（电子科学与技术专业论文）超高频rfid读写器研究与设计.pdf

a b s t r a c t 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 ( r f i d ) i san o n t o u c h e da u t o m o t i v ei d e n t i f i c a t i o n t e c h n i q u er e a l i z e db yr a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n t h et e c h n i q u eu t i l i z e di n t e g r a t e d c i r c u i t ( i c ) ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y ，r a d i ot r a n s c e i v e r ，a n dd a t ae n c o d i n ga n d d e c o d i n g ，a sw e l la sm a n yo t h e rt e c h n i q u e s t h es y s t e mi sn o tl i m i t e dt o l i n eo f s i g h t ( l o s ) o p e r a t i n ge n v i r o n m e n t b e c a u s eo fl o n gi d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c e ，h i g hs p e e d d a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，c o u n t e r - f a b r i c a t i o n ，a n di n t e l l i g e n c e ，i ti sw i d e l yu s e db ya l l k i n d so ff i e l d s i nr e c e n ty e a r s ，r f i dh a sp e n e t r a t e dt om o r ea n dm o r ef i e l d s e s p e c i a l l y ，r f i d i n915 m h zh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e st h a nr f i di n13 5 6 m h z ，s u c ha sl o n gr e a d i n ga n d w r i t i n gd i s t a n c e ，h i g hr e a d i n g - w r i t i n gr a t e w h a t sm o r e ，t h ec o l l i s i o na v o i d a n c e t e c h n i q u ec a nb eu s e dt oi d e n t i f ym u l t i o b j e c t i ti sw i d e l yu s e di ns t o r a g ea n dl o g i s t i e s ， a n dn o n - s t o pt o l l i n g i nt h ep a p e r ，f i r s t l y ，t h ef u n d a m e n t a lc o n c e p t s ，w o r k i n gp r i n c i p a l sa n ds o m e s p e c i f i c a t i o n so fr f i ds y s t e ma r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，c i r c u i ts c h e m eo fr f i dr e a d e r a r ep r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，a t 91s a m 7 s 2 5 6f r o ma t m e li su s e da st h em a i n c o n t r o l l i n gc h i p t h en e w e s tc h i pr 10 0 0f r o mi n t e li s w o r k i n ga st h er a d i o t r a n s c e i v e rm o d u l e t h em a a p 一0 0 7 6 4 9 - 0 0 010 0f r o mm a c o mi sc h o s e na st h ep o w e r a m p l i f i e ri nt h es y s t e m r f i dr e a d e ra n t e n n ai si m p l e m e n t e di nm i c r o s t r i p a n s o f f e ms i m u l a t i o nh f s si su s e da sat o o lf o rs i m u l a t i n ga n do p t i m i z i n gt h ea n t e n n a p e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt o t h eo p t i m i z e dr e s u l tg i v e ni nt h eh f s s ，am i c r o s t r i p a n t e n n ai st a i l o r e da n dt e s t e d b a s e do nh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，b o t t o mc o m m u n i c a t i o n s o f t w a r ei sp r o g r a m m e du s i n gv i s u a lc + + u s i n gv i s u a lb a s i cs o f t w a r ef o rc h e c k i n g o nw o r ka t t e n d a n c ei sp r o g r a m m e d a tl a s tas y s t e mf o rc h e c k i n gw o r ka t t e n d a n c e b a s e do nr f i da r c h i t e c t u r ei sr e a l i z e d t h eu h fr f i dr e a d e ri nt h et h e s i si si nc o n f o r m a n c ew i t hp r o t o c o lr e q u i r e m e n t s ， s u c ha si s o18 0 0 0 - 6 c ，e p cg l o b a lc l a s slg e n 2 i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h r e l i a b i l i t ya n dm o d u l a r i z a t i o n t h er e a d e rc a ng e tt o6 4 0 k b p su p l i n k d e m a n d si nt h e p r a c t i c a lu s a g ec a nb em e t a b s t r a c t k e yw o r d s ：9 1 5 m h z ；u h fr f i d ；a r m ；a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 ；r 1 0 0 0 ；m i c r os t r i p a n t e n n a 图目录 图目录 图2 1r f i d 工作原理框图8 图2 2 电子标签内部结构图17 图2 3g 2 电子标签的实物图1 7 图3 19 15 m h zr f i d 硬件设计框图2 0 图3 2 微控制芯片复位部分电路图2 1 图3 3 射频芯片复位电路2 2 图3 4l m 2 9 4 0 5 0 芯片外围电路2 4 图3 5l p 2 9 8 5 芯片外围电路2 5 图3 6l m 2 8 5 2 x 3 3 芯片外围电路2 5 图3 7 温度传感器电路2 6 图3 8u s b 部分原理图2 6 图3 9 串口部分原理图2 7 图3 1 0 射频收发框图2 9 图3 1 1 功放的设计框图3 0 图4 1s s p 端口波形3 3 图4 2 发射通道原理框图3 4 图4 3p a 输入端口回波损耗曲线3 4 图4 。4 发射通道的增益曲线3 5 图4 5 接收原理通道框图3 5 图4 6 天线端口的回波损耗曲线3 6 图4 7 天线端口到r 1 0 0 0 芯片接收端r x 的插损曲线3 6 图5 1 矩形微带贴片天线结构图4 0 图5 2 矩形微带天线的方向图4 1 图5 3 微带天线结构图4 4 图5 4 微带天线仿真模型4 6 图5 5 天线输入端口阻抗仿真波形4 7 图5 6 天线输入端口s 11 仿真曲线4 8 图5 7 天线增益随频率变化仿真曲线4 8 图5 8 天线轴比随频率变化曲线4 9 图5 99 1 5 m h z 天线轴比仿真曲线：5 0 图5 1 0 天线方向性仿真图5 0 图目录 图5 11 天线实物图5 1 图5 1 2 天线输入端口s 1 l 测试曲线5 2 图6 1 底层通信软件流程5 4 图6 2 考勤软件流程图5 6 表格目录 表格目录 表2 1e p c g l o b a lc l a s s lg e n l & g e n 2 标准简介1 2 表2 2e p c g l o b a lc l a s s lg e n l & g e n 2 的主要电气参数区别一1 2 表3 1 微控制芯片引脚供电电压2 3 表3 2r 1 0 0 0 芯片引脚供电电压2 3 表3 3r 1 0 0 0 芯片供电电流2 4 表3 4 外部功放供电电压、电流2 4 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 ：趋直题堕! 旦逮曼鲞婴窒墨送让：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：蕴笾趣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名：势必施导师签名：么铭￥ e ij 朝7 圳甲年易饲孑d 日 超高频r f i d 读写器研究与设计 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景 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 ) 是一种利用射频信号自动识 别目标对象并获得应用的系统。r f i d 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，识别工作无须人工干预，可工作于各 种恶劣环境。r f i d 技术能够识别高速运动物体并同时识别多个标签，操作快捷方 便t 1 2 1 。 从本质上讲，r f i d 是继承了雷达的概念，并在此基础上发展出的一种新技术。 r f i d 技术的发展历程大致可以按照下面的划分【3 ，4 1 ： 1 9 4 0 - - 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术。1 9 4 8 年哈里斯托克曼发表 了“利用反射功率的通讯 ，从而奠定了r f i d 的理论基础。 1 9 5 0 一1 9 6 0 年是早期r f i d 技术的探索阶段，主要工作集中在实验室里的实验研 究。 1 9 6 0 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，人们开始了一些应用性的尝试。 1 9 7 0 - - 1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试 加速发展，并出现了一些最早的r f i d 技术的应用。 1 9 8 0 一1 9 9 0 年，r e i d 技术及产品逐渐开始商业应用，各种规模应用开始出现。 1 9 9 0 - - 2 0 0 0 年，r f i d 产品得到了广泛采用。r f i d 技术标准化问题开始引起重视， r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 0 至今，r f i d 技术的理论得到进一步丰富和完善。r e i d 产品种类更加丰富， 有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断 降低，规模应用行业扩大。特别是世界头号零售商沃尔玛宣布大范围的使用r e i d 和美国军方宣布军需品均使用r f i d 来进行识别和跟踪，极大的推动了r f i d 的研 究和发展。 到现在为止还没有正式的r e i d 产品国际标准，各厂家推出的r e i d 产品互不 兼容，造成了r e i d 产品在不同市场和应用上的混乱和孤立，这势必对未来的r f i d 第1 章绪论 产品互通和发展造成障碍。标准不统一已成为制约r f i d 发展的重要因素之一。不 过目前r f i d 存在三个主要的技术标准体系：总部设在美国麻省理工学院( m i t ) 的 a u t o i dc e n t e r ( 自动识别中心_ ) 、日本的u b i q u i t o u si dc e n t e r ( u b i q u i t o u si d 中心， u i c ) 和i s o 标准体系【5 ，6 】。 中国作为世界上最大的产品制造基地，当中国制造的产品远涉重洋走向世界的 时候，在产品中安装的r f i d 标签也必须符合世界通用标准。但是国内由于涉足 r f i d 时间较晚，在标准制定、技术储备和人才培养等方面与国外存在着较大的差 距。2 0 0 4 年2 月，中国国家标准化管理委员会宣布成立电子标签国家标准工作组， 负责起草、制定中国有关电子标签的国家标准。2 0 0 4 年4 月，中国企业分别加入 e p cg 1 0 b a l 和日本的u i d ，同时e p cg 1 0 b a lc h i n a 和u i d 中国中心成立。2 0 0 6 年， 中国科技部宣布，在“十一五期间，将在“射频识别( i 强i d ) 技术与应用”领域 拨款一亿两千八百万，力争实现中国r f i d 领域技术突破与自主创新【7 - 9 。 随着r f i d 技术的应用渐趋成熟，它正被广泛地普及应用。由于射频识别技术 在众多领域如物流、公路和铁路交通、邮政、货运、智能建筑及小区物业管理、 工业生产线、饲养业等方面都有着很大优点。所以，在北美、欧洲、大洋洲、亚 太地区等都得到广泛的应用。典型的应用领域包括【1 0 , 1 1 j ： ( 1 ) 铁路车号自动识别系统( a t i s ) 车号自动识别系统( a t i s ) 是在列车运行过程中，采用射频微波反射调制和计算 机处理技术，正确地识别出机车、车辆的标识信息，并提供给t m i s ( 铁路运输管 理信息系统) 、d m i s ( 铁路调度指挥管理系统) 、车辆管理信息等系统，建立铁路车 号、车次信息自动化采集报告体系，实现对全路车、列机车、车辆实时追踪管理。 a t i s 系统工作频段是9 0 2 一- 9 2 8 m h z ，读写距离能够达到0 6 - 3 m ，方案的优点是 铁路系统已经上了g s m 9 0 0 数字蜂窝移动台系统，它的工作频段为发送：8 8 5 9 1 5 m h z 、接收：9 3 0 - - 一9 6 0 m h z 。采用此频段不用再申请其他频段，不用支付额外 的开销，采用此频段r f i d 技术的最大读写距离一般为0 6 - - 3 m ，不会影响g s m 9 0 0 数字蜂窝移动台系统的正常工作。目前美国a m i e c h 公司已开发出类似系列产品 并在全球普遍使用。 超高频r e i d 读写器研究与设计 ( 2 ) 公路不停车收费系统( e 1 c ) 不停车收费系统是借助收费系统的各种硬件和处理软件来辨别车辆信息以实 现正确收费的系统。在每个收费车道上方的中心位置安装射频天线，连接到控制 车载应答器和车道内天线间通信的读写器上。读写器通过天线向应答器发射信号， 激活应答器开始进行短程( 通简信称d s r c ) 交换信息。装备在车上的应答器( 电子标 签或射频卡) 向读写器传送识别信息，如i d 号码、车型、车主等，同时还可以传递 一些其他的信息( 如账户余额信息、过境地点) 等。读卡器接收和处理这些信息并进 行收费，同时也反馈回修改信息对电子标签的相关数据进行修改。这一技术甚至 允许车道设备向配备有显示器的读写器发送交通管理信息，这就使得不停车收费 系统拥有城市交通管理和控制的潜在能力e t c 系统采用短距离微波通信( d s r c ) 的频段为5 7 9 5 5 8 1 5 g h z ，读写距离可达十几米，存储容量为1 6 - 1 2 8 k b i t 。缺 点是为了保证远距离的读写数据需采用电池供电。目前瑞典的康比特公司有类似 产品在国内使用。 ( 3 ) 仓库管理系统 对于大型仓库存储基地来说，数以万计的存储种类、产地、批次、货架、库存 等大量信息靠人工记录不仅麻烦而且容易出错。采用r f i d 技术就能够有效地解决 仓库货物信息管理问题，它能实时地了解货物的位置、存储的情况和货物自身的 任何信息。对于提高仓库存储效率、反馈产品信息和指导生产都有很重要的意义。 此系统也可用于大型的邮政速递管理信息系统。 ( 4 ) 电子防盗系统 采用自动识别技术的电子防盗系统，将使车辆置于本地监视系统之下，从而有 效地防范车辆被盗。将应答器封装到汽车的钥匙中，当钥匙插入点火器中，安置 在点火器中读写器的天线和应答器线圈之间产生电感耦合。通过电感耦合为应答 器馈送能量，应答器可以与读写器交换数据，对钥匙的身份进行鉴别。如果读写 器接收不到应答器发送过来的特定的信号，中心控制器就会关闭汽车引擎，同时 发送报警信号给报警系统。电子防盗器使用的典型频率为低频波段1 0 0 1 3 5 k h z ， 数据调制方式为a s k 方式。 第1 章绪论 ( 5 ) 动物识别 射频识别技术也可以应用在饲养业上，可以用来标识动物、记录和控制瘟疫等。 可以采用项圈式应答器、耳环式应答器、可注射式应答器和药丸式应答器的方式， 用便携式读写器跟踪动物就可以记录动物的信息。 ( 6 ) r f i d 卡 无纸币交易越来越时尚，而接触式i c 卡使用不方便，采用r f i d 技术的金融 卡适用范围广，而且可以加密，将越来越方便、安全、可靠。目前r f i d 卡可以用 作付款工具( 公共交通卡、食堂就餐卡) 、用于认证( 工作卡、医疗保险卡、通行证) ， 它还可以替换目前广泛使用的接触式i c 卡( 电话卡、银行卡等) 。 目前国内r f i d 成功的行业应用有中国铁路的车号自动识别系统，其影响领域 已经涉及到铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统等。正 在推广的应用领域还有第二代电子身份证、电子车牌、铁路行包自动追踪管理。 1 2 本课题研究的意义 随着技术的进步，r f i d 应用领域日益扩大，现己涉及到人们日常生活的各个 方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。埃森哲实验室首席科学家弗 格森认为r f i d 将是一种突破性的技术：“第一，可以识别单个的非常具体的物体， 而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外 部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时识别多个物 体，而条形码只能一个一个地读取。此外，储存的信息量也非常大【2 】 。 在标签领域，条码技术已非常成熟并得到广泛应用，但是由于受其存储空间的 限制，条形码通常只能标识产品类型。而r f i d 标签与传统的条形码相比，具有以 下一些优势【1 , 1 0 4 2 1 ： ( 1 ) 读取速度快 条形码一次只能对一个条形码进行扫描；而r f i d 可在瞬间识读成百上千件物 品的标识信息取，从而大大提高了工作效率。 ( 2 ) 体积更小、形状多样 超高频r f i d 读写器研究与设计 r f i d 在读取上可以不受尺寸大小与形状限制，可往小型化与多样形态发展， 以应用于不同产品，标签可以做成条状、卡状、环状和钮扣状等多种形状。 ( 3 ) 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此很容易受到污染；标签对水、油和化学药品等 物质具有很强抵抗性。 ( 4 ) 可重复使用 现今的条形码印刷到标签上之后就无法再更改；标签则可以重复地新增、修改、 删除r f i d 卷标内储存的数据，方便信息的更新。 ( 5 ) 工作距离远 在对传统条形码进行读取的时候，必须使条码与读写器紧密接触，从而增大了 对物品管理的难度；r f i d 可通过天线读取一定距离范围之内的标签，从而实现对物 品的远距离管理。 ( 6 ) 穿透性和无屏障阅读 在标签被覆盖的情况下，r f i d 也能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透 明材质；而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以正确 识读条码。 ( 7 ) 数据的存储容量大 一维条形码的容量是5 0 b y t e , s ，二维条形码最大的容量可储存2 至3 0 0 0 字符， r f i d 最大的容量则有数m b 。未来物品所需携带的资料量将会越来越大，对卷标 所能扩充容量的需求也就相应地增加，可以实现对单件物品的全过程管理与跟踪， 克服条码只能对某类物品进行管理的局限。 ( 8 ) 工作环境适应性强 r f i d 系统更能适用于不同的环境，包括磁卡、i c 卡不能适用的恶劣环境，比 如公共汽车的电子月票、食堂餐卡等。 ( 9 ) 安全性 由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易 被伪造及修改，从而提高了数据传输的安全性。 第1 章绪论 综上所述，r f i d 相对与传统的条形码，具有十分明显的优势，将来必然会代 替传统的条形码。 r f i d 技术已经开始成熟并且逐步具备了走向实际应用的能力，同时正在使用 的自动识别技术( 例如条码技术) 已经无法满足人们更高的要求。目前，射频识 别技术主要的应用领域包括：身份识别和门禁管理；防伪应用；商业供应链应用； 公交管理( 主要涉及电子车票、不停车收费、车辆管理) ；物流管理；生产线的 自动化及过程控制；动物的跟踪和管理等【。 据业内人士预测，r f i d 的市场在未来5 年内能达到数千亿美元的市场空间。 这个数字或许存在一定水分，但是r f i d 将膨胀为一个巨大的市场却毫无疑问【1 2 1 。 本文要研究的是9 1 5 m h zr f i d 系统，此系统比起1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 等低频 段的系统具有识读距离远、数据传输快、实现在很短的时间内识读多目标，可以 在物流仓储管理、不停车收费等很多领域得到使用。 1 3 本文章节的安排和作者的主要工作 本文旨在研究符合e p cg l o b a lc l a s s lg e n 2 、i s 0 1 8 0 0 0 - 6 c 标准的u h fr f i d 系统，选择合适的芯片系统硬件平台，在硬件的基础上编程完成系统的设计。 本文的主要章节顺序如下： 第l 章是绪论，主要介绍本课题的选题背景、意义以及设计的课题计划和安排。 第2 章介绍r f i d 的基本原理，包括r f i d 系统的工作原理、系统的分类，r f i d 的技术标准，以及防碰撞技术等 第3 、4 章分别是r f i d 的硬件电路的设计与调试，分为基带和射频两大部分。 第5 章为仿真设计9 1 5 m h zr f i d 微带天线，并且制作加工。 第6 章是系统底层和上层软件设计。 最后作出了课题总结。 在课题的研究期间，作者主要完成的工作如下： 1 仔细阅读e p cg l o b a lc l a s s lg e i l 2 、i s 0 1 8 0 0 0 6 c 标准。 2 确定r f i d 读写器设计的总体方案，并做可行性、成本分析。 超高频r f i d 读写器研究与设计 3 制定详细的设计方案和测试方案。 4 以a t m e l 公司的a r m 芯片a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 为微控制芯片，i n t e l 公司的r 1 0 0 0 射频收发芯片，m a c o m 公司射频放大芯片m a a p 一0 0 7 6 4 9 0 0 0 10 0 搭建硬 件平台。 5 设计电路板，焊接、调试电路板。 6 设计9 15 m h z 射频识别微带天线。 7 编写底层通信程序、设计上层的考勤软件。 第2 章r f i d 基本原理 第2 章r f ld 基本原理 2 1r fid 技术概述 射频识别技术是通过发射接收射频信号来识别特定目标并读写相关数据，而无 需识别系统与特定目标建立机械或者光学接触。射频识别技术包括一整套的信息 技术基础设施，系统中的关键设备包括：读写器、天线、电子标签【l 引。 读写器是用于阅读、以及向标签写入数据的装置，一般读写器是针对电子标 签设计的，主要功能是查阅电子标签存储的信息，向电子标签中写入数据，修改 电子标签的数据信息。 天线是与读写器连接、向电子标签发送信号，并从电子标签接收返回的信号。 电子标签主要是由存储设备、逻辑电路、收发天线，现在多数电子标签大部分 是无源的，使用时的能量主要是来源于天线发射的电磁波能量。 2 1 1r f id 系统工作原理 r f i d 技术的基本工作原理是利用空间电磁波的耦合或者传播来进行通信，达 到自动识别被识别对象，获取识别对象相关信息的目的。典型的工作方法如图2 1 所示，读写器模块通过天线发送一定频率的射频信号；当贴有电子标签的物体进 入无线识别系统读写器的识读范围时，其天线将产生感应电流，电子标签获得能 量被激活并向读写器发送自身的编码等信息；读写器接收到电子标签发射回来的 电磁波信号后，经过处理得到电子标签存储的代码等信息；这些信息可以作为物 体的特征数据被传送到计算机进一步处理【1 2 】。 i 标签皤= = = = = 刮天线崮读剿国删单元 图2 1r f i d 工作原理框图 f i g 2 1t h eb l o c ko f r f i d 超高频r f i d 读写器研究与设计 下面主要介绍e p c g l o b a lc l a s s lg e n 2 标准的通信过程，符合此标准的通信过 程为半双工通信方式，即指：当电子标签( t a g ) 在反向散射其信息时不会同时解调 读写器( r e a d e r ) 发送过来的命令。读写器和电子标签的实际通信过程如下【1 4 , 1 5 ： 首先，读写器发送命令字给电子标签，电子标签从接收到的r f 信号中接收命 令，同时提取电子标签工作需要的能量。 其次，电子标签解调命令并准备要反射的信息。 最后，读写器发送未经调制的连续载波( c w ) 信号，电子标签将要反射的信 号调制到c w 上发射给读写器。 从上面的通信过程中，可以看到读写器在接收电子标签发送回来的数据时要发 送c w 信号为电子标签提供能量，那么接收到的微弱信号将淹没在大功率的发射 信号中，如果采取包络检波的方式解调接收到的信号是不合适的，应该采取相干 解调的方法，作者采用的r 1 0 0 0 射频芯片正是通过同步正交解调方法来完成的。 读写器和电子标签之间的能量传递方式分为电感耦合或电磁耦合两种：电感耦 合即变压器模型，依据的是电磁感应定律，通过交变磁场实现耦合，一般使用于 中、低频工作的近距离射频识别系统，典型工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 、 1 3 5 6 m h z ，识别作用的距离小于l m ，典型作用距离为1 0 2 0 c m ；电磁耦合或者电 磁反向散射耦合，即所谓的雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标电子标签 后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，电磁反向散射 耦合方式一般适用于高频、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 ，识别的作用距离大于l m ，典型的作用距 离为3 1 0 m ，本文介绍的r f i d 系统就是利用电磁反向散射耦合方式来实现的，典 型的传输距离可以达到1 0 m 左右。 2 1 2r fid 系统分类 根据不同的分类标准，r f i d 系统可以有多种不同的分类【1 3 , 1 6 , 1 7 】： ( 1 ) 有源、无源、半有源系统： 根据标签供电的形式不同，r f i d 系统可分为有源、无源、半有源系统，主要 依据射频标签工作所需能量的供给方式。有源系统的标签使用标签内的电池来供 第2 章r f i d 基本原理 电，系统识别的距离较长，但其寿命有限并且成本高。无源系统的标签内没有电 池，由读写器发射的电磁场能量、体积小、寿命长、成本低。半有源系统标签内 带有电池，但是电池只是起激活系统的作用。电子标签一旦被激活，就无需电池 供电，即可进入无源电子标签工作模式。 ( 2 ) 主动、被动、半主动式系统： 根据调制方式不同，r f i d 系统可以分为主动式、被动式和半主动式系统。一 般来讲，无源系统为被动式，有源系统为主动式，半有源系统为半主动式。主动 式射频识别系统用自身的射频能量主动发送数据给读写器，调制方式为调幅、调 频或者调相。被动式射频识别系统使用反向散射调制的方式发送数据，它必须利 用读写器提供的未经调制的连续载波来调制自己的信号。半主动式射频识别系统 也称为电池支援式反向散射调制系统。电子标签内部的电池只起到对电子标签内 部数字电路供电的作用，但是标签并不通过自身能量主动发送数据，而是在标签 被激活后，通过反向散射调制方式传送自身的数据。 ( 3 ) 低频、高频、超高频和微波系统： 根据r f i d 的工作频率不同，基本上分为：低频( l f ，3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( 耶， 3 - 3 0 m h z ) 、超高频( 1 j 1 ，3 0 0 9 6 8 m h z ) 和微波( 州晒，2 4 5 5 8 g h z ) 。门禁 和安全管理系统的应用是低频r f i d 系统的主要应用之一，公交i c 是高频r f i d 系统的主要应用之一，供应链上的管理和应用是超高频r f i d 系统的主要应用之 一o 2 2r fid 技术标准介绍 r f i d 标准体系是将射频识别技术作为一个大的系统，并形成一个完整的标准 体系。由于目前还没有正式的r f i d 产品的国际标准，因而各个厂家推出的r f i d 产品互不兼容，造成r f i d 产品在市场和应用上的混乱与孤立，这势必对未来的 r f i d 产品互通造成障碍【引。 由于r f i d 应用牵涉到众多的行业，因此其相关的标准非常复杂。从类别看， r f i d 标准分为以下四类：技术标准( 如r f i d 技术) 、数据内容与编码标准( 如 超高频r f i d 读写器研究与设计 编码格式、语法标准等) 、性能与一致性标准( 如测试规范等) 、应用标准( 如 船运标签、产品包装标准等) 1 3 】。 具体的来讲，r f i d 相关的标准涉及到电气特性、通信频率、数据格式和元数 据、协议安全、安全、测试、应用等方面。 目前，国际上已经形成了五大标准组织，分别代表不同团体或国家的利益【l 】。 1 e p c g l o b a l e p c g l o b a l 是由美国统一代码协会( u c c ) 和国际物品编码协会( e a n ) 于2 0 0 3 年 9 月共同成立的非营利性组织，其前身是1 9 9 9 年1 0 月1 日在美国麻省理工学院成 立的非营利性组织a u t o i d 中心。 e p c g l o b a l 在规范r f i d 应用方面所发挥的作用越来越明显。e p c g l o b a l 所做出 的主要贡献包括：提出电子代码( e p c ) 概念及其格式规划，为简化电子标签芯片 功能设计、降低标签成本、扩大r f i d 应用领域奠定了基础；提出实物互联网的概 念及构架，为e p c 进入互联网搭建桥梁；建立了开放性的国际自动识别技术与应 用技术研究平台，为推动低成本的r f i d 标签和读写器标准化研究开创了条件。 e p c g l o b a l 以创建“物联网 为使命，与众多成员企业共同制订一个统一的开 放技术标准。旗下有沃尔玛集团、英国t e s c o 等1 0 0 多家欧美的零售流通企业，同 时有i b m 、微软、飞利浦、a u t o i dl a b 等公司提供技术研究支持。 目前e p c g 【o b a l 己在加拿大、日本、中国等国建立了分支机构，专门负责e p c 码段在这些国家的分配与管理、e p c 相关技术标准的制定、e p c 相关技术在本国 的宣传普及以及推广应用等工作。 e p c g l o b a l “物联网”体系架构由e p c 编码、e p c 标签及读写器、e p c 中间件、 o n s 服务器和e p c i s 服务器等部分构成。 e p c 赋予物品惟一的电子编码，其位长通常为6 4 位或9 6 位，也可扩展为2 5 6 位。对不同的应用规定有不同的编码格式，主要存放企业代码、商品代码和序列 号等。最新的g n e 2 标准的e p c 编码可兼容多种编码。 e p c g l o b a l 于2 0 0 4 年4 月发布第一代r f i d 技术标准，包括e p c 标签数据规 格、超高频c l a s s 0 和c l a s s l 标签标准、高频c l a s s l 标签标准以及物理标示语言内 第2 章r f i d 基本原理 核规格。表2 1 、表2 2 分别列出了e p c g l o b a lc l a s s lg e n l & g e n 2 标准和主要电气 化参数。 表2 1e p c g l o b a lc l a s s lg e n l & g e n 2 标准简介【1 4 1 5 1 t a b 2 1b r i e f i n t r o d u c t i o no f e p c g l o b a lc l a s s lg e n l & g e n 2s t a n d a r d 【5 】 北美欧洲新加坡日本韩国澳大阿根廷新西兰 利亚巴西 带宽 9 0 2 98 6 6 8 68 6 6 - 8 6 99 5 0 9 5 69 0 8 59 1 8 99 0 2 9 2 88 6 4 9 2 9 ( m n z ) 2 88 9 2 3 9 2 5 9 1 42 6 功率 4 w2 w0 5 w4 w2 w4 w4 wo 5 _ 4 w e 时e r pe r pe 强e r p e i r p e i r pe 冲 信道数 5 01 01 01 22 01 65 0 注：( 1 ) e i r p ：e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ，主要用在美国，单位瓦特 ( 2 ) e r p ：e f f e c t i v er a d i a t e d p o w e r ，主要用在欧洲，单位瓦特 表2 2e p c g l o b a lc l a s s lg e n l & g e n 2 的主要电气参数区别1 5 】 t a b 2 2d i f f e r e n c eo f m a i ne l e c t r i cp a r a m e t e ro f e p c g l o b a lc l a s s lg e n l & g e n 2 t 1 4 1 5 】 g e n lg e n 2 调制方式r - t ，a s k ，调制度3 0 1 0 0 r = t ，d s b - a s k ，s s b - a s k ， t - r ，a s kp r a s k ，调制度8 0 1 0 0 ，典 型值为9 0 。 t _ r ，a s k 或者p s k 信源编码r 纠，p w m r 冷t ，p i e 1 r - r ，p w mt - r ，f 1 0 m i l l e r 数据速率l t ，美国：7 0 1 8 k b p s ；欧洲： r 寻 t ，2 6 7 k b p s - 12 8 k b p s 1 5 k b p s t 2 r ，f m 0 = 4 0 k b p s - 6 4 0 k b p s ； t = r ，美国：1 4 0 3 5 k b p s ；欧洲： m i l l e r ：5 k b p s 一3 2 0 k b p s 3 0 k b p s 2 u b i q u i t o u si d 日本在电子标签方面的发展，始于2 0 世纪8 0 年代中期的实时嵌入式系统 t r o n 。t e n g i n e 是其中核心的体系架构。t e n g i n e 论坛领导下，u b i q u i t o u si d 中 心于2 0 0 3 年3 月成立，并得到日本政府经产省和总务省以及大企业的支持。 超高频r f i d 读写器研究与设计 目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、k d d i 、j - p h o n e 、 伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量级企业。 u b i q u i t o u si d 中心的泛在识别技术体系架构由泛在识别码( u c o d e ) 、泛在通信 器、信息系统服务器和u c o d e 解析服务器等四部分构成。 u c o d e 是识别对象不可缺少的要素，i d 则是识别对象身份的基础。u c o d e 是 在大规模泛在计算模式中识别对象的一种手段。u c o d e 采用1 2 8 位记录信息，提 供了3 4 0 1 0 3 6 编码空间，并可以以1 2 8 位为单元进一步扩展至2 5 6 、3 8 4 或5 1 2 位。 泛在通信器主要由i c 标签、标签读写器和无线广域通信设备等部分构成，用 来把读到的u c o d e 送至u c o d e 解析服务器，并从信息系统服务器获得有关信息。 妒息系统服务器存储并提供与u c 。d e 相关的各种信息。 u c o d e 解析服务器确定与u c o d e 相关的信息存放在哪个信息系统服务器上。 u c o d e 解析服务器的通信协议为u c o d er p 和e t p ( e n t i t yt r a n s f e rp r o t o c o l ，实体 传输协议) ，其中e t p 是基于e t r o n ( p k i ) 的密码认证通信协议。 3 国际标准化组织( i s o ) 国际电工委员会( i e c ) 国际标准化组织( i s o ) 是世界上最大的、最有权威性的非政府性国际标准化专 门机构。国际电工委员会( i e c ) 成立于1 9 0 6 年，是世界上成立最早的国际化电 工标准机构。负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标准化工作。 i s o 标准的范围