（检测技术与自动化装置专业论文）基于无线射频通讯技术的车载油耗计量系统的研究.pdf

中文摘要 现阶段，能源危机日益严峻，节能已经成为各行各业所面临的现实问题。针 对这种情况，提出了一种在保证精确计量、成本低廉的前提下实现了智能化处理、 人性化设计的油耗计量系统，并运用无线射频通讯技术，实现了内燃机械在任意 工作时刻的瞬时油耗和某一时间区间内的累积油耗。 基于无线射频通讯技术的车载油耗计量系统是采用容积法和脉冲法相结合 的方法进行测量的。其硬件部分主要包括控制器与副油箱，控制器的主控芯片采 用具有低功耗、稳定性好、驱动能力强等优点的p i c 单片机。在信号采集方面， 采用了磁浮子液位传感器和零功耗韦根德传感器，磁浮子液位传感器线性度好， 可靠性高，尤其适合于恶劣的工作环境下，具有抗震效果；零功耗韦根德传感器 从根本上改善了信号采集部分的性能，在保证精确测量机械转子转动的同时，不 消耗系统的电能，为油耗计量系统实现低功耗、高精度测量提供了良好的基础。 副油箱设计上，根据现场油耗计量系统的运行环境，优化硬件结构，增加了一系 列的抗干扰措施。在软件部分，采用模块化设计，使用软件冗余技术和容错技术 增强软件的可读性。另外，上位机人机界面友好、直观、操作方便。 通过大量的现场实验调试，结果表明：此车载油耗计量系统操作方便，成本 低廉，计量手段先进可靠，精度可达到1 5 以内，极大的提高了内燃机械的生 产效率，有效地避免了浪费现象，易于大规模推广。这在现阶段大力倡导“两型” 社会的背景下，显得尤为重要。 关键词： 车载油耗计量系统无线射频通讯技术p i c 单片机智能 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ee n e r g yc r i s i si si n c r e a s i n gs e r i o u s l y e n e r g y - s a v i n gb e c o m e sa p r a c t i c a li s s u e sf a c e db ya l lf i e l d s c o n s i d e r i n gt h i s ，t h ep a p e rp r e s e n t sa n e wv e h i c l e c o n s u m p t i o nm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do ni n t e l l i g e n th a n d l i n ga n dh u m a n ed e s i g n i n g u n d e rt h ep r o m i s eo fa c c u r a t em e a s u r e m e n ta sw e l la sl o wc o s t i na d d i t i o n ，t h eu s eo f r a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k e sp r e c i s em e a s u r e m e n to fi n s t a n ta n d a c c u m u l a t i v ef u e lc o n s u m p t i o nc o m et r u ei na n yw o r k i n gh o u r s t h ep r i n c i p l eo fv e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r i n gs y s t e mi s b a s e do n v o l u m e t r i cm e t h o da n dp u l s em e t h o d h a r d w a r ec o m p o n e n t si n c l u d ec o n t r o l l e ra n d a u x i l i a r yt a n k p i cm i c r o p r o c e s s o ri sc h o s e na st h em a i nc o n t r o lc h i pw h i c hh a s s u c h f e a t u r e sa sl o w p o w e r , h i g h - s t a b i l i t ya n ds t r o n gd r i v i n ga b i l i t ya n ds oo n i nt h e a s p e c t so fd a t aa c q u i s i t i o n ，l i q u i d l e v e ls e n s o ro fm a g n e t i cb u o y a n c yh a sc h a r a c t e r so f h i g hl i n e a r i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n da n t i s e i s m i ce f f e c te s p e c i a l l yf o rt h ep o o rw o r k i n g e n v i r o n m e n t t h ew i e g a n ds e n s o rw h i c hi sak i n do fz e r op o w e rs e n s o ri m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo ft h es i g n a la c q u i s i t i o na n di tc a nm e a s u r e t h et u r n so ft h em e c h a n i c a l r o t o ra c c u r a t e l y a tt h es a m et i m e ，t h es e n s o rd o e sn o tc o n s u m ee l e c t r i ce n e r g yo ft h e s y s t e m ，s ot h er e a l i z a t i o no ft h ef u e l - m e t e r i n gd e v i c ew i t h l o wp o w e ra n dh i g h a c c u r a c ym e a s u r e m e n ta f f o r dt h ef a v o r a b l eb a s e o na u x i l i a r yt a n kd e s i g n ，w e o p t i m i z et h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n di n c r e a s eas e r i e so fa n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e s a c c o r d i n gt of i e l do p e r a t i n ge n v i r o n m e n t a st os o f t w a r e ，t h em e t h o do fm o d u l a r d e s i g n ，t h eu s eo fs o f t w a r er e d u n d a n c ya n df a u l t t o l e r a n tt e c h n o l o g ye n h a n c et h e r e a d a b i l i t yo fp r o g r a m i na d d i t i o n ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n dv i s u a l i z e d a n de a s yt oo p e r a t e f i e l de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r i n g s v s t e mh a sc h a r a c t e r so ff a c i l i t a t eo p e r a t i o n ，l o wc o s t ，a d v a n c e da n dr e l i a b l e m e a s u r e m e n tm e t h o da n d h i g ha c c u r a c y ( w i t h i n4 - 1 5 ) i t c a ni m p r o v et h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o nm a c h i n eg r e a t l ya n da v o i dt h ew a s t e p h e n o m e n o ne f f e c t i v e l y , a n db ep r o n et om a k e f u r t h e ra p p l i c a t i o nw i d e l y i ti s i m p o r t a n ti nt h e ”t w o t y p e ”s o c i a lb a c k g r o u n da d v o c a t e d a tt h ep r e s e n ts t a g e k e yw o r d s ：v e h i c l ec o n s u m p t i o nm e a s u r i n gs y s t e m ，w i r e l e s sr a d i of r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，p i cs i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r , i n t e l l i g e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：尹後查、 签字日期： 2 卯7 年乡月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 尹使杰 导师签名： 签字日期：加d 7 年岁月弓f 日 签字日期：日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 能源是国民经济的命脉，随着世界范围能源短缺问题的不断加剧，各国都在 不断地发掘新能源和千方百计的节约能源。过去2 0 年，我国石油消耗每年以5 的速度增加【l 】。机动车消耗了全国石油总产量的8 5 ，柴油总产量的4 2 ，尤其 内燃机械是消耗石油的大户，其中2 0 0 7 年中国汽车年产销分别超过和接近8 8 0 万辆，于是汽车等内燃机械燃油经济性一直是大家关注的焦点。 在大力提倡“资源节约型，环境友好型”社会的前提和国际油价居高不下的 背景下，人们更关心车辆油耗经济性，要求合理使用燃油的呼声越来越高。因此 只有提高对燃油消耗的精确计量手段，才能做到“耗能有数，节能有据 的目标， 从而减少燃油的浪费，降低燃油成本。 目前，我国港口以燃油为能源生产用的机械占8 0 以上，如：搬运卡车、拖 车、吊车、铲桥等的燃料以柴油为主。随着港口管理水平的不断提高，能源的科 学使用和机械设备的充分利用提到议事日程上来。受天津港港务局的委托，天津 大学与天津港港务局共同立项就“基于无线射频通讯技术的车载油耗计量系统” 的课题进行了研究。 1 2 油耗计量装置国内外研究现状 目前，国外汽车工业发达国家更加重视节能与环保，其汽车油耗检测技术和 工艺手段较先进。投入的人力和财力也较多，并采用了传感技术和微电脑技术， 正在大力开发研制智能型油耗检测装置( 以下简称油耗仪) ，其功能、精度、显 示方式都在不断发展与完善之中。但是价格均比较贵，不适合大面积推广。而国 内汽车油耗检测主要采用普通式汽车油耗仪，其测试范围、测试精度、显示、使 用维护和可靠性等方面都不是很理想。一些院校和科研单位研制的电子油耗仪， 能测试平均油耗、瞬时油耗和累计油耗等，但测试精度尚需进一步提高，并且成 本还需进一步降低1 2 j 。 国内外常用的测量油耗的原理大致分为三种类型：容积法、重量法、流量法。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 以下逐一简单介绍其原理。 容积法 容积式油耗仪【3 - 4 的油路起始于供油油箱，结束于发动机，由测量容器、三 通阀、油管等组成，示意图见图卜l 。测量容器由若干个油泡组成，各个油泡的 容积由上至下分别为2 5 ，5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 m l ，测量时可根据需要选择不同的测量 容积。 ( a )( b ) 1 油箱2 滤油器3 截止阀4 三通阀5 油泡 图1 1 容积式油耗仪测量示意图 i i 1 i i 系统油路串联在发动机油路中，进油口与油箱相连。出油口与发动机相连。 其工作过程为：首先，将三通阀置于图1 1 ( b ) 所示i 的位置。当油箱截止阀打开 后油箱内的燃油分两路，一路向测量容器充油，另一路直接进入发动机。当油 面到达测量容积的液面上限后停止充油。充油完成后，将三通阀转至i i 位置。此 时，油箱仅向发动机供油，启动发动机，并使发动机稳定工作在规定的工况。测 量时，将三通阀转至i i i 位置，此时发动机只能靠测量容器供油。随着燃油的消耗， 测量容器内的燃油下降，当燃油下降到所选量程的上限位置时，液面检测装置向 主机发出测量信号，主机开始计时。当燃油下降到所选量程的下限位置时，液面 检测装置再次向主机发出信号，主机停止计时。通过记录的时间间隔和所选量程 便可计算出发动机的每小时燃油消耗量。测量结束后，重新将三通阀转至i 位置， 油箱内的燃油向测量容器内补充，为下次测量做好准备。 o o 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 下面介绍液面信号检测与处理，如图1 2 所示，计量容器内装有几只容积不 同的油泡，液面a 、b 、c 、d 、e 处固定光电液位传感器。油位的上下移动而导 致折射率不同，因此通过导通或截止光电传感器的接收管，以得到不同液位的检 测信号。 光电传感器 图1 - 2 液面检测原理图 p 当油位未达到光电传感器所在位置时，光电传感器的发光管发出的光直接被 接收管接收，接收管受光照导通，在电阻上获得高电平，v p ：= o 。当油位达到光 电传感器所在位置时，发光管发出的光由于折射原因，接收管得不到信号，使r 处获得低电平，v p o ，从而检测液面信号。 容积式油耗仪大多是利用光在空气和油介质中折射率的变化来检测油面信 号的。此方法容易受到不稳定光源及环境光源的干扰，而且对光电耦合器与油管 的相对位置要求严格，如果调整不好，便得不到较好的折射效果。现在应用的是 远红外光电传感器，可以有效地克服外来光的干扰。另外，容积式油耗仪的测量 容器表面容易产生油污，当光源较弱时光线无法穿透油污，使得液位传感器检测 不到测量信号，当光源较强时又使得液位传感器受到非测量信号的干扰，这就降 低油耗仪系统的可靠性，进而影响其测量精度。此种方法用于汽油发动机油耗的 测量。 重量法 重量式油耗仪【孓7 】结构简图见图1 3 ，它由密封贮油箱、高精度压力传感器、 电磁阀及控制单元等组成，贮油箱垂直地固定在压力传感器之上，压力传感器的 输出信号通过屏蔽线连接到控制单元，控制单元对压力信号进行采样、处理并显 示测量数据，同时通过电磁阀控制贮油箱的充油过程。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 3 4 1 电磁阀2 进油管3 出油管4 旁通管5 密封油箱6 压力传感器7 控制单元 图1 3 重量式油耗仪测量结构图 在测量时，压力传感器的输出电压与加在上面的压力成正比，即 u = k m g = k g ( 聊，+ m r ) ( 卜1 ) 式中：m ，一油箱的质量m ，一燃油的质量m 一总质量 k 一测量常数g 一重力加速度 为了提高测量精度，油箱的自重不能太大，并且贮油量要合适。在测量过程 中，随着燃油的消耗，油箱中的燃油量逐渐减少( 即失重) ，设传感器的输出电压 为 i u l = k g ( m 。+ m r l ) 一( 时刻) l u 2 = 堙( m 。+ m r 2 ) ( f 2 时刻) u i u 2 = k g ( 聊，l m r 2 ) = k g a m ( 1 - 2 ) 式中：m 九，mr 2 - - t l ，t 2 时刻燃油的质量 式( 1 2 ) 表明，燃油的失重量与压力传感器输出电压信号的变化成正比。用式 ( 1 - 2 ) 除以时间出，当垃足够小时，只要测得传感器在各个时刻的输出电压，就 能计算出内燃机械的平均耗油率和瞬时耗油率。 下面介绍液面信号检测与处理，测量电路的功能是把电阻应变片的电阻变 化转换为电压变化输出。因为惠斯通电桥具有很多优点，可比较方便的解决称重 传感器的温度、蠕变和零点补偿问题等，所以惠斯通电桥在称重传感器中得到了 广泛的应用。而惠斯通全桥式等臂电桥的灵敏度最高，且各臂参数一致，各种干 扰的影响易于控制，因此应变式称重传感器的应变片一般均采用惠斯通全桥式等 臂电桥联结方法，如图1 4 所示： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 桥压+ ( e + ) 图1 4 惠斯通电桥图 图中，输入电阻是正负供桥端子( e + 、e ) 之间的电阻，输出电阻是正负信号端子 ( s + 、s - ) 之间的电阻，其中正负供桥端子( e + 、e ) 之间的电压u i 和正负信号端子( s + 、 s ) 之间的电压u o 的关系如下所示： ：等牛u ( 1 - 3 ) 当传感器没有受力时，桥路平衡，信号输出为零，当传感器受到压力时，由 于应变片发生变形，桥路阻值发生变化，桥路失去平衡，信号端就有微弱电压信 号输出。 在上述测量中存在这样一个问题，即每一次不能将贮液罐中的液体全部放 掉，总留有一些残留液，这佯必然影响测量的精度。此种方法用于柴油发动机油 耗的测量。 流量法 流量式油耗仪【8 。1 0 1 是利用进回油管路上的流量差来计算油耗的。在进、回油 管道各安装一只涡轮流量传感器，用来得到进、回油管道的流量信号并送智能流 量积算仪进行处理。积算仪对进、回油管道流量信号进行处理，然后对进、回油 管道的流量进行差值计算，累加得到实际燃油消耗量。流量式油耗仪测量原理 图如图1 5 所示。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 回油管道传 感器 面酮一 信 号 线 进油管道传 感器 硒 燃油箱 图1 5 流量式油耗仪测量原理图 设q 为实际耗油量，q l 为进油管道燃油流量，q 2 为回油管道燃油流量，则实际 耗油量： q = q l q 2( 1 - 4 ) 测量燃油流量采用涡轮流量传感器，在测量范围内，涡轮流量传感器的流量脉 冲频率与体积流量成正比，这个比值即体积仪表系数，用k 表示，其中计算公 式为： k = 3 6 0 0 x f o 或k = n v( 1 5 ) 式中f 一流量信号频率( h z ) q 一体积流量( l h ) n _ 一脉冲数v 一体积总量 ( l ) 流量式油耗仪可以测量瞬时耗油率，但测量的精度较低，其原因有：一是单 位时间燃油的流量很小，尤其是发动机处于待速状态下；二是从发动机流经回油 管的油温度极高，对涡轮流量计测量油量精度有很大的影响，因为柴油的热膨胀 效果比较明显。此种方法用于柴油发动机油耗的测量。 1 3 课题研究内容与创新点 本课题旨在开发一种低成本，高精度、操作方便，适用于普及推广的智能油 耗计量装置。该油耗仪由基于p i c l 6 f 8 7 6 a 为主控制器的控制单元和执行机构两 部分组成，控制单元由控制电路和通讯模块组成；执行机构由副油箱、磁浮子液 位传感器、精密计量泵和w i e g a n d 转速传感器组成，在满足设计要求的前提下可 以有效地降低开发成本，提高开发速度。 此种油耗仪的工作原理为：司机打开电瓶电源后，系统上电初始化并进入工 作状态，显示实时时间，当司机上岗刷卡后，显示实时油耗量，在内燃机械工作 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 过程中，控制部分通过数学模型来实时计量油耗量并加以显示，当司机完成任务 下岗刷卡时，系统根据计算出累积油耗量通过无线射频通讯技术传输到司机的i c 卡中，然后通过上位机管理软件读出累积油耗、员工属性、上下班时间等信息并 保存在相应的数据库中。该系统测量用工作原理如图1 - 6 所示。 图1 6 测量用系统工作原理图 本课题研究的主要内容有： 垂直直线式磁浮子液位传感器的应用和信号处理 零功耗磁敏传感器的应用和信号的处理 基于无线射频识别技术进行数据传输 上位机i c 卡读写程序的设计 根据油耗仪现场工作特性进行误差分析 油耗仪仪表系数的确定和数学模型的修正 本课题研究的创新点主要有： 零功耗磁敏传感器应用于油耗计量装置，对精密计量泵机械转子的转数进行 精确的检测，此种检测方法不需要放大电路，误差小，精确度高，无需消耗 电池的能量。 射频识别i c 卡技术的应用不仅使油耗及时传递到数据库中进行管理，而且 在工作过程中大大方便了员工的可操作性。 副油箱内抗振性部件的设计不仅使油耗计量更加精确，而且增加了系统的可 靠性。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题研究目的与意义 天津港港务局下属的各子公司员工人数多、内燃机械种类复杂、油耗量大( 每 月耗柴油量大约1 5 0 吨) 并且柴油浪费严重。加油站的油量记录量与实际使用中 的耗油量数据相差较大。为了节约能源，提高能源利用效率，首先要解决的问题 就是如何精确测量现场的实际用油量。因此耗油量的科学计量与管理与否对公司 的效益有重要意义。 针对天津港的具体情况，我们开发这种低成本，高精度、操作方便，适用于 普及推广的智能油耗计量装置，它的主要功能是通过无线射频通讯技术i c 卡来 记录每位司机在不同的上下班时段内，在不同车辆上的油耗记录，然后将i c 卡 中的记录读取到数据库中进行保存，作为员工绩效评比的一部分；另外，还可以 开展节能比赛来提高员工的节能意识和工作积极性，从而使企业在激烈的市场竞 争中处于不败之地。 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 本章首先介绍了射频识别技术与非接触式i c 卡技术，包括内部结构、工作 原理和应用现状等，分析了射频识别技术的优势和利用的价值；其次，结合课题 研究内容，主要介绍了与课题有关的射频通讯模块和非接触式i c 卡与单片机的 通讯过程。 2 1 射频识别技术 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 ，缩写r f i d ) 技术利用无线射频方 式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换 的目的 1 1 - 1 2 】。与传统的条型码、磁卡及i c 卡相比，射频卡具有非接触、阅读速 度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能 同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自 动化、交通运输控制管理等众多领域。 2 1 1 射频识别系统的构成 射频识别系统( 如图2 1 ) 一般由以下几个主要部分构成：一个载有目标物相关 信息的r f i d 单元( 应答器或卡、标签等) ；在读写器及r f i d 单元间传输r f 信号 的天线；一个产生r f 信号的i 讧收发器( r ft r a n s c e i v e r ) ；一个接收从r f i d 单元 上返回的r f 信号，并将解码的数据传输到主机系统以供处理的读写器：天线、 读写器、收发器及主机可局部或全部集成为一个整体，或集成为少数的部件；不 同制造商有各自不同的集成方法；还包括相应的应用软件i l 引。 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 工作站 图2 1 射频识别系统组成结构图 一台读写器包含有高频模块( 发送器和接收器) 控制单元以及与应答器连接 的耦合元件。另外还有附加的通信接口( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等) ，以便将所获得的 数据进一步传输给另外的计算机控制系统建立相应的数据管理系统，结构如图 2 2 所示。 图2 - 2r f i d 系统结构示意图 典型的r f i d 系统( 如图2 3 ) 由应答器( t a g ) 、读写器( r e a d w r i t ed e v i c e ) 以及 数据交换、管理系统等组成| l4 | 。应答器也称射频卡、电子标签，它具有智能读写 及加密通信的能力，是射频识别系统真正的数据载体，在阅读器的响应范围之外， 应答器处于无源状态，只有在阅读范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所 需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元( 非接触) 传输给应答器的。 读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成，应答器是无源系统， 即应答器内不含电池，应答器工作的能量是由读写器发出的射频脉冲提供。应答 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 器接收射频脉冲，整流并给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。数据 解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑。控制逻辑接受指令 完成存储、发送数据或其他操作。e e p r o m 用来存储应答器的i d 号及其用户数 据。还有有源r f i d 系统，是由电池供电，可以在较高频段工作，识别距离较长， 和读写器之间的通信速率也较高。 读卡器 应答器 图2 3 射频识别系统原理图 2 1 2 射频识别系统工作流程 读写器上电复位后，首先对各功能模块进行初始化，然后发出询卡应答 ( r e q b ) 指令寻找有效范围内的射频卡【l 5 1 。 如图2 _ 4 所示，射频卡在有效范围外为无电状态，不能进行任何操作。当进 入读写器的载波有效范围内时，射频卡上电复位，进入等待接收询卡应答指令 的状态。收到询卡指令后，射频卡会发出自己独有的i d 码，读写器根据收到的 i d 码，发出选卡指令，选择该卡进行下一步的通信。 在应用中很有可能会遇到多张射频卡同时在读写器的有效工作范围内的情 况，这些i c 卡就会在收到询卡指令后，同时发出自己的i d 码时发生互相冲突的 情况，因此就要求系统能够具有防冲突的机制，才能从多张卡中选择出一张。当 射频卡在收到读写器发来的询卡应答指令后，首先进入防冲突状态。如果读写 器发出的选卡命令中包含了某一张卡的i d 识别码，则表示该卡被选中，该卡进 入正常的工作状态，完成读写器的各种指令。没被读写器选中的卡则进入等待状 态，等待读写器发出选择自己的指令，再进入工作状态。或者收到询卡指令，重 新发出自己的i d 码。 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 、! ! 二：! ! j t 圭l 电复位 等待r e q bo r w u p b 指令 肛郇一生r e q b o r wuporw u p b i 也q b m a t c h e d f e s 厂、 叫工作状态i t j d e s e l e c t ，_ 、 l 停止工作jw u p b 图2 4 射频卡的状态转移流程图 对于处于工作状态的射频卡，读写器可以发出d e s e l e c t 指令，使其进入 停止工作状态，暂时停止其工作，被禁止工作的射频卡，停止发出信号，不会干 扰下一次的询卡、选卡操作，以便于读写器继续选择下一张卡。对于任何没处于 工作状态的卡，收到w u p b 指令或r e q b 指令或者不处于暂停状态的卡收到 w u p b 指令后均返回到最开始的等待询卡应答指令的状态，重新进入选卡流程。 2 1 3 射频识别系统基本原理 对于非接触式i c 卡来说，它的应答器是用一个微型芯片来做数据载体的， 在这个数据载体上，存储的数据量可达数千字节。为了读出或写入数据，必须在 应答器和阅读器之间能够传输数据。数据传输使用了两种基本不同的方法：全双 工和半双工【博1 9 1 。 在半双工法( h d x ) 中，从应答器到阅读器的数据传输与从阅读器到应答器的 数据传输是交替进行的。当频率在3 0 m h z 以下时常常使用负载调制的半双工法， 有没有副载波都无所谓，电路也很简单。负载调制和调制反射截面直接影响由阅 读器产生的磁场或电磁场，因此被称作“谐波处理法。 在全双工法( f d x ) 中，数据在应答器和阅读器之间的双向传输是同时进行 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 的。其中包括应答器发送数据，所用频率为阅读器的几分之一，即采用“分谐波， 或是用一种完全独立的“非谐波 频率。 这两种方式的共同点是：从阅读器到应答器的能量传输是连续的，与数据传 输的方向无关。如图2 5 所示，人们把从阅读器到应答器的数据传输称作下传， 把从应答器到阅读器的数据传输称作上传。 -l 方式 7 t f d x ( 全双工) 能量的传输 下传 。 - 上传 h d x ( 半双工) 能量的传输 下传 声声。、 上传 _ ， ， 1 电感耦合 1 ) 无源应答器的能量供应 电感耦合应答器由一个电子数据载体，通常是由单个微型芯片以及用作天线 用的大面积的线圈等组成。 电感耦合应答器几乎都是无源工作的。这意味着：微型芯片工作所需要的全 部能量必须由读写器提供。高频的强电磁场由读写器的天线线圈产生，这种磁场 穿过线圈横截面和线圈周围的空间。因为使用频率范围( 称为全球企业新独裁者的沃尔玛百货公司。到2 0 0 5 年底， 所有供应沃尔玛百货的商品包装箱上，都要有应用r f i d 技术的电子商品条形码。 沃尔玛百货预期能用新技术进一步降低成本，尤其是减少与库存相关的物流失误 并降低人力成本。一位分析师估计，沃尔玛百货应用r f i d 技术以后，每年节省 成本可达8 4 亿美元。 目前，许多欧美国家高速公路有电子收费站，只要凭着黏在车上的r f i d 标 签，就可以直接通过收费道，自动扣款，不须停车。美国太空总署想用这种技术 追踪发射到太空中的东西。澳洲政府想以此来管理比澳洲人口多许多的袋鼠。 另外，英国航空公司正在进行r f i d 的试验计划，允许某些特定的智能型 r f i d 标签在扫描的同时改变其记录内容，不需要换贴新的r f i d 标签。如此一 来，将使航空公司利用r f i d 上的重量记录的加重而很容易侦测到旅客利用转机 夹带非法物品的可能性。此外，旅客报到时不需要使用扫描条码器，亦可简化手 续流程。 国内应用现状 作为本世纪十大重要科技之一，r f i d 在国外的应用越来越普及，新加坡、 韩国等国家都明确指出要重点发展电子标签技术，而中国是世界生产中心之一和 最具潜力的消费市场，对r f i d 的应用需求也将越来越强烈。 目前中国已经开始尝试在一些领域进行应用示范。比如国家煤矿工种在安全 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 帽上使用标签，以解决煤矿工人安全检查的问题；邮政行业正在进行物品传输方 面的安全及整体数据模型的应用测试。同时，e p cg l o b a lc h i n a 也建立了中国测 试中心，其主要服务方向包括国内产品进入国外市场，国外产品进入中国市场。 其测试内容包括硬件、软件、e p c 标准的测试，以及对r f i d 产品及兼容的测试， 还包括解决方案实际应用之前的测试等。中国标准化协会e p c 和互联网应用标 准化工作组还会在汽车行业、航空行业、石化、汽油、金融行业、零售行业、医 院管理等方面进行应用示范。 r f i d 技术应用到了高速公路收费及智能交通系统、物流供应链管理、电子 票证、门禁保安、一卡通收费系统、动物管理等领域。 2 2 非接触式i c 卡技术 i c 卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 的概念是2 0 世纪7 0 年代初提出来的，法国 布尔( b u l l ) 公司于1 9 7 6 年首先创造出i c 卡产品，并将这项技术应用到金融、 交通、医疗、身份证明等多个行业，它将微电子技术和计算机技术结合在一起， 提高了人们生活和工作的现代化程度【2 0 】。 i c 卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，i c 卡存储器中的内容根据需要 可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定之用。卡内还存储有唯一的 发行人和持卡人的识别标志，用以唯一的确定卡的身份，这样的卡又叫做“识别 卡。 i c 卡可以从硬件角度分为接触式和非接触式两大类。其中通过卡芯片上的6 个或8 个触点来实现与读卡器进行数据传送的为接触式i c 卡。而非接触式的i c 卡( c o n t a c t l e s si cc a r d s ) 在集成电路上不向外引出触点，而是通过包含在卡片中的 无线收发电路及相关的一些电路来实现与外界的数据交流和电源的供给，其通过 无线电波或电磁场感应的方式进行能量和数据的交换。 与接触式i c 卡相比较，非接触式卡具有以下优点 2 1 - 2 2 】： 可靠性高 操作方便 防冲突 适合范围广 加密性能好 2 2 1 非接触式i c 卡内部结构与工作原理 非接触式i c 卡内部结构 天津大学硕士学位论文 第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 非接触式i c 卡( 也称射频卡) 是由模拟部分和数字部分两部分组成的。模 拟部分的电路包括射频接口电路和电源电路。其结构如图2 8 所示【2 3 1 。 调制器 一 为4 7 k b p s - 解调器1 1 0 6 k b p s 数 天 1 据 + 处 一l 电源产生h 偏置产生 理 部 线 j 芋i 一l 上电，炅但i ， 分 信号整形 叫分频器l - 图2 - 8 射频卡模拟部分结构 其中电源产生电路，为芯片内部各部分电路提供工作时所需要的能量；信号 整形和分频器构成了时钟恢复电路，它从耦合到的信号中提取电路正常工作时所 需要的时钟；上电复位信号产生电路，产生一个低电平信号为数据处理部分的电 路置位；调制电路把编码的副载波调制到载波上，由天线发射出去；解调电路将 天线上耦合的信号解调为基带的数字信号，送到数据处理部分进行下一步的工 作。 非接触式l c 卡中数字部分的电路由主控制模块、通讯模块、e e p r o m 接口 模块、信息安全模块等子功能模块构成。各子模块在主控制模块的有限状态机的 控制下工作。在一些高端的应用中，非接触式i c 卡中的数字部分的电路也可以 由一块异步的c p u 来完成同样的功能，它的处理功能更强大，可以进行一些更 复杂的运算。由于射频卡本身是无源的，采用异步的c p u 可以极大的降低功耗。 非接触式i c 卡中的e e p r o m 电路用来存储一些关键的数据。它通过e e p r o m 接口电路与数字部分进行通信，为数字部分提供必要的数据或数据读写指令执行 的结果。由于e e p o m 存贮单元在写操作时需要高l 吾- ( 1 0 2 0 v ) ，因此e e p r o m 电 路内含高压产生和控制电路。 非接触式i c 卡工作原理 非接触性i c 卡与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。二者之间的通 讯频率为1 3 5 6 m h z 。非接触性i c 卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操 作是，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接 收后，与本身的l c 产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是指令和数 据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器，完成 天津大学硕士学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技术原理及应用 一次读写操作。读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与 p c 的通讯接口，打印口，i o 口等，以便应用于不同的领域。 2 2 2 非接触式i c 卡读写器内部结构与工作方式 非接触式i c 卡读写器内部结构 读写器完成对射频卡发来的信号进行接收、解调、解码、解密及相应的数据 处理及对要发送给射频卡的指令进行加密、编码、调制、发射等功能。读写器由 完成以上功能的模块和时钟电路、e e p r o m 和一些通信接口模块构成。接口模 块包括液晶显示接口、r s 2 3 2 接口、s a m 卡接口等。针对不同的应用要求，读 写器的组成不尽相同，但其基本的结构组成如图2 - 9 所示： 。 d 接口电路 电 编解码防冲突d n l 解码微 调制1 卜、 1卜、 控 解调 厂 售l 控制模块 - p ， d e e p r o m器 图2 - 9 读写器的一般结构组成 微控制器前端的部分为通信协议处理模块也称为r f i d 系统的d r i v e r 模块。 工作过程为，首先读写模块对接收到的信号进行解调、滤波放大、整形后，产生 编码的副载波数字信号。d r i v e r 中的编解码模块对其解码产生基带的数字信号， 然后进入a n 解密模块解出原始数据信号后，送入微控制器进入高层次的应用协 议处理过程。在射频卡和读写器开始建立通信连接时，如有多张卡同时存在于读 写器的有效工作区内，则要经过防冲突模块处理，保证同一时刻只有一张卡在与 读写器通信。还能够依次处理各张卡。 非接触式i c 卡读写器工作方式 读写器主要有两种工作方式，一种是r t f ( r e a d e rt a l k sf i r s t ，读写器先发言) ， 另一种是t t f ( t a gt a l k sf i r s t ，应答器先发言) ，这是读写器的防冲突协议方式。 在一般状态下，应答器处于“等待”或称为“休眠”的工作状态，当应答器进入 读写器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转到“接 收”状态，接收读写器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读写器。 这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的电子标签被称为r r f 方式。t t f 和r t f 协议相比，r r f 方式的射频标签具有识别速度快等特点，适用于需要高 速应用的场合；另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合 也更为实用。因此，更适于工业环境的跟踪和追踪应用1 2 4 j 。 天律大学硕 学位论文第二章射频识别技术与i c 卡技来原理及应用 2 3 射频识别技术在课题中的应用 本课题选择北京完美科技公司的w m l5 t 射频通讯模块、m l 非接触1 c 卡 w m 1 6 u 读卡器，它具有开发方便、价格低廉、可靠耐用等优点。 2 3 1 射频通讯模块 w m - 1 5 t 射频读写模块是采用最新m i f a r e 技术的微型嵌入式非接触式1 c 卡读写模块。内嵌i s o l 4 4 4 3t y 钟a 协议解释器，并具有射频驱动及接收功能， 可以简单实现对m i f a r e o n e 等卡片的读写操作，读写距离最大可达1 0 0 m m ( 与卡片 及天线设计有关) ，该模块提供标准异步串行通讯接口，输出1 1 乙电平具体实 物如图2 1 0 。 该模块适用于标准读写器( 只需进行电平转换即可直接连接到p c 机) 、手持 机、收费机、门禁器、考勤机及其它各种收费系统及一卡通应用系统。 其基本参数如下： 工作电压： 5 v d c 工