（微电子学与固体电子学专业论文）基于sopc的rfid数据采集系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 r f i d 数据采集系统是利用无线电技术在阅读器和电子标签之间建立通信，以 达到信息采集、处理及管理的目的。它具有非接触性、多目标识别、不受地理环 境因素影响等优点而越来越受到人们的关注。本文设计的数据采集系统，首先是 在f p g a 中嵌入软核处理器完成s o p c 系统的搭建；然后，应用f m l 7 0 2 s l 读写 器芯片完成数据采集模块的设计，并基于s o p c 系统实现对射频卡数据的读写功 能；最后，完成数据库及上位机的设计，以实现对采集数据的读写，存储、管理 等功能。基于s o p c 的r f i d 数据采集技术，有效的克服了单片机及a r m 芯片不 够灵活、不能并行处理、运行速度有限等缺点，并且满足大数据量，大计算量的 高速处理，因此，应用前景广阔，可广泛应用于车辆识别、电子票证门禁、物品 分拣等大数据量采集领域。 关键词射频识别；数据采集；f p g a tn i o si i 黑龙江大学葫士学位论文 够孥辔缨辔辔辔警 r f i dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a nr e a l i z ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , p r o c e s s i n ga n d m a n a g e m e n tb yu s i n gt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nr 觊d e ra n dr f i d i td r a w s n t l l y l o r o u so o l l c o r n sb e c a u s eo ft h ep r o p e r t i e so fn o n - c o n t a c t , m u t i - t a r g e ta n di m m u n i t y t og e o g r a p h i c a lf a c t o r s i nt h i sp a p e r , w ed e s i g nad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb yf i r s t l y b u i l du pt h es o p cs y s t e mo nf p g ap l a t f o r m ，a f t e r w a r d s ，w ec o m p l e t et h ed e s i g no f d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eu s m gf m17 0 2 s lr e a d e rc h i p ，b yw h i c hw er e a l i z ed a t ar e a d , w r i t e ，s t o r ea n dm a n a g e m e n t t h er f i dd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yb a s e d0 1 1s o p c e f f e c t i v e l yo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so fm c u a n da r m ，s u c ha sn o n - f l e x i b i l i t y , n o n - p a r a u e lp r o c e s s i n ga n ds l o ws p e e d , w h a t sb e t t i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f h i g h s p e e dp r o c e s s i n go fl a r g e a m o u n to fd a t aa n dc a l c u l a t i o n t h e r o f o r e ，t h i s t e c h n o l o g yh a sal a r g es c o p eo fa p p l i c a t i o n ss u c ha sv e l l i c l ei d e n t i f i c a t i o n , e l e c t l l i c t i c k e te f l t r a f l c eg u a r da n dg o o d ss o r t i n g k e y w o r dr 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 ；d a t aa c q u i s i t i o n ；f p o a ；n t o sh h 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 在我们的生活中，存在各种各样的数据，例如：货运中对货物相关信息的查 询、门禁系统对于进出人员的记录、收费路口对于车辆的识别等，对这些数据的 采集和分析对我们的生产或者生活起着非常重要的作用【。如果采用传统的手工方 式，既耗费人力又浪费时间，而且数据误码率较高，所以现在越来越多地借助电 子技术来完成数据的采集。电子数据采集技术是以传感器、信号测量与处理、计 算机等技术为基础而形成的- f - j 综合应用技术【2 】。它是利用传感、通信、测控等技 术来采集、记录和显示各种物理参量，以供管理人员和现场操作者参考的系统【2 】。 r f i d 是射频识别( 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 ) 的简称，它是利用无线电技术 在阅读器和电子标签之间建立通信，以达到数据采集的目的【。其基本原理是通过 阅读器和安装在物体上的电子标签之间的电感耦合来进行数据通信，并且还可以 通过后台的计算机网络，实现数据处理和管理等功斛硼。利用r f i d 技术完成数据 采集，具有非接触性、准确率高、多目标识别、不受地理环境的影响等优点而越 来越受到人们的关注 4 - 7 。随着相关技术的不断完善和成熟，r f i d 产业正在成为一 个新兴的高技术产业群，极大的促进国家经济的发展并且为人们日常生活带来了 很大的便利嘲。因此，研究和开发r f i d 数据采集技术有着巨大的经济效益和社会 意义。 本文基于s o p c 技术构建r f i d 数据采集系统，可完成对高速运动的电子标签 准确识别，满足系统微型化及低功耗等要求。同时，基于嵌入式及上位机完成数 据库的设计，可实现大数据量的标签采集、存储及在线管理等功能。另外，可通 过软件自定义实现u a r t 通讯模块，实时时钟模块及友好的入机界面等功能，进 一步增加了系统灵活性和扩展性，可广泛应用于车辆识别，电子票证门禁，物品 分拣等大数据量采集领域。 黑龙江大学硕士学位论文 1 2 自动识别技术简介 自动识别技术是通过检测技术自动识别物品的数据信息，然后应用通讯技术 传输给计算机系统，并运用计算机技术完成数据处理及管理功能的综合性学科 【1 0 】：自动识别技术近些年来的发展可以称得上是日新月异，初步形成了一个包括 条码技术、磁卡技术、i c 卡技术、r f i d 技术等集计算机、光磁、物理、机电、通 信技术为一体的高科技技术学科【1 1 1 。 - 1 2 1 条码技术 条形码是1 9 4 9 年由美国人提出的。随着计算机技术、自动识别设备、印刷技 术、电子商务和现代物流技术的发展，条码技术在国际上的应用非常广泛。我国 于2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初开始研究，并在部分行业完善了条码管理系统， 如商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域。 由于条码标签易于制作，识别设备操作简单，并且有完善的标准体系，成本 较低，己在许多行业和领域中得到了大规模的应用，并在当今的自动识别技术中 占有重要的地位【l o l 。 条码标签是由宽度不同的条和空按照一定的编码规则编制而成，用以表达一 组数字或字母符号信息。它的工作原理是：光线照射到条码符号上面，被反射回 来的光经过光电转换装置产生电信号，电信号再经过放大、滤波、整形，形成数 字信号，计算机对其进行采样和分析。然而，随着数据采集环境逐渐变得苛刻和 数据质量的要求越来越高，条形码本身所具有的一些缺点也逐渐开始限制其应用 范围【1 2 1 。例如： 1 不能识别移动的物体，不能同时读取多个条形码。 2 存储容量小，无法满足大数据量的存储。 3 读取速度慢、寿命短、容易受损导致无法正确辨认目标。 1 2 2 磁卡技术 我们常用的磁卡是由磁条来装载数据的，磁条是一层薄薄的由排列定向的铁 性氧化粒子组成的磁性材料，它可以用来记载字母、字符及数字信息，通过粘合 第1 章绪论 或热合与塑料或者纸牢固地整合在一起形成磁卡。磁卡属于磁记录介质卡片。通 常，磁卡的一面印刷有说明提示性信息，如插卡方向，卡的使用说明；另一面制 造有磁层或者磁条。磁卡技术中数据的存储是通过改变磁卡上氧化粒子的磁性来 实现的。磁性分为正、负两种极性，两种极性与机器码的“0 ”和“l ”相对应。在 数据的写入过程中，需要输入的数据首先通过编码器变换成二进制的机器代码， 然后控制器在控制磁头与磁卡的相对移动过程中改变磁性粒子的极性实现数据写 入；数据的读出是磁头先读出机器代码再通过译码器还原成人们可识读的数据信 息【l l 】 + 磁卡技术具有数据可读写、数据存储量较大、成本低廉、使用方便等优点， 使其应用十分广泛，如信用卡、机票、车票、自动售货卡等。但是随着磁卡应用 的不断扩大，其安全技术已经难以满足对安全性要求较高的应用场合。以前在磁 卡上应用的安全技术，如水印技术、全息技术、精密磁记录技术等，随着技术的 发展其相对安全性已大为降低。同时，磁卡技术也存在很多缺点，如：结构简单、 存储容量有限、磁条暴露在外易于被磁化，使存储的信息被严重破坏而失去工作 等。 1 2 3i c 卡技术 i c 卡( i n t c g r a t v dc i r c u i tc a r d ) 又称集成电路卡，是法国人r o l a n dm o r v n o 于 1 9 7 4 年发明的，是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具【1 3 1 。它将具有存储，加 密及数据处理能力的集成电路芯片嵌入于和磁卡尺寸一样大小且符合i s 0 7 8 1 5 和 i s 0 7 8 1 6 标准的塑料卡基中。其保存介质为低功耗的c m o s 集成电路，通过读写 存储在芯片中的数据来达到信息交换的目的并且具有永久性的数据存储能力i c 卡是通过将卡插入卡座这种物理接触的方式与外界交换信息，其接触片露于塑料 卡外面且镀金。 i c 卡根据其内部封装的芯片种类和功能的不同，可分为存储卡和智能卡。存 储卡和智能卡的不同在于存储卡内不含c p u ，只具有存储数据的功能存储卡又 分为非加密存储卡和逻辑加密存储卡。逻辑加密卡有内建互相认证安全模块。智 黑龙江大学硕士学位论文 能卡又名c p u 卡、电脑卡、智慧卡、聪明卡，它不仅具有像存储卡一样的数据存 储功能，也具有像微电脑一样的逻辑处理、逻辑判断、i o 控制、指令执行功能。 表1 1 为常用i c 卡的性能比较。 表1 1 接触式i c 卡性能比较 卡型 特性存储卡加密存储卡c p u 卡 读写属性全部可读写可控制读写读写 ：安全性 差 好最好 容量k b 1 6 41 - 22 - 1 6 开发成本低较低高 设备成本低低较低 卡成本低较高高 使用方便性一般一般一般 相比之下接触性i c 卡识别技术具有抗磁性，抗静电及各种抗辐射能力以及容 量大、安全性好、类型多、具有逻辑判断和数学运算处理能力等优点，因此广泛 地应用于金融财务、交通运输、医疗保险、商业娱乐、社交管理等数据信息领域。 然而i c 卡也存在价格稍高、i c 卡的触点暴露在外、容易被损坏、操作速度慢等缺 点【1 4 1 。 1 2 4 射频识别技术 射频识别技术( 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 ) 是将射频与i c 卡技术相结合而 产生的。射频是一种高频交流变化的电磁波，数据通过这种电磁波的交互进行双 向传输，因此具有非接触、传输速度快的优点【1 5 】【1 6 1 。r f d 技术的历史可以追溯到 二战期间，主要用于空中飞机的敌我识别，但起初由于技术和成本原因，一直没 有得到广泛的应用【1 7 9 1 。随着大规模集成电路、射频技术、网络通信、信息安全 等技术的发展，能够实现速度快，工作量大且可识别追踪运动物体的数据采集技 术成为了一个必然的发展趋势，这便是射频技术得以发展的直接原因。 射频识别技术能够实现对多种物体在不同状态及各种环境下的自动识别和数 据管理是利用高频交流变化的电磁波的空间耦合特性实现的。因此，其所具备的 优越性是其它识别技术无可比拟的。射频识别的突出优点体现在如下几个方面： l 、利用无线电波传送信息，具有非接触性识别且不受空间的限制。 第1 章绪论 2 、可以对高速移动的物体进行追踪和数据交换和瞬时读取批量的数据。 3 、穿透能力强、环境适应性强、可全天候工作、能够循环使用，更加充分的运用 资源。 4 、采用多重认证体系，无论是系统还是数据都非常安全。 ? ：。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 近年来由于r f i d 技术得到进一步丰富和完善，其产品种类更加丰富，使得 l 强i d 技术现已在全球得到了迅速发展，并在我们的日常生活和生产中起到非常重 要的作用。r f i d 数据采集技术作为一种非接触式的自动数据采集技术越来越受到 人们的关注，被视为2 1 世纪的最有发展前途的信息技术之一【1 9 - 2 1 1 。 1 3 1 国外研究现状 r f i d 数据采集的研究在国外发展较早也较快，已被广泛应用于医疗事业，自 动化、运输及商业管理等众多领域圈。在运输行业中，对车辆信息的自动识别与 数据采集应用比较广泛。从1 9 9 5 年起，美国的铁路运输管理系统、法国巴黎的大 部分无人管理停车场以及葡萄牙的高速公路和收费关卡就运用了r f i d 数据采集 技术完成了车牌号的准确识别及追踪、自动收费系统、智能化车辆管理等操作【1 1 1 2 2 1 。 对医疗事业的贡献主要是对医疗器械的追踪和管理，2 0 0 8 年，美国密歇根大学医 疗系统( u m h s ) 完成了对六十间手术室的实验设备及用品的医疗管理系统的设计， 就是运用r f i d 数据追踪技术实现的，共运用和开发了六套这种设备不仅代替了人 力，更具有准确、方便、成本低的优点；2 0 0 9 年，美国肯塔基州公主( k i n g s d a u g h t e r s ) 医疗中心运用r f d 数据采集系统实现了对药品仪器添加、移动以及删 除等操作的全面自动化管理，并将此技术应用到每个病人的账单支付及护理等工 作中，不仅为病人提供了高质量的服务，也提供了方便【2 4 1 1 2 5 1 。在检测及防伪领域 当中，r f i d 技术也取得了巨大的成功。从2 0 0 7 年开始，低频1 3 5 6 m h z 的r f i d 数据采集技术已经被广泛的应用在打击假冒伪劣的各个领域，如：t a g s y s 公司与 w e s t 制药服务公司就成功的运用了r f i d 数据采集技术实现了对假冒伪劣的血液 注射荆药品的检测；2 0 0 8 年初，意大利商协会也运用该技术完成了具有辨别名牌 黑龙江大学硕士学位论文 产品真伪能力的测试系统 2 5 - 2 6 】。经过多年的发展，1 3 5 6 m h z 以下的r f i d 技术已 相对成熟，但是，这个频段的射频识别芯片的工作距离非常近，一般仅为0 1 0 e r a 。 因此，各国已经不仅仅局限于对低频r f i d 数据采集技术的研究，对9 6 0 m h z 的超 高频段及2 4 5 g h z 和5 8 g h z 的微波频段更加关注，因为这个频段的r f i d 数据采 集系统可实现更远距离的信息识别和更快的采集及追踪速度，但同时也面临着技 术十分复杂，频率段比较拥挤而且需要更好的抗干扰设施来完善系统等问题而没 - 有在众多国家中得以应用【1 9 】例。 ：+ 一 在技术研究方面，美国一直引领走在世晃的前列，同时完成了相关r f d 标准 的建立及相关软硬件技术的开发，欧洲目前的发展与美国基本处在同一阶段，并 且国内外各大厂商及研发机构正在加大对射频识别技术的研发和应用【3 0 1 。亚洲国 家中，2 0 0 4 年3 月，日本发布了“关于在传感网络时代运用先进的r f i d 技术的 最终研究草案一的报告，主要针对超高频段的电子标签技术及相应的标准提出解 决方案，并对其所产生的经济价值给予肯定的态度，并且该报告得到了日本政府 认可和支持m 】。同年，韩国开展了“在r f i d 的开发和应用领域需要有所突破性创 新 等问题的讨论，充分认识到了开发r f i d 数据采集技术的重要性和迫切性，并 且在韩国政府的高度重视及支持下，积极开展了r f i d 数据采集技术的相关实验和 应用【3 0 】。 1 3 2 国内研究现状 当前，r f i d 数据采集技术在我国虽然起步较晚但发展较快。国家工业和信息 化部、科学技术部及交通部等十五部委于2 0 0 6 年6 月发布了 中国射频识别技术 政策白皮书，该白皮书标志着我国对r f i d 数据采集技术的重视，同时也规划了 我国r f i d 数据采集技术及相应产业未来的发展方向和应用领域，为我们r f i d 技 术的发展和应用提供了科学性、前瞻性、系统性的指导【姗。同年十月，射频识别 技术与应用被列入国家8 6 3 计划的重大项目之一，这标志着我国政府及相关科技 部门对r f i d 数据采集技术的大力扶持，也预示着我国将更进一步的对r f i d 数据 采集技术进行研究和应用1 3 2 。2 0 0 7 年6 月，中国r f i 技术应用论坛承办的以“迎 第1 章绪论 接r f i d 应用新时代的到来”为主题的讨论会在北京隆重举行，此次会议剖析了 r f i d 行业未来的走向及应用的推广，也讨论了相关技术，如：标准体系、集成技 术、软件实现等核心技术，标志着r f i d 数据采集技术的将得到更广阔空间的发展 与应用【3 3 1 。 - 7 在产品方面，清华同方已拥有t h r 9 9 0 4 和t h r l 0 x x 两大非接触式卡系列产 品，其中t h r 9 9 0 4 系列已大规模应用于我国第二代居民身份证项目，t h r l 0 x x 系列是一套完整的射频模块解决方案，己在公交、身份识别等多个领域得到了广 泛的使用f 3 1 1 3 4 1 。一些i c 设计企业也开始设计自己的r f d 数据采集系统产品，如 复旦微电子研制的f m t 7 x x 系列读卡器专用芯片可以和n x p 公司的m f r c 5 0 0 、 m f r c 5 31 、m f r c 6 3 2 管脚兼容【3 0 】。因此，我国在l f 和i - i f 频段r f i d 标签芯片 设计方面的技术比较成熟，自主研发的1 5 0 1 4 4 4 3t y p ea 、t y p eb 和1 5 0 1 5 6 9 3 标 准的芯片已经得到了广泛的应用。 随着r f i d 数据采集技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有 所创新。我国对于u h f 频段r f i d 数据采集系统的开发尚属起步阶段，技术基础 还很薄弱，整个产业链上的制造商远不够成熟，产品的应用成本又较高，与国际 先进水平尚有一定差距。目前，我国已经积极开展了针对u h f 频段的r f i d 标签 芯片的设计，但仅限于实验室阶段，还未得到量产和应用，相应的产品很少。 1 3 3r f i d 数据采集系统的发展趋势 r f i d 数据采集系统的研究在近两年已经成为了热点，但其发展得益于多项技 术的综合发展，如微型集成电路的进步、微型智能r f i d 标签的发展、低功耗i c 技术方面的突破等，同时也将会在如下几个方面取得新进展。 l 、在电子标签方面，其作用距离将更远，无线可读写性能也将更加完善，并且 能够适合高速移动物品识别，具有快速多标签读写功能。 2 、读写器会朝着嵌入式、模块化方向发展，同时，多种数据接口包括串口通讯、 红外传输、u s b 总线的实现以及以太网口也将得到应用。 3 、对系统而言，需要在更多领域中开展远距离识别的超高频射频识别系统的研 黑龙江大学硕士学位论文 究和设计，开拓其更广阔的应用。 4 、实现多制式多频段兼容，增强系统功能，在实际应用中越来越受到重视。 5 、目前行业标准还不统一，阻碍了r f i d 产品的互通，因此通讯标准的统_ ，是 当前重要而紧迫的问题。 ： 1 4 本文主要研究内容 本课题主要研究了r f i d 技术，并设计了一个基于s o p c 的r f i d 数据采集系 统，以完成对卡片信息的数据采集及数据管理功能。 本文研究工作的主要内容是： 1 、详细分析了国内外i d 数据采集技术，针对大数据量，大计算量的高速处理， 应用环境变化的自适应性等要求提出采用可重构特点的s o p c 技术完成r f i d 数据采集系统的设计。 2 、r f i d 读写模块的设计与实现，采用复旦微电子股份有限公司设计的非接触读 卡机专用芯片f m l 7 0 2 s l 组成系统，该芯片基于i s 0 1 4 4 4 3 标准，支持i s 0 1 4 4 4 3 t y p ea 协议，支持m i f a r e 标准的加密算法，只需最少量的外围电路就可以工 作。 3 、r f i d 读写模块的驱动处理，采用在a l t e r ac y c l o n e i i 系列f p g a 中嵌入软 核处理器( y i o si i 核) 实现。首先利用s o p cb u i l d e r 实现n i o s 系统的配置和 生成并在q u a r t u si i 中完成n i o si i 系统的综合、硬件优化与调试。然后在 n i o si ii d e 集成软件开发环境中，完成r f i d 读写模块的接口驱动及实现数 据采集与处理功能。 4 、数据库的设计及与上位机的通讯实现，主要是基于嵌入式完成对e e p r o m 存 储器的控制，以完成对数据的采集、存储、擦除等功能。上位机软件采用d e l p h i 语言编写，可以缩短编写软件的时间周期，提高开发效率。通过计算机串口完 成对数据的读取，并具有数据的存储，管理等功能。 第2 章r f i d 数据采集系统的基本理论和工作原理 第2 章r f i d 数据采集系统的基本理论和工作原理 2 1r f i d 数据采集系统基本组成及工作原理 r f i d 数据采集系统的基本原理是利用空间电磁感应和电磁传播来进行信息传 递，以达到数据自动识别和采集的目的。一个完整的r f i d 数据采集系统由电子标 签、阅读器、中间件、后台网络四部分组成，如图2 1 所示。 - 图2 1r f i d 数据采集系统的基本组成 f i g2 - 1t h eb a s i cc o m p o s i t i o no fd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m 1 电子标签：它是r f i d 系统中存储数据信息的装置，同时含有一个微型的 无线收发装置。电子标签由天线、调制器、解调器、电压调节、逻辑控制单元存 储单元构成并且每个r f i d 标签具有唯一的电子编码f 3 钉，其内部结构如图2 2 所示。 图2 - 2 电子标签原理框图 f i g2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mf o rp r i n c i p l eo fe l e c t r o n i ct a g s 通常电子标签是贴在物体的表面或嵌入到物体内部，其数据可通过内置天线 被读写器通过非接触方式进行读写获取【3 6 3 。 2 读写器：它的主要任务是通过接受主机命令来控制射频模块向标签发送信 号，并接收标签的数据，同时将数据传递给主机处理【3 1 。阅读器主要包括电源、处 理器、读写控制、编解码、调制与解调、射频接口等基本模块。其内部结构图如 图2 3 所示。 黑龙江大学硕士学位论文 卧 i 潆单元逻辑控制 发射器 接收器微处理器 解调器数据存储 。o 一医卜 时钟发生 应用接口 ：- 电压调节 图2 - 3 阅读器内部结构框图 f i g2 - 3t h ei n n e rs t r u c t u r eo f r e a d e r 一_ ， 3 中间件：指的是位于后台网络和读写器之间的硬件设备和软件程序【3 6 l 。它 是一个连接平台，能够与多个r f i d 阅读器以及多个后端应用程序连接，以减轻架 构与维护的复杂性；它具有数据的搜集、过滤、整合和传递等特性，以便将正确 的数据传递给后台网络；它可将不同标准或者协议的产品，进行数据的集成，同 时可监控系统健康状态。 4 后台网络：它是整个r f i d 数据采集系统的信息管理中心，用于存储，处 理数据信息。r f i d 数据采集系统的所有数据信息均在后台网络中汇总和交互，并 具有对整个r f i d 网络进行管理的功能，以确保网络的正常运行阴。 r f i d 数据采集系统的工作原理是由阅读器发射一定频率的射频信号，当标签 进入发射天线工作区域时由于内部具有l c 串联谐振电路而产生感应电流获取能 量。然后，卡内的电路被激活并对接收到的天线信号进行解调、校验、验证等操 作。最后，当密钥验证后，阅读器可对电子标签进行读写操作同时标签向阅读器 发送自身数据，阅读器接收这些数据并进行解码，然后传送给c p u 处理，从而完 成整个数据传输过程。 2 2r f 数据采集技术的物理学原理 2 2 1r f i d 电磁场基本理论 在r f i d 数据采集系统中，信息以电磁波方式进行传输。当相互交链、自行闭 合的交变的电场产生磁场，而交变的磁场也会产生电场，周而复始就形成了电磁 波的传播。电磁波的性质可用麦克斯韦方程描述，如式2 1 至2 4 所示。 第2 章r f i d 数据采集系统的基本理论和工作原理 、 v 詹= 了+ 罢( 2 - 1 ) 纠 v 雷= 一罢( 2 - 2 ) 纠 _v - 雪= 0 ( 2 - 3 ) v 西= p( 2 - 4 ) 式( 2 1 ) 为全电流定律，式( 2 - 2 ) 是电磁感应定律，式( 2 - 3 ) 是磁通连续性方程， 式( 2 4 ) 是高斯通量方程。其中，霹是电场强度，西是电位移矢量，曰是磁场强度， 雪是磁感应强度，了是电流密度，p 是电荷密度。 2 2 2 天线辐射场 电子标签和读写器之间通过天线构建起数据传输通道。天线是由若干电流元 或磁流元构成的。电流元是指长度d 名并且载有高频电流的一段导体，以i m 标记，其球坐标模型如图2 4 所示。 t 毫( 1。) ， ， ， 弋， ， ， ， ， 、 、 夕、 、 、 、 图2 - 4 电流元的球坐标模型 f i g2 - 4t h es p h e r i c a lc o o r d i n a t e sm o d e lo fc u r r e n te l e m e n t 在球坐标下，由麦克斯韦方程，可以计算出电流元空间的电磁场可由公式2 - 5 - _ 一 表不。 耳= 警湖哎，+ 斟咖 岛= 一，瓦r i d s 试吐1 + 万1 + ( 击计谚 ， 以= ，等s h 哎- + 击卜 黑龙江大学硕士学位论文 式中五为工作波长，= 2 7 r a 为空i n 中的波数，r = f 为媒质的波阻抗， 为媒质的磁导率，s 为介电常数。从式2 5 中可知，距电流元的距离r 不同，对 应区域的电磁场分布特性也不同。当射频信号加载到天线后，会产生一个非辐射 场区，在这个场区中电抗场占主要优势并且信号强度随着距离的增大而快速减小， 因此又称这个场区为电抗近场区。超过电抗近场区就到了辐射场区，根据距离的 远近可分为辐射近场区和辐射远场斟3 0 1 1 3 7 1 。 l 、电抗近场区 在电抗近场区中，由于伊 3 5 3 m 3 5 3 m 1 3 5 6 h 忸z2 2 13 5 m 3 5 m 4 3 3 0 6 9 31 1 c m l l c m 9 1 5 n m z0 3 2 85 2 c m6 1 c m 2 4 5 g h z0 1 2 21 9 c m1 6 4 c m 5 8 弛 0 0 5 28 2 8 m m3 8 5 c m 有关天线场区的划分，一方面表示了辐射场中的能量以电磁波的形式向外传 播；另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离越近则场强越强i l 】【1 1 1 。 2 2 3 能量耦合 以r f i d 数据采集系统的阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看， 耦合方式可以分成两类：电感耦合和电磁反向散射耦合【3 9 1 。 一、电感耦合工作原理 在天线的近场范围内，主要是电感耦合在起作用。电感耦合根据电磁感应定 律，通过空间高频交变磁场实现能量传递及数据的传输。电感耦合方式的电子标 签几乎都是无源工作的，其工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。 电感耦合的模型如图2 7 所示。 薹 。 、 雪 一一 一 桫甲? “! ，t ”湖 匿阅读器。叠 善电子标签习 纽捣吐。b 澎毛 薯。o “o i 。箍 图2 - 7 电感耦合模型图 f i g2 - 7 t h em o d e lo f i n d u c t i v ec o u p t m g 由电磁场理论，阅读器线圈和电子标签线圈的互感系数q 2 可以表示为： 1 2 = 越是c o s f ( 2 9 ) 第2 章r f i d 数据采集系统的基本理论和工作原理 式中为磁场强度常数，扎表示阅读器线幽在电子标签线圈处产生的磁场强 度，岛为电子标签线圈的面积，y 为感应的相位差。则电子标签线圈中产生的互 感m 2 和感应电压巧2 可用公式2 1 0 和2 - 1 1 表示。 m ：_ n 2 1 2 一。：( 2 - l o ) 1 1 k ：一2 鲁= j f 鹕娼是c o s 甲( 2 - 1 1 ) 同时电子标签的线圈中会产生_ 个阻碍线圈变化的感应电流，从而形成自感 电压，由公式2 - 1 2 表示，式中l 2 为线圈的自感。- 咄警= j 鸠j 1 2 ( 2 - 1 2 ) 如果设线圈的电阻为心，则其产生的压降由公式2 - 1 3 所示 = 厶 ( 2 _ 1 3 ) 这样有公式2 1 l 到2 1 3 可得电子标签线圈中整个感应电压为： k = 巧2 一一= j o 垡n 2 f l l l s 2c o s 甲一厶u 鸣+ 心) ( 2 - 1 4 ) 同理，阅读器的线圈中的感应电压为： k = j 州州sc o s l 壬，一厶( 歹鸣+ 吒) ( 2 1 5 ) 式2 1 4 和2 1 5 表明通过改变电子标签天线的负载阻抗可以使电子标签中的电 流改变，从而引起磁场的变化，实现了电子标签和阅读器之间的能量交换和数据 共享。电感耦合的典型的工作频率是1 2 5 l 洫、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 的中低频率， 这也限定了电感耦合方式的传输能量、工作电流、作用距离等参数，如其作用距 离不超过2 0 厘米m 。但它也具有实现方便、成本低以及小型化易于携带等优势， 绝大多数的工作频率在3 0 加以下射频识别系统是基于这种耦合方式实现的。 二、电磁反向耦合工作原理 电磁反向散射耦合的基本原理类似于雷达原理。发射出去的高频电磁波到达 物体表面后，一部分电磁能量被物体所吸收，另一部分由于散射作用而向空间的 发射出去。当被反射的能量携带着物体的相关数据信息而被天线接收，从而形成 了电磁反向耦合【翊。 电磁反向散射耦合原理在r f i d 数据采集系统中的应用原理如图2 - 8 所示。 黑龙江大学硕士学位论文 图2 8 电磁反向耦合模型图 + f i g2 - 8t h em o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i cr o v c r s ec o u p l i n g 反向散射耦合系统中，其能量是以电磁波的方式进行传递的。射频标签从电 磁场中提取工作电源，并将标签内存的数据信息传回至阅读器。这种方式的工作 频率一般为4 3 3 m i - i z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g i - i z 、5 8 g i - i z 和2 4 4 5 g h z 的高频和微波频 段，识别的距离为3 4 0 m 或更远 4 2 4 5 】。 2 3i 江i d 技术的通讯机制 r f i d 系统数据传输过程从宏观上而言就是一个数字通信系统，遵循通信原理 的基本要求。首先阅读器根据用户的指令发射出经过编码和调制的载波信号，当 电子标签接收到信号后，进行解调、解码等操作对信号进行还原。因此，r f i d 技 术的通讯机制分为信号编码技术和数字调制技术。 2 3 1 信号编码技术 信号编码是将信源的信号按一定规则转换为数字代码，以实现信号在数字系 统或数字信道中的传输，提高通信的有效性。r f i d 数据采集系统中，有反向不归 零编码、曼彻斯特编码、米勒编码和变形的米勒编码等编码方式【蛔【4 7 】。图2 - 9 表 示出了各种编码的方法。 ( 1 ) 反向不归零编码。在表示一个码元时，高电平为l ，低电平为0 ，无零电平， 故称为不归零编码。这种编码优点是能量大、频段窄、低频性能好并且接收信噪 比高。但是，它含有直流分量会产生信号的失真且无法应用到交流耦合的方式下， 影响了它的工作效果和限制了其应用范围。此外，由于码元间无间隔，造成发送 端与接收端的同步问题，因此它仅适合于极短距离的通信传输。 第2 章r f i d 数据采集系统的基本理论和工作原理 鼬袖黝码。u1 ，l 0 一。liololo 臭曼斯特壤码 几几f 几f - 10110010 整枫向绩码 f ：厂 f f f 煳码_ 1几厂 。 勒缠司厂 r 厂 厂 厂_ 一： 10i1o0l 0 。 图2 - 9r f i d 系统中的数据编码 f i g2 - 9 t h ed a t ac o d i n go f r f i ds y s t e m ( 2 ) 曼彻斯特编码。在表示一个码元时，负跳变是1 ，正跳变使0 。因此不存在 直流分量，也不会产生信号的失真，保证了信号的有效性，同时频谱中的同步时 钟使其具有良好的同步能力和抗干扰性能。 ( 3 ) 差动双向编码。由图可以看出，当个位周期开始后，电平变成反向，这种 编码形式的优点在于有利于位同步重建工作。 ( 4 ) 米勒编码。由图可以看出，其编码形式是l 代表一个周期任意边沿，0 表示 下一个比特周期内不变的电平。对于接收器来说，要建立同步也比较容易，此外 还具有直流分量少，频带窄的优点。米勒编码最大的优势在于可检测传输的误码 或线路的故障等问题，这是由于它即具有两个码元又具有一个码元宽度的特点。 ( 5 ) 变形的米勒编码和米勒编码不同之处是用负脉冲代替所有的跳变沿。这种 编码的优点是利用负脉冲时间短的特点是实现数据在高频场中传输，因此它多用 于电感耦合的r f i d 数据采集系统中。 2 3 2 数字调制技术 在r f i d 系统中通常使用数字信号调制，用基带信号对载波波形的某些参量进 行控制，如幅度、频率或者相位，使其变为适合于信道传输的形式。常用的数字 调制技术有振幅键控、频移键控和相移键控三种【船) 1 4 9 1 。 1 ) 振幅键控( a s k - a m p l i m d es h i f tk e y i n g ) 在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。假定调制信号的数 黑龙江大学硕士学位论文 字波形为a g ( t - n l ) ，载波为正弦波4c o s ( 敛h 们，则振幅键控可由公式2 - 1 6 表示。 = a c c o s ( c o j + q ) ) a g ( t - n t s )( 2 一1 6 ) 载波在二进制基带信号l 或0 的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代 表信号中的l 或0 ，这样就可以得到振幅键控信号。振幅键控信号的典型时域波形 如图2 1 0 所示。 。s( t ) n厂、 介 厂、 7 厂、 t uvuuu 图2 - 1 0a s k 信号的时域波形 f i g2 1 0t h et e m p o r a lw a v eo f a s ks i g n m 2 ) 移频键控( f s k - f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 在数字调制中，移频键控的信号产生是用不同频率的载波传递数字信号并且 用载波的两种不同的频率分别表示二进制0 和l 。则频移键控信号的表达式如2 1 7 所示。 = 彳c o s ( q ，+ 咖a 。g ( t - n t s ) + a c o s ( c a 2 t + q 0 瓦g ( 一以马) ( 2 1 7 ) 一矗 其典型时域波形如图2 1 1 所示。 s( t ) r 、 1 八 ，、 ，、 1 n t ul luu 图2 - 1 1f s k 信号的时域波形 f i g2 11t h et e m p o r a lw a v eo f f s ks i g n a l 第2 章r f i d 数据采集系统的基本理论和工作原理 3 ) 相移键控( p s k - p h a s es h i f tk e y i n g ) 在数字调制中，移相键控信号的信号的产生是由于随着数字基带信号的变化 正弦载波的相位产生离散变化。它是用载波相位的变化表征被传输信息状态的， 通常规定0 相位载波和相位载波分别代表传l 和传0 。则相移移键控信号的表达 式如2 1 8 所示。 = a c o s ( a l t + q , ) a g ( t - t s ) + a c o s ( a ) t + q + n ) 瓦g o 一拧马) ( 2 - 1 8 ) 其时域波形示意图如图2 1 2 所示，并且r f i d 系统中多采用这种方式进行调 制。 一 。+ 图2 1 2p s k 信号的时域波形 f i g2 - 1 2t h et e m p o r a lw a v eo f p s ks i g n a l 2 4 数据的安全性及完整性 2 4 1 相互对称的鉴别 根据国际所颁发的三通相互鉴别的标准，r f i d 数据采集系统中的相互鉴 别是在通信中互相检测另一方的密码，如果密钥一致则代表鉴别成功【姗。对读写 器而言，可以防止采集到伪造或者不匹配的数据，对电子标签而言，可以阻止未 经认可的数据或者指令的读取或写入。典型的相互对称的鉴别过程如图2 1 3 所示。 图2 1 3 相互认证的过程 f i g2 - 1 3t h ep r o c e s so f m u t u a la u t h e n t i c a t i o n 黑龙江大学硕士学位论文 首先，由阅读器发送“查询”指令，标签对该信号解调解码之后产生随机数a ， 并通过天线发射出去。读写器收到标签所发送的信号后，将信号中的随机数a 以 及另外一个随机数b ，结合自己的密钥k l 和算法e l 进行计算加密工作，得到一段 加密过的数据块，然后将整个数据块发射给电子标签。当标签接收到加密的信号 之后，首先通过自身的密钥和算法进行解密工作，还原数据并提取数据块中的随 机数a 和随