（电气工程专业论文）rfid智能卡可靠性试验评价技术的研究.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 sac o n t a c t l e s sa u t o m a t i ci d e n t i n c a t i o n t e c h n o l o g y ，w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo fr a d i os i g n a la n ds p a c ec o u p l i n g ( i n d u c t a n c eo r e l e c t r o m a g n e t i s mc o u p l i n g )t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ct oi d e n t i f yo b i e c t s t h e r f i ds m a r tc a r dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a uv o l u m e ，1 a r g ec a p a c i t y ，l o n g l i f e ， r e p e a t e du s i n ga n ds oo n i ts u p p o r t sr a p i dr e a d i n g w r i t i n g ，i n v i s i b l ei d e n t i 行c a t i o n ， m o v i n gi d e n t i f y i n g ，m a n yo b j e c t si d e n t i f y i n g ，o r i e n t a t i o n ，t r a c k i n ga n dm a n a g e m e n t i nal o n gp e r i o d i th a saw i d ea p p l i c a t i o no u t l o o k t h i st h e s i sc o m b i n e st h e8 6 3 k e yp r o j e c t 一1 b s tt e c h n o l o g yo fr f i ds y s t e ma n d c o n s t r u c t i o no fi t s o p e np l a t f b r m ， m a k i n gd e e p r e s e a r c ho nt h e r e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n ，f e l i a b i l i t yt e s t sa n df u n c t i o ni na p p l i c a t i o no fr f i ds m a r tc a r d t h i st h e s i sr e p r e s e n t st h em e t h o dt op r e d i c tt h e “f eo fr f i ds m a r tc a r d ，a n d e s t a b l i s h e st h er e l i a b i l i t yp r e d i c t i o nm o d e lo fr f i ds m a r tc a r df u n c t i o nb l o c kb o t h l n o p e r a t l o ns t a t u sa n dn o n 。o p e r a t i o ns t a t u s i nt h i s w a y ， i t p r o v i d e sq u a n t i t y a n a l y s i sr e s u l tt ot h er f i 【) s m a r tc a r dr e s e a r c hp r o g r e s sw h i c ha v o i d st e c h n i q u e m e a s u r e sm u s tb et a k e nf o rr e l i a b i l i t yo rr e p a i r ，o rh i g h l yr e d u c e st h ec o s ta n dt i m e f o ft a k i n gb l i n da c t i o n s t h i st h e s i sr e p r e s e n t st h er e l i a b i l i t yt e s t sa n d p h y s i c a ld a m a g ea n a l y s i s ( d p a ) t e s t s t h er e l i a b i l i t yt e s t sc a ne v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo fs m a r tc a r df u l l ya n d s c i e n t i 6 c a u y t h ed f at e s t sc a nr e v e a lt h ed e f e c t so fs m a r tc a r dd e s i g n ，s ow ec a n d oa v a i l a b l ec h a n g e sa c c o r d i n gt ot h ed e f e c t st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs m a n c a r d t h i st h e s i sa n a l y z e st h er e l i a b i l i t yo fs m a r tc a r di nd e t a 订sw h e nw eu s ei t w e m a k ed e e pr e s e a r c ho nt h eo p e r a t i o nf l r e q u e n c y ，o p e r a t i o n r a n g e ，a n g l e ，m o v i n g s p e e d ， a n t i c o l l i s i o na n de f f e c to fm e t a lm a t e r i a l ， o v e r l a p p i n go fs m a r tc a r d ， e s p e c i a l l yt h ea n t i c o l l i s i o na r i t h m e t i co fs m a r tc a r di nf r e q u e n c y8 6 0 9 6 0 m h z t h e t h e s i sr e p r e s e n t st h et e s tp l a nt oe v a l u a t et h er e a d i n gr e l i a b i l i t yo fs m a r tc a r di n a p p l i c a t i o n t h ec u s t o m e r sc a nc h o o s es u i t a b l er f i ds m a r tc a r dt oa s s u r eh i g h r e a d i n gr e l i a b i l i t ya c c o r d i n gt ot h ee n v i f o n m e n ta n dr e q u i r e m e n t so fr f i ds y s t e m k e yw o r d s ： 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 ； s m a r tc a r d ； r e l i a b i l i t y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：易磅年驷乡汨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 诌蜇 日期：2 讲4 月弓d 日 日期：溯年4 膨i 日 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t 讯c a t i o n ，r f i d ) 技术，是一种利用射频通信 实现的非接触式自动识别技术。r f i d 智能卡具有体积小、容量大、寿命长、可 重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位 及长期跟踪管理。r f i d 技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内 物品跟踪与信息共享。r f i d 技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可 大幅提高管理与运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善和成熟，r f i d 产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点。因此，研究 r f i d 技术，发展r f i d 产业对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提 高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面产生深远影响，具有战略性的 重大意义。 二十世纪九十年代以来，r f i d 技术得到了快速的发展。经济发达国家和地 区已经将其应用于很多领域，并积极推动相关技术与应用标准的国际化。近年来， 中国已初步开展了r f i d 相关技术的研发及产业化工作，并在部分领域开始应用， 但相对基础薄弱，缺乏核心技术，应用分散，不具备规模优势。 我国在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施计划，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级工程，由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅 猛，目前r f i d 智能卡技术作为一种新兴的自动识别技术，也正在我国很快地普 及应用于各行各业，在民用产品方面典型的产品有第二代居民身份证和交通卡 ( 非接触式i c 卡) ，其产品的可靠性评价试验刚刚完成。与国外相比，我国的r f i d 技术应用的普及率、r f i d 芯片技术等方面还是有比较明显的差距，芯片的功耗、 单芯片成本、功能扩展、芯片测试及应用中的可靠性问题都有待进一步的研究。 1 2r f i d 技术发展的现状与趋势 1 2 1r f i d 技术发展现状 r f i d 技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但 是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。r f i d 技术的发展可按1 0 年期 划分如下1 ： 1 9 4 1 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 年奠定了r f i d 技术的理论基础。 r f i d 智能卡叮靠性试验评价技术的研究 1 9 5 l 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1 9 6 1 l9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 1 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 术测试得到加速，出现了一些最早的r f i d 应用。 1 9 8 l 19 9 0 年，r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出 现。 1 9 9 1 2 0 0 0 年，r f l d 技术标准化问题同趋得到重视，r f i d 产品得到广泛 采用，r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 1 至今，标准化问题同趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源 电子智能卡、无源电子智能卡及半无源电子智能卡均得到发展，电子智能卡成本 不断降低，规模应用行业扩大。 近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，r f i d 技术进入商业化应用阶段。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识 别等特点，r f i d 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是2 1 世纪的最 有发展前途的信息技术之一。 r f i d 技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、 瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。其中，低频近距离 r f i d 系统主要集中在1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 系统；高频远距离r f i d 系统主要集 中在u h f 频段( 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z _ ) 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。u h f 频段的远距 离r f i d 系统在北美得到了很好的发展：欧洲的应用则以有源2 4 5 g h z 系统得到 了较多的应用。5 8 g h z 系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源r f i d 系统。 目前r f i d 智能卡天线制造以蚀刻冲压天线为主，其材料一般为铝或者铜， 随着新型导电油墨的开发，印刷天线的优势越来越突出。r f i d 智能卡封装以低 温倒装键合工艺为主，也出现了流体自装配、振动装配等新的智能卡封装工艺。 中国低成本、高可靠性的智能卡制造装备和封装工艺正在研发中。 1 2 2r f i d 技术发展的趋势 近年来，r f i d 技术已经在社会众多领域开始应用，对改善人们的生活质量、 提高企业经济效益、加强公共安全以及提高社会信息化水平产生了重要影响。根 据预测，r f i d 智能卡技术将在未来逐渐开始大规模应用。在未来的几年中，r f i d 技术将继续保持高速发展的势头。电子智能卡、读写器、系统集成软件、公共服 务体系、标准化等方面都将取得新的进展。随着关键技术的不断进步，r f i d 产 品的种类将越来越丰富，应用和衍生的增值服务也将越来越广泛。 r f i d 芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读 写速度与可靠性更高，成本不断降低。芯片技术将与应用系统整体解决方案紧密 硕士学位论文 结合。 r f i d 智能卡封装技术将和印刷、造纸、包装等技术结合，导电油墨印制的 低成本智能卡天线、低成本封装技术将促进r f i d 智能卡的大规模生产，并成为 未来一段时间内决定产业发展速度的关键因素之一。 r f i d 技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面r f i d 的成功应 用反过来又极大地促进了应用需求的扩展。从技术角度说，r f i d 技术的发展体 现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，r f i d 技术的发展目的在于不断满 足日益增长的应用需求。 1 3r f i d 智能卡可靠性的重要性 产品可靠性是全面质量管理所涉及的主要领域之一。一个可靠的产品应该是 在整个使用期间能够执行设计要求功能的产品，可靠性是一种质量特性，它体现 了当今的购买者对产品的一种主要要求。可靠性是一种综合性的技术，应该从成 本性能、顾客的要求及公司的水平等方面综合考虑。r f i d 智能卡是r f i d 系统 中数据载体，是系统的核心部分之一。为了在识别过程中能够正确有效的识别所 需的信息，就要保证所使用的智能卡产品有较高的可靠性和良好的性能，从而满 足用户的需求。因此，我们需要从智能卡设计、成品及实际应用进行分析，使整 个流程中保证智能卡有较高的可靠性，使整个r f i d 系统能够正常运转。 1 4 本文的设计思想及主要内容 r f i d 系统中，其数据载体一一智能卡射频卡是近年来研究的重点。为了保 证r f i d 系统中数据能够保存足够长的时间，方便用户随时写入和读取，具有高 可靠性的智能卡是关键因素。为了保证智能卡具有较高的可靠性，我们必须从其 设计、成品及实际使用过程中满足其高可靠性的要求。这就要求我们充分了解智 能卡的结构、工作原理和使用环境，从而在设计之初起就保证其具有高的可靠性。 在智能卡的设计之初，要了解其结构和功能，保证每个单元都具有较高的可 靠性。通过理论设计，我们能对所要设计的智能卡进行可靠性估计，预计其寿命： 对生产出来的智能卡成品，充分考虑其使用环境是一个重要的问题。通过一系列 的试验来模拟其使用过程中可能遇到的环境条件和应力( 包括高温、低温、潮湿、 电磁场、冲击、振动等) ，来判断其是否具有较高的可靠性，这也是评价所生产 的一个批次的智能卡是否具有较高可靠性的十分有效的途径；对于实际使用中的 智能卡，为了保证智能卡的读取满足用户的要求，则要对智能卡的使用进行全面 评价( 包括工作范围、角度、移动速度、冲突等) 。 本论文所做的工作包括： r f i d 智能卡可靠性试验评价技术的研究 1 了解智能卡内部结构及其工作原理，在设计之初对智能卡功能模块进行 整体可靠性预计，使其满足较高的可靠性要求。 2 对于智能卡成品及其电路模块，结合集成电路的测试和相关标准( 如 g j b 5 4 8 a 、m i l s t d - 8 8 3 g 等) ，进行一系列的可靠性试验，制定试验的具体方 案，保证生产批次的智能卡具有较高的可靠性。 3 对智能卡的使用中的可靠性读取进行研究，包括工作范围、角度、移动 速度、多个智能卡的读取及冲突、重叠的测试。着重研究了具有代表性的 8 6 0 9 6 0 m h z 智能卡防冲突算法。通过以上研究和测试，评价r f i d 系统读取率， 为用户实际应用提供重要的参考依据。 硕士学位论文 第2 章射频识别技术及智能卡 2 1 射频识别技术概述 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 nr f i d ) 是一种非接触的自动识 别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实 现对被识别物体的自动识别。作为条形码的无线版本，r f i d 技术具有条形码所 不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、智能卡上数据可以加 密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，已经被世界公认为本世纪十 大重要技术之一，在生产、零售、物流、交通等各个行业有着广阔的应用前景。 一个最基本的r f i d 系统，一般包括以下几个部份：一个载有目标物相关信 息的智能卡、在读写器及r f i d 单元间传输r f 信号的天线、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。智能卡、 天线、读写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。( 在以上基本配置之外，还应包括相应的应用软 件) 。 由于r f i d 的应用层面已经越来越普遍，已逐渐成为企业提高物流供应链管 理水平、降低成本、企业管理信息化、参与国际经济大循环、增强竞争能力不可 缺少的技术工具和手段。目前全世界已经安装了约5 0 0 0 个r f i d 系统，但主要用 于宠物与野生动物跟踪、公路和停车收费等有限的领域。但事实上，r f i d 还有 望在高速公路自动收费及交通管理、门禁保安、r f i d 卡收费、生产线自动化、 仓储管理、汽车防盗、防伪、电子物品监视系统、火车和货运集装箱的识别、物 流管理、生产线追踪等领域大展身手；门禁控制、电子报站系统、航空包裹识别、 汽车防盗器、文档追踪管理、包裹追踪识别、畜牧业、后勤管理、移动商务、产 品防伪、运动计时、票证管理中也将得到广泛应用。 2 2 射频识别技术的基本原理 最基本的射频识别系统由三部分组成： 1 智能卡射频卡( t a g ，即应答器) ：由耦合元件及芯片组成，智能卡含有内 置天线，用于和读写器天线问进行通信。 2 读写器：读取( 在读写卡中还可以写入) 智能卡信息的设备。 3 天线：在智能卡和读写器间传递射频信号。 系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当 r f i d 智能卡叮靠性试验评价技术的研究 智能卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，智能卡获得能量被激活；智能卡 将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从智能卡 发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调 和解码，然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合 法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 不同的射频识别系统虽然在耦合方式( 电感一电磁) 、通信流程( f d x ，h d x ，s e q ) ， 数据传输方法( 负载调制、反向散射、高次谐波) 以及频率范围等方面有根本的区 别，但所有的读写器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似。所有 读写器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。 高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动智能 卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给智能卡；接收并解调来 自智能卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异。 读写器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统 软件发来的命令；控制与智能卡的通信过程( 主一从原则) ；信号的编解码。对一 些特殊的系统还有执行防碰撞( 防冲突) 算法，对智能卡与读写器问要传送的数据 进行加密和解密，以及进行智能卡和读写器问的身份验证等附加功能。 射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统 的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响智能卡读写距离的 因素包括天线工作频率、读写器的r f 输出功率、读写器的接收灵敏度、智能卡 的功耗、天线及谐振电路的q 值、天线方向、读写器和智能卡的耦合度，以及智 能卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是 不同的，写入距离大约是读取距离的4 0 8 0 比3 。 典型的射频识别系统见图2 1 。智能卡的电气部分由天线和专用集成电路组 成。卡内的天线是几组绕线线圈，适合封装到卡片中，卡片的专用集成电路由一 个高速的r f 接口、一个控制单元和一个e e p r o m 组成。 圈；眦i 网i 垦 ；l 一 潜稍iii 、7 图2 1r f i d 系统工作图 智能卡的读写原理是：读写器向智能卡发射一组固定频率的电磁波，在电磁 波的激励下，l c 谐振电路产生共振( 卡内有l c 串联谐振电路) ，从而使电容内有 了电荷：在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送 到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2 v 时，此电容可作为电源为其他电 硕士学位论文 路提供工作电压，将卡内的数据发射出去或接收读写器的数据髓1 。 2 - 3r f i d 智能卡 2 3 1 智能卡的基本组成结构 r f i d 智能卡电路主要分为天线、高频界面、微控制单元和e e p r o m 四部分， 如图2 2 所示。 图2 2r f i d 智能卡内部结构方框图 其中高频界面中包含有5 个模块：电源产生模块从射频波中产生电路工作电 压；时钟产生模块是一个内置的频率可调的振荡器，提供稳定可调的系统时钟； 保护电路模块可以防止当r f i d 智能卡芯片靠近读写器时，天线上的电压或电源 电压过高而造成损坏；发射和接收电路模块完成读写器与智能卡之间的指令接收 和发射应答信号的双向半双工的通讯联系。微控制单元部分完成智能卡的识别和 执行读写器的指令，主要有防冲突电路、控制逻辑和存储器接口三部分口1 。 e e p r o m 单元主要用于存储数据。e e p r o m 中的数据在卡片失掉电源后、卡片离 开读写器天线的有效工作范围内仍将被保持。用户所要存储的数据被存放在该单 元中。 2 3 2 智能卡的工作原理 从无线信号向智能卡提供电力的原理因使用频带的不同而异。l3 5 6 m h z 以 下的低频带是利用“电磁诱导方式”，而u h f 频带和2 4 5 g h z 频带则是利用“微 波方式”为工作原理的。 “电磁诱导方式 利用线圈间的诱导起电作用产生电流。首先读写器的天线 流过电流，在与线圈垂直的方向上产生磁场。这个磁场被智能卡的天线接收，在 智能卡的线圈里产生电力并形成电流，而电流中含有指令和数据的信息，所以这 种电流不仅能使智能卡上的半导体芯片工作，而且还可以被芯片分理出其信息成 分来。 “微波诱导方式 的情况是利用天线的诱导起电作用产生电流。这个过程类 似于不装有电池的矿石收音机。在矿石收音机里，天线在空中拾取到电波在天线 里形成的含有声音信号的电流。微波方式的智能卡与矿石收音机不同之处在于仅 r f i d 智能卡可靠性试验评价技术的研究 能接受某个固定频带的电波，并且接收到的电波在天线里形成含有数据信号的电 流。在半导体芯片中再将数据成份提取出来。 2 3 3 智能卡的分类 按照不同的方式，智能卡有以下几种方式： 1 根据智能卡工作频率的不同通常可分为低频( 3 0 k h z 3 0 0 k h z ) 、中频 ( 3 m h z 3 0 m h z ) 和高频系统( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 。r f i d 系统的常见工作频率有低频 1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ，中频1 3 5 6 m h z ，高频8 6 0 m h z 9 3 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。 低频系统的特点是卡内保存的数据量较少，阅读距离较短，卡的外形多样，阅读 天线方向性不强等。主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校 园卡、煤气表、水表等；中频系统则用于需传送大量数据的应用系统；高频系统 的特点是智能卡及阅读器成本均较高，智能卡保存的数据量较大，阅读距离较远 ( 可达十几米) ，适应物体高速运动，性能好。阅读天线及智能卡天线均有较强的 方向性，但其天线宽波束方向较窄且价格较高，主要用于需要较长的读写距离和 高读写速度的场合，多在火车监控、高速公路收费等系统中应用。 2 根据智能卡的有源和无源又可分为有源智能卡的和无源智能卡。有源智 能卡使用卡内电流的能量、识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限( 3 1 0 年) ，且价格较高；无源智能卡不含电池，它接收到阅读器( 读出装置) 发出的微 波信号后，利用阅读器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、重量轻、体 积小、寿命长、较便宜，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米，且需要阅读 器的发射功率大。 3 根据智能卡调制方式的不同还可分为主动式( a c t i v et a g ) 和被动式( p a s s i v e t a g ) 。主动式的智能卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，主要用于有 障碍物的应用中，距离较远( 可达3 0 米) ；被动式的智能卡，使用调制散射方式发 射数据，它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号，适宜在门禁或交通的 应用中使用。 4 根据智能卡的不同可分为可读写卡( r w ) 、一次写入多次读出卡( w o r m ) 和只读卡( r o ) 。r w 卡一般比w o r m 卡和r o 卡贵得多，如电话卡、信用卡等； w o r m 卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变，比r w 卡要便宜； r o 卡存有一个唯一的号码，不能逐改，保证了安全性。 5 按作用距离可分为密耦合卡( 作用距离小于1 厘米) 、近耦合卡( 作用距离小 于1 5 厘米) 、疏耦合卡( 作用距离约1 米) 和远距离卡( 作用距离从1 米到l o 米，甚至 更远) 。 2 3 4 智能卡识别的优点 和传统条形码识别技术相比，智能卡有以下优势： 硕士学位论文 1 快速扫描：条形码一次只能有一个条形码受到扫描；r f i d 辨识器可同时 辨识读取数个智能卡。 2 体积小型化、形状多样化：r f i d 在读取上并不受尺寸大小与形状限制， 不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，智能卡更可往 小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。 3 抗污染能力和耐久性：传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染， 但r f i d 对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于 塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；r f i d 卷标是将数据存在芯片 中，因此可以免受污损。 4 可重复使用：现今的条形码印刷上去之后就无法更改，智能卡则可以重 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 穿透性和无屏障阅读：在被覆盖的情况下，r f i d 能够穿透纸张、木材和 塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。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，才可以辨读条形码。 6 数据的记忆容量大：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 3 0 0 0 字符，r f i d 最大的容量则有数兆比特。随着记忆载体的发展， 数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标 所能扩充容量的需求也相应增加。 7 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变造。 近年来，r f i d 因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它 不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制 造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。 2 4 本章小结 本章阐述了射频识别技术的基本概念及工作原理。对智能卡的结构、工作原 理、分类及优点进行了介绍。射频识别技术必将替代条形码识别技术被广泛应用 到物品识别和物流领域中。 r f i d 智能卡可靠性试验评价技术的研究 第3 章智能卡可靠性预计 3 1 可靠性概述 产品可靠性是指产品在规定的时期内，在规定的条件下，在规定的时间内完 成规定功能的能力。这里的产品，是指作为单独研究和分别试验的对象的任何元 器件、设备和系统。不难看出，产品的可靠性的高低，必须是在规定的时期内， 在规定的条件下，按完成规定功能的大小来衡量。如果离开了这三个“规定”， 就失去了衡量可靠性高低的前提。 规定的条件是指产品所处的使用环境与维护条件，包括机械条件、气候条件、 生物条件、物理条件和使用维护条件等。这是对可靠性附加的第一种约束条件。 由于这些条件对产品失效都有影响，条件变化了，产品可靠性也就随着变化，因 此，只能在规定的条件下谈产品可靠性。 规定的时期是指产品存储期，规定的时间是指产品执行任务的时间，这是对 可靠性附加的第二种约束条件，也是最重要的约束条件。由于产品交付使用后， 会受到各种环境应力的影响，可靠性随着时间的延长而逐步下降。不同的时期和 不同的时间，对产品失效的影响也不相同。产品在规定的存储期内，一般都应是 可靠的，但超出存储期使用，问题就比较多。 规定的功能是指产品设计文件上对产品规定的技术性能，这是对可靠性附加 的第三个约束条件。各个产品在系统中承担着不同的任务，有着不同的功能。产 品完成了规定的功能要求就算是可靠的，否则就是不可靠的。完成功能的能力， 通常表示可靠性的定性要求。完成功能的概率，通常表示可靠性的定量要求，是 可靠性大小的度量。 3 2 可靠性预计 可靠性预计是产品可靠性从定性考虑转为定量考虑的关键，也是实施可靠性 工程的基础。在方案研究和工程设计阶段，对产品可靠性指标的确定、对产品所 包含的子系统、组件乃至元器件的可靠性指标的分配，以及对如何改进设备使之 达到指标要求的可靠性水平等工作，都必须反复进行可靠性预计。可靠性预计是 指产品在设计阶段，根据产品使用的元器件、功能、使用环境以及它们的相互关 系推测产品未来工作状况的方法。 开展可靠性预计工作，是确保设计、生产具备规定可靠性指标产品的指导性 和基础性工作。首先将产品可靠性指标自上而下逐次地分配到产品的各个层次， 硕士学位论文 借此落实相应层次的可靠性要求，并使整体与各部分之间的可靠性相互协调，尽 量做到既避免出现薄弱环节又避免局部“质量过剩”而带来浪费。可靠性预计则 是自上而下地预计产品各层次的可靠性参数，判断各层次设计是否满足分配的可 靠性指标。只有各层次的可靠性分别达到分配的要求，才能保证产品可靠性指标 得以实现。对未达到分配指标要求的设计，则能发现其可靠性薄弱环节、设计上 的隐患及提供可选择的纠正措施，并依此改进设计值至满足指标要求为止。 建立可靠性模型的目的是为了分配、预计和评估产品的可靠性。根据可靠性 模型、工作循环和任务时间等信息，拟定数学表达式或计算机程序，利用这些表 达式和程序，以及相应的故障率和成功概率的数据，可进行基本可靠性和任务可 靠性的分配、预计和评估。 在产品设计初期就应建立产品可靠性模型，以有助于设计评审，并为产品的 可靠性分配、预计和拟定纠正措施的优先顺序提供依据。当产品设计、环境要求、 应力数据、故障率数据或寿命剖面发生重大变化时，应及时修改可靠性模型。 3 3 可靠性预计所能考虑的因素 电子产品可靠性预计过程中所能考虑进的因素主要有：设备的复杂程度、设 备的工作环境、设备的安装工艺( 贴装工艺，插装工艺，波峰焊，回流焊等) 、器 件质量等级、器件结构、器件热应力、器件电应力等。但是，可靠性预计无法全 面反映技术工艺对可靠性的影响，可靠性预计的结果反映的是产品技术成熟、工 艺稳定状态下的固有可靠性水平。可靠性预计实际上有三个隐含的假设： 1 由分立元器件的故障率而获得整个系统的故障率。假设元器件故障的产 生过程是独立、不相关的，不受其他元器件的影响。 2 生产中引入的制造缺陷，如虚焊、操作不当造成器件的损伤，以及器件 缺陷等问题，在环境应力筛选中已经剔除了。换言之，系统已处于浴盆曲线的随 机故障期。 3 器件、设备一直处于设计预期的工作应力下。事实上，受内外部干扰的 影响，常常会偏离预期的工作状态，造成过应力，引起损伤。可以看出，以上假 设是有条件成立的，可靠性预计模型事实上也是一个较为“理想的模型。 3 4 可靠性预计模型 3 4 1 可靠性预计模型的组成 可靠性模型包括可靠性框图和可靠性数学模型二项内容。可靠性框图应与产 品的工作原理图及功能框图相协调，功能框图表示产品中各单元之间的功能关 系，而原理图则表示产品各单元之间的物理关系。可靠性框图用来简明扼要、直 r f i d 智能卡可靠性试验评价技术的研究 观地描述产品为完成任务的各种组合( 串并联框图) 。为了编制可靠性框图必须全 面了解产品完成任务的定义及使用的任务剖面，并给出一般的和专门的假设。 可靠性数学模型从数学上建立可靠性框图与时间、事件和故障率数据的关 系。这种模型的“解”就是所预计的产品可靠性。因此，可靠性数学模型应能根 据可靠性试验和其他有关试验信息、产品配置、任务参数和使用限制等的变化进 行及时修改；可靠性数学模型的输入和输出应与产品分析模型的输入和输出关系 相一致。根据用途，可靠性模型可分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。 3 4 2 可靠性预计模型的基本类别 1 串联模型 系统中的下属几个组件全部工作正常时，系统才正常；当系统中有一个或一 个以上的组件失效时，系统就失效，这样的系统就称串联系统。串联系统的可靠 性框图，就是下属几个组件的串联图。设系统下属组件的可靠度分别为，1 ，2 ， ，n ，串联系统的可靠度为尺。，用s 。和分别表示系统和单元的正常工作状态，则 根据串联系统的定义，串联系统中正常事件是“交”的关系，逻辑上为“与”的 关系，系统要正常工作，必须各子系统都正常工作，则有： s ，= 墨n s 2n n s 。 ( 3 1 ) 系统正常工作的概率为各单元概率之积，因此 只p ，) = 兀只p ， ( 3 2 ) f = l 由于只= 尺。o ) ，( s ) = l ( ，) 所以得到： r ，= 1 b = 兀 f - 1 ( 3 3 ) 图3 1 串联模型 一般情况下，可靠度是任务时间的函数，即尺。应表示为尺。( ，) ，i 应表示为，( ，) 。 对于指数： i ( ，) = p 一却( f - 1 ，2 ，刀)( 3 4 ) 所以有： ，( ，) ：p 俐( 3 5 ) | 冯| ， ，( ，) = p o “7 ( 3 5 ) 硕士学位论文 即 允= 丑 ( 3 6 ) 扛l 1 脚= _ _ ( 3 7 ) j = l 以上，为系统的任务时间，r 。( ，) 为系统的可靠度，a 为系统的等效故障率。 m 他f 为系统的平均故障间隔时间，i ( ，) 为第f 个单元的可靠度，a ，为第f 个单元的 失效率。 2 并联模型 系统中的几个下属组件，只要其中一个工作正常，则系统就正常工作，只有 全部组件都失效时，系统才失效，这样的系统就称并联系统。并联系统的可靠性 方框图为疗个组件的并联图。设组成组件的可靠度分别为，i ，2 ，n ，相应组 件的失效( 故障) 概率分别为g l ，9 2 g n ，并设并联系统的失效( 故障) 概率为q 。，用 s 和s 分别表示系统和单元的正常工作状态，用只和一表示系统和单元不正常工 作，则依据并联系统的定义，并联系统中不正常事件是“交 的关系，逻辑上为 “与 的关系，系统要不正常工作，必须各子系统都不正常工作，则有： 墨= 互n 咒nen n 乞( 3 8 ) 系统不正常工作的概率为各单元不正常工作概率之积，因此： 只= 髋) = 兀f 豳， ( 3 9 ) j - l 由于e = q ( ，) ，e ( 墨) = g ，( f ) ，所以有： q = g l 纷g 。= 兀( 1 一) ( 3 1 0 ) f = l 并联系统的可靠度尺。为： r ，= l q = 1 一兀吼= 1 - n ( 1 一) ( 3 1 1 ) ，= l，_ l 对于指数分布，若失效率用a 表示，则 m ，i b f = 鬈r s d t 疗111 2 善砉一。毛南t “- 1 广一万舌甄智五，l 与幺丑+ 五， 、7 + 如+ + 丸 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) r f i d 智能卡可靠性试验评价技术的研究 图3 2 并联模型 3 5r f i d 智能卡可靠性预计模型 3 5 1 集成电路可靠性预计理论 结合集成电路设计及生产工艺和特点，集成电路的失效类型与诸影响因素的 关系可以归纳如图3 3 所示。工艺质量、芯片材料和外壳质量因素指器件装机使 用前，在原材料选择及芯片制造、筛选、检验过程中的质量控制等级和生产技术、 工艺成熟程度。在预计模型中用幻和死来描述其对失效率的影响。 图3 3 集成电路失效类型及其影响因素 电应力和结温因素指器件工作时由于功耗使结温升高以及c m o s 电路工作 电压变化时对电路失效率的影响，在模型中用万7 和巧矿来表示。 电路复杂程度是指组成电路的门数或晶体管数或位数的多少，其对i 类失效 的影响在模型中以c l 表示，对i i 类失效的影响在模型中以c 2 表示；电路封装 形式是指电路的外壳类型、引出端数及封装工艺，其对电路失效的影响在模型中 以c a 表示。 环境应力因素是指除电、热应力外，器件在工作中所承受的周围环境应力( 如 振动、冲击、水汽、盐雾、霉菌) 对电路失效率的影响，在模型中用珊来表示。 硕士学位论文 集成电路的失效可认为是上述两类失效中的一种或两种。因此，集成电路可 靠性与上述两类失效的关系可用串联模型来描述。对于进入浴盘曲线底部偶然失 效期的失效分布可用指数函数来描述，集成电路的失效率近似为一个与时间无关 的常数a p 。 五p = 乃( ，死，坼，乱，c 1 ) + 厶( ，死，万pc 2 ，c 口) ( 3 1 4 ) 式( 3 1 4 ) 中：2 i 一第1 类失效的失效率；a 。一第1 i 类失效的失效率。括号内是相应 的影响因素。按统计分析原则，相关的因子在模型中只选取一个。因而， 允p = 万q 万l 万丁万矿c l + ( c 2 + c j ) 万f 】 ( 3 1 5 ) 式( 3 15 ) 中：c 2 与电路规模( 复杂度) 有关，电路规模越大，内引线键合面积越小， 内引线直经越小，台阶多，金属层连线越窄，氧化层越薄，因而电路承受环境应 力的能力越差；c 3 是指外壳受环境应力的作用而出现的失效，它与封装形式、 功能管腿数有关；c 2 和c l 是相对独立的，在模型中采用和的形式n 6 3 。 3 5 2r f i d 智能卡可靠性预计模型的建立 由第2 章可知，r f i d 智能卡电子部分由天线、高频界面、微控制单元、 e e p r o m 构成，如果其中一部分失效，r f i d 智能卡就会失效，根据3 3 2 节可 靠性预计模型的结构，r f i d 智能卡的可靠性模型可用图3 4 串联模型来描述n 1 4 】 l ! ! 釜! k 重h 翌怔 i ( a n t e n n a ) ll ( r f a f e ) i ( m c u ) 【i 图3 4r f i d 智能卡的可靠性串联模型 对于智能卡中的每一部分，其寿命服从指数分布，其可靠性分布函数为： r = p ，其中名为失效率。而串联系统可靠性数学模型为： r ( f ) = 兀r ) i - l 那么对于r f i d 智能卡其可靠性模型的数学描述为： ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) r ，c = 尺 z 卧w i 尺腰r 埘u r f ：删= p 一九删p 一。肚p 一九删p 一缸删 ( 3 1 8 )