（电路与系统专业论文）射频识别系统中读写器的开发与研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 射频识别( r f i d ) 是最近几年出现的一项热门技术。它主要是利用无线电波 对射频卡进行读写识别，识别的距离可达几十厘米至几米。由于其具有读写能力、 可携带大量数据、非接触等优点，r f i d 技术已广泛运用于货物的跟踪及物品监 视、自动收费等领域，具有相当广阔的市场前景。 本文针对射频识别系统中的读写器做了以下研究工作： 首先对r f i d 技术涉及的相关理论作了详细的介绍，包括读写器、标签、天 线的工作原理，r f i d 系统中的信道编码和调制，数据传输的安全性，防数据冲 突技术等。 其二，对r f i d 系统中常用的d e sn 解密算法进行p c 环境下的软件仿真， 方便今后在微处理器上进行移植。 其三，对标签冲突中现有的两类典型的防冲突机制：基于树搜索机制和基于 时隙a l o h a 机制进行算法流程上的分析。此后，针对基于问询树算法( q b t ) 的不 足提出了改进算法( e q b t ) ，并且针对i s 0 1 8 0 0 0 6t y p eb 协议中提到的随机分 叉的二进制搜索算法( r s b t ) 给出协议中未能提及的移植算法时的注意事项，最 后又参照协议给出了一种性能优良的基于问询树和a l o h a 混合机制的搜索算法。 为了有效地评判各类算法的性能，本文首次利用了i s o i e c1 5 6 9 3 协议中的相关 参数定义精简的读写器和标签命令结构，以此来仿真得出各类算法中每张标签平 均发送的比特数目、识别时间与标签总数目之间的关系，并进行算法的比较和分 析。 其四，利用内含m i f a r e 读写芯片的z l g 5 0 0 射频模块构建一个实际的读写器， 并对硬件电路设计以及系统的软件设计作了分析，同时重点针对读写卡内数据块 的流程进行研究。 关键字：r f i d 、d e s 、防冲突、a l o h a 、二进制树、m i f a r e 中图分类号：t n 9 1 1 2 3 l i l a b s t r a c t r e c e n t l y , 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 ) i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e p o p u l a ra m o n g t h ei n d u s t r y t h i st e c h n o l o g ym a i n l yu s e st h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et o a c t i v e ，a n dt h e ni d e n t i f i e st h ec a r d s g e n e r a l l y , t h ei d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c ec a ne x t e n d f r o mf e wm i l l i m e t e r st os e v e r a lm e t e r s j u s tf o ri t sh i g ha d v a n t a g e ，s u c ha st h e r e a d w r i t ea b i l i t y , t h eh u g ed a t ac a p a c i t a n c e ，f r e ec o n t a c te t c ，r f i dh a sa l r e a d yb e e n u s e di nw i d ef i e l d s ，f o re x a m p l e ，t h eg o o d ss u r v e i l l a n c e ，a u t oc h a r g i n gs y s t e m a n di t i sb e l i e v e dt h a tr f i dw i l lh a v eab r i g h tm a r k e tf u t u r e t h i st h e s i sm a i n l yc o n c e n t r a t e so ns e v e r a lr e l e v a n tt e c h n o l o g ya s p e c t sa b o u tt h e r e a d e ri nt h er f i ds y s t e m ： f i r s t l y , i tw i l l i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r i e sa b o u tt h er f i d ，i n c l u d i n gt h e p r i n c i p l eo ft h er e a d e r w r i t ed e v i c e ，t a g ，a n t e n n a , t h em e c h a n i s mo ft h ed a t ae n c o d e a n dm o d u l a t i o n t h es e c u r i t yf o rt h ed a t at r a n s f e r , a sw e l la st h ea n t i - c o l l i s i o n m e t h o d s s e c o n d l y , i tw i l ls i m u l a t et h ed e se n c r y p t d e c r y p ta l g o r i t h mi np ce n v i r o n m e n t s oi tw i l lb ee a s i e rf o rt h ef u t u r ep l a n t a t i o ni nt h em i c r o p r o c e s s o r t h i r d l y , d u et ot a gc o l l i s i o ni sv e r ye o n l n l o na m o n g t h er f i ds y s t e m i tw i l l a n a l y z et h ep r o c e d u r eo ft w om a i na n t i c o l l i s i o nm e c h a n i s mn a m e dw i t ht h e s l o t - a l o h aa n dt h eb i n a r yt r e e t h e np r o v i d ean e w “e q b t a l g o r i t h mt os o l v e s o m ep r o b l e m si nt h et r a d i t i o n a l “q b t ，d e l i v e rs o m en o t i c ef u rt h ep l a n t a t i o nw h i c h i sn o tm e n t i o n e di ni s 0 1 8 0 0 0 - 6t y p eb t h e ns h o wan e wb l e n da l g o r i t h m “s a - q b t ，w h i c hm i x e st h ea d v a n t a g eo ft h ea l o h aa n dt h eb i n a r yt r e e f i n a l l y ， i m p l e m e n tt h ea l g o r i t h m s ，c i t i n gs o m ep a r a m e t e r sf r o mi s o i e c1 5 6 9 3p r o t o c o lt o d e f i n et h ec o m p a c t e dr e a d e ra n dt a g sc o m m a n d s ，s oa st oo b t a i nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea v e r a g eb i t st r a n s f e r r e df o re a c ht a g ，i d e n t i f i c a t i o nt i m ea n dt h et o t a lt a g n u m b e r sf o rf u r t h e rs t u d y i nt h el a s tc h a p t e r , i tw i l le x p l a i nt h ed e v e l o p m e n tf l o wo fap r a c t i c a lr e a d w r i t e r d e v i c eu s i n gt h ez l g 5 0 0m o d u l e p r o v i d et h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dt h e s o f t w a r ef l o wo ft h es y s t e m ，e s p e c i a l l yf o rt h ep r o c e s so ft h er e a d i n ga n dw r i t i n gt h e t a g e e p r o m k e y w o r d s ：r f i d ，d e s ，a n t i - c o l l i s i o n ，a l o h a ，b i n a r yt r e e ，m i f a r e i v 第一章引言 1 1 课题的研究背景 第一章引言 自2 0 0 0 年以来，与r f i d 技术相关的报道在各个媒体上不断涌现，让这项 技术在短时间内成为国际追逐的焦点。从全球巨型商业帝国沃尔玛，到国际i t 巨头i b m 、h p 、微软等等，从美国国防部到中国国家标准委，全都在r f i d 魔棒 的指挥下舞蹈起来。那么什么是r f i d 技术? r f i d 实际上是无线射频识别( 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 ) 的简称。 它是一种非接触式的自动识别技术，它将无线电技术与高度小型化的芯片相结 合，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预。 最简单的r f i d 系统由标签、阅读器和天线三部分组成。其工作原理：标签 进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，利用感应电流所获得的能量发送出存 储在芯片中的信息( p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频 率的信号( a c t i v et a g ，有源标签或主动标签) 。阅读器读取信息并解码后，送 至中央信息处理系统进行下一步的数据操作。 尽管现在r f i d 技术越来越热，但是它并不是一项新的发明。r f i d 的首次应 用可以追溯n - 战期间，当时的功能是用于分辨敌我飞机。由于我方飞机上装载 有高耗电量的主动式接收器，当雷达发出问询信号，这些接收器就会返回响应， 以此来识别出自己是友军还是敌军。此系统称为i f f ( i d e n t i f y ：f r i e n do rf o e ) 。 目前世界上的飞行安全管制系统仍是以此为概念。 到了1 9 7 0 年代末期，l o sa l a m o s 科学实验室将r f i d 技术转移到民间。r f i d 技术最先在商业上的应用是在牲畜身上。到了1 9 8 0 年代，美国与欧洲的几家公 司开始着手生产r f i d 标签。现在，r f i d 技术已经被广泛应用于各个领域，从门 禁管制、牲畜管理，到物流管理，皆可以见到其踪迹。 与传统的自动识别系统( 如条形码) 相比，r f l 8 技术具有很多优势。甚至 有专家预测，r f i d 将会是条形码的终结者。那么和条形码相比，r f i d 的魅力究 竟何在呢? 其优势主要体现在以下几方面： 1 快速扫描。条形码一次只能有一个被识读；而r f i d 阅读器可同时读取多 个标签的信息。 2 体积小型化、形状多样化。r f i d 标签著不受物品尺寸大小与形状限制， 不需像条形码为了考虑读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，r f i d 标签更可往小型化与多样性上发展，从而应用于不同产品。 3 抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张，容易受到污染；而r f i d 第一章引言 标签对水、油和化学药品等物质具有很强的抵抗性，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，r f i d 标签则可以 重复地新增、修改和删除内部储存的数据，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进行穿透性读写通信。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，才可以读识条形码。 6 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。 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 ，二维条形码的最大 容量可储存3 0 0 0 字符，r f i d 标签的最大容量则有数兆字符。随着大容量记忆载 体的出现，标签内携带的信息量会越来越大。 从r f i d 电子标签和条形码的对比中不难看出r f i d 技术具有的巨大优势和应 用前景。正因为这样，r f i d 技术逐渐被人们所重视。当用于企业生产时，不仅 可以大幅度提高管理效率，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。 近年来，r f i d 已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，这个领域 与其他传统学科不同，它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如高 频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多 其它专业领域。所以在r f i d 综合领域要做的事很多，要探讨的问题也很多，但 这一切都是值得努力去研究的。而且在r f i d 技术未来的发展中。会逐步结合其 它更多的高新技术，比如g p s 、生物识别等技术，使得r f i d 将由单一识别向多 功能识别方向发展，同时结合现代通信及计算机网络技术，实现跨地区、跨行业 应用：有理由相信r f i d 的发展潜力是巨大的，前景非常诱人，将是未来一个新 的经济增长点。 尽管r f i d 技术在我国已得到越来越广泛的重视，也开始逐步大规模应用， 但是与发达国家仍有较大的差距，并且目前使用的r f i d 系统的核心技术大多还 掌握在发达国家手中，因此研究r f i d 系统的核心技术对推广r f i d 在国内的应用 也具有重要的现实意义。 1 2r f i d 的应用现状 r f i d 可以广泛地应用于各行各业。随着相关技术的日趋成熟，r f i d 的应 用领域及方式会更加层出不穷。下面是当前r f i d 的一些典型应用。 1 生产线自动化。用电子标签在生产流水线上实现自动控制、监视，提高生 产率，改进生产方式，可大大降低成本。例如m o t o r o l a 等集成电路制造商采用 第一章引言 了电子标签自动识别工序控制系统，避免了生产上每次失误带来的巨大的经济损 失，也符合半导体对生产环境的超净要求。 2 仓储管理。将电子标签用于智能仓库货物管理可以有效地实现仓储货物信 息管理。对于大型仓储基地来说，管理中心可以实时了解货物位- 置，货物存储的 情况，实现自动进库出库。这对提高仓储管理效率，指导生产都有重要的意义。 3 民航行李跟踪管理。目前民航邮政的行李分发都是通过人工作业，速度慢， 错误率高，成本也很高，如果采用电子标签识别自动分发，进行物品跟踪管理就 可以降低综合成本，提高效率，减少差错率。 4 门禁保安。电子标签可以应用于门禁保安。同时用于出入口安全检查，考 勤及公司财产监控等方面，由于系统可以同时识别多个电子标签，避免了上班前 排队打卡的现象。安全级别要求高的地方，还可以结合指纹、掌纹等其它的识别 方式。1 9 9 6 夏季奥运会的安全机构就是采用这种保安系统。 5 集装箱运输管理。目前集装箱己成为大宗货运的主要载体。但是集装箱在 运输过程中的跟踪和监控一直是一个难解决的问题。每年因为集装箱的误送、丢 失或损坏引起的损失十分惊人。目前各大海运公司也开始使用类似r f i d 技术来 识别和跟踪自己集装箱的路线和所装的货物情况，控制集装箱的整个流通过程。 6 商业供应链。沃尔码最近要求它前1 0 0 大的供应商必需为r f i d 技术的应 用做好准备，这对整个产业震动极大。沃尔玛认为，消费者可以体验那种不必在 收银台前排队，直接推着装满商品的小车出门，门口的计算机自动打印购物清单 并从你的信用卡中扣钱的购物便捷。可以预见，r f i d 技术在商业供应链上应用 将是其所有应用领域中最广泛和深入的应用，同时也是技术难度最大，最难实现 的应用。因为要在所有的商品上都贴上一个电子标签，这不仅对电子标签的成本 要求很高，而且也需要复杂的后台数据管理软件。 7 高速公路自动收费。目前我国的高速公路发展非常快，在地区经济发展中 也越来越重要。而现在的人工收费系统却常常造成车辆收费口堵塞。将电子标签 用于高速公路自动收费，能够在携带电子标签的车辆高速通过收费站的同时自动 完成收费，从而有效解决车辆排队堵塞这个问题。目前的技术已能做到车辆在每 小时2 0 0 k m 的速度下用少于0 5 m s 的时间被识别，而且正确率达到9 9 9 5 。 r f i d 系统的应用范围远不止上述几类。随着对r f i d 系统研究和开发的深入， r f i d 系统必将渗透到人们生活和工作的各个领域。 1 3r f i d 的技术研究现状 r f i d 在国外的研究起步较早，对r f i d 技术的各个层面都有较为深入的研究。 这其中包括标签芯片设计、天线设计、射频模块设计、基带系统设计等，由此形 3 第一章引言 成了一套r f i d 特有的理论体系。当前r f i d 技术的研究重点主要集中在工作频率 选择、信道环境对数据传输的影响、天线设计、防数据冲突、安全隐私等方面。 目前，r f i d 还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面。而 各个标准争夺的核心主要在标签数据内容的编码标准这一领域上。目前，已形成 了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。e p cg l o b a l 是 由北美u c c 产品统一编码组织和欧洲e a n 产品标准组织联合成立，在全球拥有上 百家成员，得到了许多跨国公司的支持。而a i m 、i s o 、u i d 则代表了欧美国家和 日本；i p x 的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主。相对而言，e p cg l o b a l 由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。尽管如此，标准的差异导致各个 厂商推出的产品互不兼容，造成了r f i d 产品在不同市场和应用上的混乱，这势 必对未来的r f i d 产品互通和发展造成了阻碍。所以如何让这些标准相互兼容是 当前重要而急迫需要解决的问题。 其次，需求和成本仍然是制约r f i d 技术应用的重要因素。r f i d 应用是一个 高度复杂的产业化问题，没有规模就难以降低成本，也难以对应用行业形成普及 和覆盏。目前每张标签的价格大约是2 5 至3 0 美分，即2 元钱左右；而条码标签 的单位成本只有2 分钱。所以对很多利润日益变薄的行业来说，r f i d 很难被推 开。目前全球r f i d 标签的年需求量大约是1 0 0 0 万张，而只有需求量超过5 0 亿 张，价格才能降到2 美分，这才有可能大规模应用。但从1 0 0 0 万到5 0 亿，不会 是短暂的过程，对于我国更是如此。 除了成本问题，r f i d 技术在国内更广泛领域的应用还面临缺乏解决方案的 困扰。这也是目前国内与国外的最大差距所在。r f i d 的应用，涉及一整条供应 链。不仅有r f i d 产品的设备供应商，还需要解决方案提供商以及各行业应用商 联手。早在几年前，i b m 、s a p 、微软等i t 巨头就开始投重金于r f i d 技术和解决 方案的开发。但在国内，真正能够提供r f i d 技术解决方案的企业几乎没有。 此外，r f i d 还留有一些未能完美解决的技术问题。首先是信息安全问题。 目前对于只读标签中的数据信息无法进行很好的保密，对于可读可写标签，还存 在电子标签上的信息被恶意更改的隐患。而且只有少数r f i d 芯片能够处理加密 解密等较复杂的工作，其价格也较为最昂贵。此外，目前的标准没有对r f i d 发 射信号提供加密，所以很容易被黑客窃听。所以如何在不增加太多成本的同时提 高电子标签的安全性还有待于进一步研究。其次当r f i d 系统运用到商业供应链 时，一般都要求能够同时识别多张射频标签，即提供防数据冲突机制。然而，现 有标准中提到的a l o h a 和基于二进制树的搜索算法都无法在读取成功率和所需 时间这两者之间做到平衡。还有，如何提高r f i d 系统的电磁兼容性和适应于各 种环境的应用也是一个重要的研究课题。随着科技的进步，这些技术问题一定会 4 第一章引言 得到较好的解决。 1 4 论文的主要工作和创新点 本文的主要内容涉及以下的四部分： 首先对r f i d 涉及的相关理论作了详细的介绍，包括阅读器、标签、天线的 工作原理，r f i d 系统中的信道编码和调制，数据传输安全性，防数据冲突技术 等。 其二，对r f i d 系统中常用的d e s 加解密算法进行p c 环境下的软件仿真， 便于今后在微处理器上进行移植。 其三，对r f i d 系统中的阅读器冲突和标签冲突问题进行介绍。并针对标签 冲突问题进行重点研究，对各类算法进行流程分析，改进和提出了一些新的观点， 并进行算法的比较和实际仿真。 其四，利用内含m i f a r e 读写芯片的z l g 5 0 0 射频模块构建一个实际的读写器。 论文的创新点主要体现在对r f i d 防冲突技术的研究上，包括以下几方面： 1 整合现有的标签防冲突算法机制，对各类算法进行流程和性能上的分析。 2 针对现有的基于问询树的搜索算法( q b t ) 的不足，提出了改进的算法 ( e q b t ) ，而且通过仿真证明了改进算法的优越性。 3 针对i s 0 1 8 0 0 0 6t y p eb 协议中提到的随机分叉的二进制搜索算法 ( r s b t ) ，给出协议中未能提及的移植算法时的注意事项。 4 针对传统的s - a l o h a 防冲突算法，通过理论分析并结合m a t l a b 编程获得 当识别有效率( 置信率) 在9 9 的情况下，最小所需的总时隙数与标签数目的 关系以及对应的单帧时隙数与标签数目的关系。 5 为了有效地评判各类算法的性能，首次利用了i s o i e c1 5 6 9 3 协议中的 相关参数来定义精简的读写器和标签命令结构，以此来仿真得出各类算法中每张 标签平均发送的比特数目、识别时间与标签总数目之间的关系，并进行算法的比 较和分析。 1 5 论文的组织结构 第一章一“引言”，讲述了r f i o 技术的发展状况和课题的研究背景，着重介 绍r f i d 在国内外的研究和应用现状。最后概括了本论文的主要内容。 第二章一“射频识别系统的基本理论”，涉及r f i d 系统的分类方法以及阅读 器、标签和天线的相关工作原理，并对r f i d 系统中的信道编码和调制以及数据 完整性等方面作了简要介绍。最后针对在目前r f i d 系统中常用的d e sa n 解密 算法进行p c 环境下的软件仿真。 第一章引言 第三章一“r f i d 系统中的防数据冲突技术”，针对阅读器与标签进行通信时 遇到的两大类冲突问题，即阅读器冲突和标签冲突问题进行分析。并针对标签防 冲突算法进行深入研究。在现有算法的基础上提出了改进的基于问询树的搜索算 法，同时参照协议给出了基于问询树和a l o h a 混合机制的搜索算法。为了获得 各类防数据冲突算法的性能指标，在算法的实现过程中借用i s 0 i e c1 5 6 9 3 协议 内的相关参数来定义精简的阅读器和标签命令结构，以此来仿真得出各类算法中 每张标签平均发送的比特数目、识别时间与标签总数目之间的关系。 第四章一“基于m i f a r e 射频模块的r f i d 阅读器开发”，将介绍如何利用内 含m i f a r e 读写芯片的z l g 5 0 0 射频模块构建一个实际的阅读器，对其中的软 硬件设计进行详细介绍，同时针对读写卡内数据块的流程进行重点研究，给出调 试方法和性能分析。 第五章一“总结和展望”，总结本文的工作，对进一步可以深入的研究方向 做了展望，同时对r f i d 系统中阅读器的技术发展趋势作了预测。 6 第二帝i e f i d 系统的基本理论 第二章r f i d 系统的基本理论 2 1r f i d 系统的分类方法 r f i d 系统的分类方法主要有以下几种： 按系统的工作频段来分，基本划分为：低频( l f ，3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( h f ， 3 3 0 m h z ) 、超高频( u h f ，3 0 0 9 6 8 m h z ) 和微波( u w f ，2 4 5 5 8 g h z ) 。低频 系统常见的工作频率有1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ；高频系统的为1 3 5 6 m h z ；超高频系 统的为8 6 9 5 m h z ，9 1 5 3 m h z ；微波的则为2 4 5 g h z 。不同的国家对频率分配和最 大发射功率的规定是不同的，某些频段的r f i d 产品可能被蔡用。 按系统中射频标签的供电形式可分为无源、有源和半有源系统。无源系统一 般利用电磁耦合方式来对标签进行供电，其标签的体积小，寿命长，成本低廉， 支持长时间数据传输和永久性的数据存储；但系统识别距离较近，需要敏感性较 高的阅读器才能可靠识读。有源系统中的标签使用内部电池来供电，识别距离可 达几十米甚至上百米；而且由于发射能量较大，其信号穿越障碍物之后依然可以 被阅读器接收到；但有源系统中的标签带上电池后体积较大，而且随着标签内电 池电力的消耗，识别距离会越来越近。半有源系统的标签带有电池，但是电池只 起到激活系统的作用。标签一旦被激活，无须电池供电，即进入相应读写流程。 按系统中标签的存储器类型来分，可以分为只读电子标签和可读可写电子标 签。只读电子标签的信息只能一次写入，多次读出。而对可读可写电子标签来说， 由于内部带有e e p r 0 1 d 存储器，这种存储器在加电的情况下可以实现对原有数据 进行擦除和重新写入操作。 按系统中标签数据存储能力可分为标识标签r f i d 系统和便携式数据文件 r f i d 系统。对前者来说，在标签中存储的特定数字或字符串，是进入信息数据 库的钥匙，即详细信息只能在相应数据库中进行查找。而便携式数据文件系统指 标签中存储的是一个数据文件，不用连结数据库就能读取信息。 按系统中标签和阅读器之间的通信时序可以分为r r r f 和r t f 系统，即阅读 器是采用主动唤醒标签( r t f ，r e a d e rt a l kf i r s t ) 还是标签首先发送数据包( t t f ， t a gt a l kf i r s t ) 的方式。对无源标签来说，一般采用r t f 方式；而对有源标签来 说，1 t r f 的方式用的较多，标签每隔一定时间发送相应信息，等待被阅读器激活。 2 2r f i d 系统的基本组成 最基本的r f i d 系统由三部分组成： 1 ) 阅读器( r e a d e r ) ：读取射频标签中的信息。阅读器也可以按照某些特定需 第二章r f i d 系统的基本理论 要配置为具有读写功能的读写器。 2 ) 射频标签( t a g ) ：由耦合元件及芯片组成，内部含有内置天线，用于和阅读 器天线间进行通信。 3 ) 天线( a n t e n n a ) ：为射频标签和阅读器间传递射频信号。 另外，有些系统中的阅读器配有r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，以太网接口或是无线网络接 口来与外部的主机进行数据交换。 2 2 1r f i d 系统中的阅读器 阅读器在整个r f i d 系统中起到了举足轻重的作用。首先，阅读器的频率决 定了r f i d 系统的工作频段；其次，阅读器的发射功率直接影响识别距离。 一般来说，阅读器主要完成以下功能： 1 ) 阅读器与标签之间的通信，适用于固定和移动标签的识读。对于某些应用场 合，能够做到在识别区域内的多标签同时识读，具备防数据冲突功能。 2 ) 阅读器与后台计算机之间通过标准接口如r s 2 3 2 等进行通信，并向计算机 提供阅读器的信息：如阅读器的识别码，读写开始时间，读出的标签信息等。并 能校验读写过程中的错误信 息，及时反映给后端主控设 备。如果是与有源标签配套的 阅读器，还需要能够标识标签 中剩余电量信息等。 3 ) 如果应用在多个阅读器 共存的系统中，还需要具备阅 读器之间的防冲突功能。 具体到阅读器内部，一般 来说主要划分为几大模块，分 别是射频模块与基带模块，控 制及接口模块，如图2 1 所 不。 射频模块的任务主要有 三项。第一项主要是激活射频标签并为其提供能量( 这里专指无源标签的应用场 合) 。第二项是将阅读器发往射频标签的命令调制到射频载波信号上，也即r f i d 系统的工作频率上，以便由阅读器发射天线发送出去。射频模块的第三项任务主 要是通过解调提取出射频标签回送的数据。除此之外，防数据冲突机制往往也需 要在射频模块中来实现。 基带模块的任务也包含两项。第一项是将阅读器控制单元发出的命令编码为 第二章r f l d 系统的基本理论 便于调制到射频信号上的基带信号。第二项任务是实现对射频标签回送的数据信 号进行必要的处理，如解码、校验、解密等，并将处理后的结果送入到阅读器的 控制单元。 射频模块与基带模块的接口为调制解调过程。在系统实现中，通常射频模 块包括调制解调部分，并且也包括解调之后对射频标签的应答信号进行必要的 加工处理，如放大、整形等。 控制模块，一般随着阅读器的应用场合不同其功能会有所增减。一般来说， 对于阅读器后端有主控计算机的场合，阅读器控制模块的作用主要是负责接收来 自主控计算机的操作指令，并依据相应指令向编码模块发出特定的数据流；同时 接收从射频标签返回的应答数据流，并分析提取相关信息；有时也会结合外接的 时钟芯片来提供读取时间等辅助信息，或通过显示电路在阅读器上直接显示相关 的读写进程。由于阅读器运算速度远比p c 要慢，所以一般数据都是实时地传送 到后端，并在后端p c 建立相应信息的数据库便于进一步操作。而对于一些便携 式的阅读器，一般都会有大容量的f l a s h 来储存数据，同时留有液晶显示和键盘 来方便人机交互。 接口模块。应用软件和控制器之间的数据交换可以通过阅读器的接口模块来 完成。阅读器接口可以采用r s 2 3 2 和r s 4 8 5 串口，也可以是r j 4 5 网口。还可以 是无线w l a n 接口。其波特率一般都可以通过软件来进行调整。 2 2 2r f i d 系统中的天线 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去 的装置。天线按工作频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等：按方向性 可分为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。 在r f i d 系统中，标签天线和阅读器天线还分别需要承担接收和发射能量的作 用，要求有较高的可靠性。当前对r f i d 天线的研究主要集中在天线结构和环境因 素对天线性能的影响。天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波 比、天线增益和工作频段等特性。 标签天线受所标识物体的物理特性影响很大，如金属物体对电磁信号有衰减 作用，金属表面对信号有反射作用，弹性基层会造成标签及天线变形，物体大小 对天线尺寸有一定限制等。针对这些闯题，现已提出了多种解决方案，如采用曲 折型天线解决尺寸限制，采用倒f 型天线解决金属表面的反射问题等。 而对阅读器来说，至少应该包含一根天线( 无论是内置还是外置) 用来发射和 接收射频信号。有些系统由一根天线来同时完成发射和接收任务；而另一些系统 则由一根天线来完成发射而另一根天线来承担接收任务，所采用天线的形式视具 体应用而定。根据阅读器的工作频率范围，可以将天线线圈直接连接到功率输出 第二章r f i d 系统的基本理论 级，或者通过同轴电缆送到天线线圈。前者适用于低频段阅读器，而后者则适用 于高频和微波段阅读器。 2 2 3r f i d 系统中的射频标签 射频标签的最主要特征即是其工作频率，它不仅决定了r f i d 系统的工作原 理，还决定着射频标签及阅读器实现的难易程度和成本。 图2 2 显示的是一个典型的无源射频标签的结构图。一般标签内部可以分 为三大模块，模拟接口模块，数字逻辑控制模块和存储模块。 模拟接口模块主要由以下电路组成：整个标签的供电电路，调制与解调电路， 与天线匹配电路，用于其后数字逻辑所需的系统时钟产生电路。这里将是整个标 签设计的关键部分，如何优化结构降低功耗都将在这个模块中需要重点考虑。 数字逻辑控制模块主要实现标签的读写时序，以及提供一些数据校验机制以 及反冲突算法的实现等。在此模块中，一般都有r o m 和r a m 。r o m 用于存储操作 时的一些重要数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元完成控制功能，如响应延 迟时间控制，数据流控制，电源开关控制等。另外，标签的r o m 中还存储有标签 的标识信息。这些信息可以在制造过程中由制造商写入r o m 中，也可以在标签使 用时写入其它信息。标签中的r a i 用于存储标签数据传输过程中临时产生的运算 数据。另外一般还有缓冲存储器，用于暂存调制后等待发往天线的信息。比较高 级的射频标签在此模块中还具有加密和解密功能。 存储模块主要是提供标签的数据信息存储，一般都采用e e p r o m ，这种存 储器在加电的情况下，可以实现对原有数据的擦除以及数据重新写入。 2 2 4 不同频段下r f i d 系统的特点 总的来说，低频1 2 5 k h zr f i d 技术一直用于近距离的门禁管理。由于其信噪 1 0 第二章r f i d 系统的基本理论 比较低，识读距离近；同时防数据冲突性能很差，多标签同时识读慢，性能也易 受电磁环境的影响，所以主要用于一些短距离识别应用上。1 3 5 6 m h z 的r f i d 产 品可以部分解决这些问题。其速度较快，可以实现多标签同时识读，形式多样， 但其产品对可导媒介穿透性很差，同时识别距离较短。8 6 0 9 6 0 m h z 超高频r f i d 产品常常被应用在供应链管理上，其识别距离长，能够实现高速多标签识读。但 是超高频技术对于如金属等可导媒介完全不能穿透，所以识别会完全失败。为了 解决r f i d 系统工作频率所造成的对特定物品识别效果的局限性，新近又开发出 了将低频和高频两个频率集成到一枚芯片上的双频系统。 2 3r f i d 系统中的工作原理 r f i d 系统中标签( 射频卡) 与阅读器之间的作用距离是一个重要的指标，根 据距离的远近，可分为以下三类：密耦合系统，遥耦合系统，远距离系统。其相 应的工作原理也有所不同。 2 3 1 密耦合系统 密耦合系统的典型作用距离为 0 l c m ，利用的是射频卡与阅读器天线 近场区之间的电感耦合原理。实际应 用中通常需要将射频卡插入阅读器内 使之定位在铁芯的缝隙中，如图2 3 所示。这很类似于一个变压器。阅读 器线圈相当于变压器的初级线圈，射 频卡线圈相当于变压器的次级线圈。 通过初级线圈的高频电流，在铁芯周 围产生高频磁场，进而穿过射频卡线圈，在其周围感应出频率相同的交流电压。 对此电压整流，可获得芯片使用的电源电压。而且为了减少变压器铁芯中的损耗， 需要选择合适的铁氧体作铁芯材料。而且由于密耦合方式的电磁泄露很小，所以 适合于安全性要求高的一些应用，如电子门锁等系统。 2 3 2 遥耦合系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达到l m 。利用的也是标签与阅读器之间电 磁耦合方式来进行工作的。射频卡的天线线圈和电容构成振荡回路，调谐到阅读 器的发射频率，从而获得工作电压。 而射频卡向阅读器传输数据主要是利用副载波的负载调制原理。因为当射频 卡的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发送频率的左右 第二章r f i d 系统的基本理论 两边就会产生两条调制波边带。通过带通滤波器就可以把这两条调制波边带与阅 读器较强的中心信号区分开来，在放大后可以很容易地解调出副载波信号，从而 获得射频卡发送的数据。整个工作原理如图2 4 所示。 总的来说，遥耦合系统的效率不高，一般只适用于低电流电路。只有功耗极 低的只读射频卡可达到l m 以上的识别距离。具有写入功能和复杂安全算法的射 频卡功耗较大，相应的识别距离大大减小。遥耦合系统的典型工作频率为 1 3 5 6 m h z ，目前仍然是低成本射频识别系统的主流。 2 3 3 远距离系统 远距离系统的典型作用距离从1 m 到1 0 m 。利用的是射频卡与阅读器天线辐 射远场区之间的电磁耦合( 电磁波发射与反射) 原理。其典型工作频率为9 1 5 m h z 、 2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。工作原理如图2 5 所示，功率p l 从阅读器天线发射出来， 它的一部分经自由空间传输后衰减到达射频卡的天线；而其产生的电压经二极管 d l 和d 2 整流后，作为工作电压。到达功率的一部分被天线反射，返回功率；己为 p 2 。天线的反射性能会受到连接天线的负载变化的影响，所以为了从射频卡到阅 读器传输数据，与天线并联的附加负载电阻r 的接通和断开要和传输的数据流一 致，进而完成对射频卡反射功率p 2 的振幅调制。而p 2 经过空间的衰减被阅读器 天线接收；然后被定向耦合器解耦后，送入阅读器的接收入口。 可以看出，这种数据调制方式和普通的数据通信方式有着较大不同，在整个 第二章r f i d 系统的基本理论 通信链路中，仅存在一个发射机，却完成了双向数据通信。射频卡通过改变天线 的负载来改变匹配程度，从而控制天线的状态。如要发送的数据为0 ，天线处于 失配状态，辐射到射频卡的大部分电磁能量被反射t 当要发送的数据为1 时，天 线处于匹配状态，大部分电磁能量被吸收，从而反射回的电磁能量很小。整个过 程类似与a s k 调制。远距离系统具有典型方向性，射频卡与阅读器成本目前还处 于较高的水平。 2 4r f i d 系统中的编码和调制 2 4 1r f i d 系统中的基带编码 基带编码是数据通过信道传输前的准备步骤，它是在对基带信号进行调制前 完成的。它对经加密和纠错编码后的基带信号进行码型设计，使基带信号更加适 合在通信信道中传输。一般来说，各类基带码型必须满足以下要求：( 1 ) 没有自 流或只有很小的低频分量，以便顺利通过电路中的储能元件( 2 ) 包含有位的定时 信息，以便接收机能从中提取定时脉冲( 3 ) 不受信息源中统计特性的影响( 4 ) 频带 占用较窄，提高信道的频带利用率。 基带信号的码型种类很多，并不是所有的码型都能满足这些要求。下面重点 介绍r f i d 系统中常用的几类基带编码： 1 ) n r z 编码：在这种编码中高电平表示二进制1 ，低电平表示二进制0 。 2 ) 曼彻斯特编码：在半个比特周期时的负边沿便是二进制l ，正边沿表示二 进制0 。由于方波周期内正、负电平各占一半，因此不存在直流分量。曼彻斯特 编码经常用于从射频卡到阅读器的数据传输。 3 ) 米勒编码：在半个比特周期内的任意边沿表示二进制l ，而经过下一个比 特周期中的1 电平表示二进制0 。一连串的0 在比特周期开始时产生电平交换。 4 ) 变形米勒编码：也就是在米勒编码的基础上有一些细微变化，在每个边沿 都有一个“负”脉冲所 取代。这种编码在电感 耦合的r f i d 系统中用于 从阅读器到射频卡的数 据传输。 5 ) 差动编码：电平 的跳变表示二进制1 ，信 号保持不变表示二进制 0 。它是用电平的相对变 化来传输信息，而与信 第二章r f i d 系统的基本理论 号不存在绝对的关系，所以可以用来解决相位键控同步解调时因接收端本地载波 相位倒置而引起的信息l ，0 倒换问题。 本文中将主要使用n r z 和曼彻斯特编码。n r z 编码的特点是易于实现，而曼 彻斯特编码主要是为了解决数据冲突问题。因为当两个或多个标签同时返回的数 位有不同值时，上升沿和下降沿互相抵消，以致无状态跳变，从而阅读器可以判 断出该位出现数据冲突。具体可参见图2 6 所示。 2 4 2r f i d 系统中的数据调制 信道编码后就需进行数据调制。所谓调制，是将传输的基带低频信号“装载” 到高频振荡信号上，用基带信号去控制高频振荡信号的某一参数，使这个参数按 基带信号规律而变化的一种处理方式。通常将基带信号称为调制信号，而未经调 制的高频振荡信号称为载波信号，经过调制后的高频振荡信号称为己调波信号。 调制的方法一般分为两大类：连续波调制与数字调制。r f i d 系统中使用的是 数字调制方式，数字调制又可分为：振幅键控( a s k ) ，频移键控( f s k ) 和相移键控 ( p s k ) 。其波形见图2 7 所示。 在a s k 方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。a s k 方 式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。 在f s k 方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。 在p s k 方式下，用载波信号相位移动来表示数据。p s k 可以使用二相或多 于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。 对于一个实际的系统来说，低频段r f i d 系统常用的调制方式为a s k 。而对 高频远距离r f i d 系统，通常使用的是f s