h a 法、时隙a l o h a 法、动态时隙a l o h a 法、二进制搜索算法和动态二进制搜索算法等。下面主要介绍二进制搜索算法原 理。 实现“二进制搜索”算法系统的必要前提是能辨认出读写器中数据碰撞b i t 的准确位置，所以选用m a n c h e s t e r 编码。“二进制搜索”算法系统是由在一个读 写器和多个应答器之间规定的相互作用顺序构成的。目的是从较多的应答器中选 择。个应答器。为了实现这个协议，需要一组命令，这组命令只能由应答器处理， 此外每个应答器必须有唯一的序列号。例如8 位序列号最多只能有2 5 6 个应答器 第15 良 上海火学硕f j 学位论文非接触i c 卡读写器和p a l m 设备的结合 处于运行状态，遮是傈谨序列号的难一骰。 这组命令是：、 r e q u e s t ：忿命令发送一序列号作为参数给应答器，应答器把裔己的序号和菝 牧到的序列号比较，如是小于或相等，则此应答器回送其序列号给读写器，这样 可以缩小预选应麓器靛范圈。 s e l e c t ：用某个确定的序列号作为参数发给应答器。具有相同序列号的应答 器孝簪茈 乍为撬行箕 龟螽令豹霹入开关，黔选铎这个应答嚣。翼鸯萁往痔捌号鹃痊 答器只对r e q u e s t 命令响应。 w r - d a t a ：选中戆应答器与读写器送行信愚交羧。 u n s e l e c t ：取消一个选中的应答器，应答器进入“无声”状态，这种状态中 应答器完全是菲激涯兹，对收到熟e 铸驻e 辨余令不终应答。为了重赣活讫疲答器， 必须暂时离开读冀器作用范围以实行复1 藏。 在“二进制搜索”算法系统中使月上述套令，现以疆个在读篝器馋熙蓬匿是 的应答器做演示说明( 参考表1 ) 。他们在o o f h 范围内有唯一的序列号( 8 b i t s 序列号) ： 成答器1 ：1 0 1 1 0 0 1 0应答嚣3 ：1 0 1 1 0 0 1 1 成答器2 ：i 0 1 0 0 0 1 1应答器4 ：1 1 1 0 0 0 1 1 算法系统在羹复操作的第一次中由读写器发送r e q u e s t ( 迄可以满足不露痤尾( 每薅应蹋选择疑逶台 自身特性的产品) 。 为了了解每张卡的集成电路懿具体特燃，以倭l 够发出准确鲍请求指令，每 张卡在出厂时就被设置了各自的版本号，以及各自的生产代码和附加的关于内存 大小和结构的信息。 3 4 读写器的天线原理和设计 3 ，4 矩形天线线圈感应融动势及电惑参数分析 1 变化的磁场所感生的电动势 a 变化的磁场伴随有感奎电场 法拉第最早发现了电磁感应现象，即当通过一导体回路所包围的面积的磁通 羹发生变纯对，在疆路中靛将产生感生毫霸势及戆生电流。萁中感生电动势e 的大小正比与回路交链的磁通v 随时间的变化率，而其方向由楞次定律决定。楞 次定律告湃我稻：懑生毫动势及其掰产生瓣感生电流惑是力强隧盎滔臻中磁通静 变化。因此，回路中感生电动势的大小和方向可表示成( 以下公式中b 和e 均为 矢鏊) ： 第2 6 页 l 海大学硕士学位论文非接触i c 卡读写器和p a l m 设备的结合 铲一塑d t = 一生d t 即出 ( 3 4 一1 ) 其中磁通v 的正方向与感生电动势e 的正方向成右手螺旋关系( 如图8 所示) 。 e 图8 磁通与感生电动势e ，的右手螺旋关系 回路中产生感生电动势是因为在回路中出现了感生电场e ，感生电动势e ，与 感生电场e 的关系定义为： g ，= f e 彳 ( 3 4 - 2 ) 所以，回路中的感生电动势表示为 铲一百d v 2 f e 杌一鲁p 诎( 3 4 - 3 ) 对静止系统，磁场只随时间t 发生变化，可以将式( 3 4 3 ) 中的全导数写成 偏导数，并将微分和积分的次序交换，再利用斯托克斯定理，将式( 3 4 3 ) 中的 线积分变成面积分，从而求得： e i = p 叠= 和x e - h d s 一已确凼 i8 t ( 3 4 - 4 ) 上式对任一面积均成立，所以 v e = 一百o b ( 3 4 - 5 ) 上式表明随时间变化的磁场是电场的源，即随时间变化的磁场将伴随有感生 电场。 b 。矩形天线线圈的感生电动势 一长为a ，宽为b 的矩形固定线圈( 参看图9 ) ，位于一随时间变化的均匀磁 场中，设b = b 。s i n ( c o - t ) 5 ，设线圈面的法线方向n 与z 轴成。角，则线圈中的 ：海大学硕士学位论文 非接触i c 卡瀵写嚣和p a i m 设备的结台 感，羔邀动势e ，露潋求。 睦已翔条件b = b os i n ( c o ，话 列。装出：0 = 一3 ：b o 。甜c 。s ( 缈幻； o t 所以代入式( 3 4 - 4 ) 得： e ? = 一婊0 3 c o s ( c o l 净h d s y 嚣9 矩形线圈位于均匀磁场孛 又由于线潮蘑静法线方蠢与z 轴成0 囊，敬有：0 疼= c o s 0 所以：e i 篇一i b o - ( 0 c o s ( c o f ) 三m s 鼠m s c o s 挣- c 。s ( c o f ) c 其中s 为矩形线圈的面积，s = a b 。 鄯：e ，一8 0 甜s c o s 0 c o s ( c o f ) ( 3 4 一国 ( 3 4 - 7 ) 1 3 。4 - 8 ) 式( 3 4 - 8 ) 袭明，随时间变化的均匀磁场穿过矩形线圈产生的感应电动熬 e ：匏大小与线圈瓣嚣蘸s 及线潮瑟静法线方窿与z 辜垂夹角8 鹣余弦戒魄锲。当线 圈面的