（电路与系统专业论文）手持式超高频射频识别读写器的设计与应用.pdf

t h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o fah a n d h e l d u h fr f i dr e a d e r c a n d i d a t e ： w a n g d a z h u o s u p e r v i s o r ：p r o f s u nl i n g l i n g d e c e m b e r ，2 0 10 杭州电子科技大学 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：所星交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。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。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担 一切相关责任。 论文作者妊彳乞以珞嗍刎年弓删百 l 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密 论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 弓乙t 缉 日期： 口，年弓月2 妇 指导教师签名：乃觞乜嗍 阳萨多月诟 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 射频识别技术( r f i d ) 是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，并通过 所传递的信息实现目标识别的技术。由于r f i d 技术与传统的识别技术相比较具有抗污损、 速度快、安全性高等优势，已得到了广泛应用，尤其是u h fr f i d 技术在近年的研究和发展 十分迅速，我国也于2 0 0 7 年出台了u h fr f i d 技术的政策和技术规范。u h fr f i d 读写器是 r f i d 应用系统中的最为关键的部分，其性能直接影响到系统的识别速度和距离。本文对移动 应用环境中的手持式u h fr f i d 读写器进行了研究和设计。 对u h fr f i d 系统的研究背景、发展现状进行了研究和分析之后，本文从电磁场理论、 信道估算等方面对r f i d 技术的基础理论进行了分析，然后对i s o i e c1 8 0 0 0 6 c ( 即e p c c 1 g 2 ) 协议中的物理层和逻辑层中部分关键参数进行了详细分析，包括信号调制参数、数据 编解码方法、标签逻辑状态、防冲撞算法等。 之后对u h fr f i d 读写器的射频前端中的关键部分电路进行了分析，包括发射机、接收 机架构、信号隔离电路、功率放大电路，从信号特征以及硬件成本等方面综合考虑，认为正 交直接上变频和直接下变频的收发架构较为适合u h fr f i d 读写器。结合手持机的体积、功 耗需求，对小体积u h fr f i d 硬件电路的设计方案进行了分析，选择使用a m sa s 3 9 9 2r f i d 专用射频收发前端作为方案的核心电路；对a s 3 9 9 2 内部的供电架构、v c o p l l 配置、工作 模式等可能影响到读写器性能的关键部分进行了分析，然后设计了基于a s 3 9 9 2 的u h fr f i d 硬件电路，包括时钟电路、v c o p l l 外部适配电路、射频相关寄存器配置、射频前端信号发 射、隔离及接收电路等，对射频前端电路进行了a d s 仿真和优化，之后对读写器中的供电电 路关键参数进行了分析，并探讨了射频p c b 电路板设计中的注意事项。 u h fr f i d 读写器模块设计完成之后，对手持式u h fr f i d 读写器的功能组件进行了设 计，确定了使用s t m 3 23 2 b i ta r m 处理器作为主控芯片的控制架构，使用了z g 2 1 0 0w i f i 模块实现手持机的无线通信功能，对z g 2 1 0 0 的工作模式、通信接口进行了分析，并设计了 驱动电路；在人机交互电路中使用了z l g7 2 9 0 驱动的数字与字母复用键盘，以及q v g a 分 辨率的n 叮液晶显示屏；然后对手持机的锂电池供电管理电路进行了设计，并分析了各功能 组件的p c b 布局。 在软件设计部分首先分析了a s 3 9 9 2 的通信控制协议，并重点分析了e p cc 1 g 2 协议在 a s 3 9 9 2 上的实现方法，然后设计了基于r t - t h r e a dr t o s 的外围功能组件的驱动及u h fr f i d 读写器应用程序。 按照中国u h fr f i d 技术规范对本论文设计的手持式u h fr f i d 读写器的射频参数进行 了测试和分析，并对读写器的读写性能及功能进行了测试，最后对本论文的工作进行了总结， 指出了不足以及进一步研究的方向。 关键词：超高频射频识别，读写器，e p cc 1 g 2 ，射频通信，手持机 杭州电子科技大学硕士学位论文 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 l d ) i sa ni d e n t i f yt e c h n o l o g yw h i c hu s e st h es p a c ec o u p l i n g f e a t u r eo fr fs i g n a lt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o nw i mn oc o n t a c t , a n dr e a l i z e st a r g e ti d e n t i f i c a t i o n t h r o u g ht h ed a t ae x c h a n g e b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e si na n t i a t t r i t i o n , s p e e da n ds e c u r i t yc o m p a r e d 谢t l lt h et r a d i t i o n a li d e n t i f yt e c h n o l o g y , r f i dh a sb e e nw i d e l yu s e d ，e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fu h f r f i dt e c h n o l o g yi sv e r y q u i c k l yi nr e c e n ty e a r s ，a n dc h i n a h a sa l s ol a u n c h e d t h eu h fr f i dp o l i c ya n dt e c h n i c a ls t a n d a r di n2 0 0 7 u h fr f i dr e a d e ri st h ek e y p a r to f t h eu h f r f i ds y s t e m ，w h o s ep e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h es y s t e m si d e n t i f i c a t i o ns p e e da n dd i s t a n c e t h i sp a p e rc a r r i e so u tr e s e a r c ha n dd e s i g no fah a n d h e l du h fr f i dr e a d e ru s e di nm o b i l e a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t a f t e rt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fu h fr f i ds y s t e m sb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ts t a t u s ， t h i sp a p e ra n a l y s i st h eb a s i ct h e o r yo fr f i df r o mt h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , c h a n n e le s t i m a t i o n a n do t h e ra s p e c t s ，t h e na n a l y s i st h ek e yp a r a m e t e r so fi s o i e c18 0 0 0 - 6 c ( o re p cc1g 2 ) p r o t o c o l sp h y s i c a ll a y e ra n dl o g i c a ll a y e r , i n c l u d i n gs i g n a lm o d u l a t i o np a r a m e t e r s ，d a t ae n c o d i n g a n dd e c o d i n gm e t h o d s ，l o g i cs t a t e so ft a ga n da n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m t h ek e yc i r c u i t so fu h fr f i dr e a d e r sr ff r o n te n do ff i l ea n a l y z e dt h e n , i n c l u d i n gt h e a r c h i t e c t u r eo ft h et r a n s m i t t e ra n dr e c o v e r , s i g n a li s o l a t i o nc i r c u i ta n dp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t ，f r o m t h e s i g n a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dh a r d w a r e c o s t , c o n s i d e r i n g t h a tt h ed i r e c t q u a d r a t u r e d i r e c t u p - c o n v e r s i o na n dd o w n - c o n v e r s i o nt r a n s c e i v e ra r c h i t e c t u r ei sm o r es u i t a b l ef o ru h fr f i dr e a d e r w i t ht h es i z eo fh a n d s e t ，p o w e rr e q u i r e m e n t s ，h a n d h e l du h fr f i dh a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni s a n a l y z e d ，t h i sp a p e rc h o o s e st ou s ea m sa s 3 9 9 2r f i df r o n t - e n da st h ec o r ec i r c u i t t h e nt h i s p a p e ra n a l y z e st h ep o w e rs u p p l ya r c h i t e c t u r e , v c o p l lc o n f i g u r ea n dw o r km o d e so fa s 3 9 9 2 ， d e s i g n sa s 3 9 9 2h a r d w a r ec i r c u i t ，i n c l u d i n gt i m i n gc i r c u i t , v c o p l la d a p tc i r c u i t , r fr e l e v a n t r e g i s t e r s ，r ff r o n t e n d ，e s p e c i a l l yp e r f o r m sa d ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nf o rt h er ff i o n t e n d a tl a s to ft h i sc h a p t e r , t h ek e yp a r a m e t e ro ft h ep o w e rs u p p l yo ft h eu h fr f i dr e a d e rm o d u l ei s a n a l y z e d , a n dd i s c u s s e dt h er fp c bd e s i g nc o n s i d e r a t i o n s a f t e ru h fr f i dm o d u l eh a r d w a r ed e s i g nw o r k ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ef u n c t i o n a lp a r to ft h e h a n d h e l du h fr f i dr e a d e r , d e t e r m i n e su s i n gt h es t m 3 23 2 b i ta r m p r o c e s s o ra st h em a s t e r c o n t r o lc h i p ；z g 210 0w i - f im o d u l ei su s e df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a n a l y z e st h ew o r km o d e s a n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo fz g 210 0 ，t h e nd e s i g n st h ed r i v e rc i r c u i t ；t h ek e y p a dd r i v e nb y z l g 7 2 9 0i su s e di nh u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nc i r c u i ta n da l s ot h eq v g a r e s o l u t i o nt f tl c d l 杭州电子科技大学硕士学位论文 s c r e e n ；t h e nd e s i g n st h el i i o nb a t t e r yp o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t , a n da n a l y z e st h ep c bl a y o u to f t h e s ec o m p o n e n t s t h es o f t w a r ed e s i g np a r tb e g i n s 、i lt h ea n a l y s i so f t h ea s 3 9 9 2c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h e n f o c u so ft h ee p cc1g 2p r o t o c o li m p l e m e n t a t i o n so na s 3 9 9 2 ，a tl a s td e s i g n st h ed r i v e rc o d eo ft h e p e r i p h e r a lf u n c t i o n a lc o m p o n e n t sa n da p p l i c a t i o nb a s e d o nt h er t - t h r e a dr t o s i nt h et e s ta n dv e r i f i c a t i o np a r t ，t h er fp a r a m 咖so ft h ed e s i g n e dh a n d h e l du h fr f i dr e a d e r w e r em e a s u r e da n da n a l y z e di na c c o r d a n c ew i t hs p e c i f i c a t i o n so fc h i n a su h fr f i d ，t h er e a d e r s r e a d m gp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n sa r ea l s ot e s t e d f i n a l l y , t h i sp a p e re n d e d 、析mt h es u m m a r ya n d p o i n t e so u tt h ed e f i c i e n c i e sa n dt h ed i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：u l t r ah i 曲f r e q u e n c yr 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 n t e r r o g a t o r , e p cc 1 g 2 ，r a d i o f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n , h a n d h e l d s 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 射频识别技术1 1 1 1 射频识别技术简介1 1 1 2 超高频射频识别系统简介2 1 2 超高频射频识别技术的发展状况3 1 3 本文的主要内容和结构安排5 第2 章u h fr f i d 基础理论与协议分析。6 2 1u h fr f i d 基础理论6 2 1 1r f i d 电磁场理论6 2 1 2 标签与读写器之间的信息传输方式7 2 1 3 超高频r f i d 空中链路能量估算9 2 2i s o i e c18 0 0 0 6 c 协议分析1 1 2 2 1 物理层协议1 2 2 2 2 逻辑层协议2 0 2 2 3 防冲撞算法2 2 2 3 中国u h f 频段r f i d 设备技术规范2 3 2 4 小结2 4 第3 章u h fr f i d 读写器硬件设计2 5 3 1u h fr f i d 射频前端架构分析2 5 3 1 1r f i d 发射机架构2 6 3 1 2r f i d 接收机架构2 7 3 1 3 收发信号隔离电路2 9 3 1 4 功率放大电路3l 3 2u h fr f i d 读写器硬件电路设计3 2 3 2 1 硬件电路设计概述3 2 3 2 2r f i d 射频收发器a s 3 9 9 2 概述3 6 3 2 3a s 3 9 9 2 硬件电路设计4 0 3 2 4u h fr f i d 读写器供电电路设计5 4 3 2 5u h fr f i d 读写器p c b 设计5 5 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 3 以、结5 8 第4 章手持式u h fr f i d 读写器外围电路设计5 9 4 1 主控电路设计5 9 4 1 1s t m 3 2 电源与复位电路6 1 4 2w i f i 无线通信电路设计6 2 4 2 1 基于z g 2 1 0 0 的w i f i 通信电路6 2 4 2 2z g 2 1 0 0w i f i 模组的p c b 设计6 4 4 3 人机交互硬件电路设计6 5 4 3 1 键盘控制电路6 5 4 3 2t f tl c d 控制电路6 6 4 4 锂电池供电管理电路设计6 7 4 5 外围电路p c b 设计6 8 4 6 以、结7 0 第5 章系统软件设计7 1 5 1u h fr f i d 读写器软件设计7 l 5 1 1a s 3 9 9 2 通信控制7 l 5 1 2e p cc 1g 2 协议实现7 4 5 2 手持机控制软件设计7 9 5 2 1 基于r t - t h r e a d 的程序设计7 9 5 2 2 手持机驱动及应用程序设计8l 5 3 小结8 6 第6 章系统测试8 7 6 1u h fr f i d 读写器射频参数测试8 7 6 1 1 载波频率容限8 7 6 1 2 输出功率8 8 6 1 3 邻信道功率比9 0 6 1 4 调制深度与速率9 0 6 1 5 射频信号时间参数9 l 6 1 6 射频信号解码9 2 6 2u h fr f i d 读写器读取标签测试9 3 6 2 1 多标签读取测试9 4 6 2 2 单标签内容读取9 5 6 3d 、结9 7 第7 章总结与展望9 8 v i 杭州电子科技大学硕士学位论文 7 1 论文总结9 8 7 2 待研究的问题与展望。9 9 1 ；! i !谢10 0 参考文献一1 0 1 附录1 0 5 v i i 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 射频识别技术 1 1 1 射频识别技术简介 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 ，r f i d ) 是一项利用射频信号通过空间耦合 ( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递，并通过所传递的信息实现目标识别的技术【1 1 。射频 识别技术起源于二次世界大战期间的雷达系统，兴起于2 0 世纪9 0 年代。射频识别技术利用 了射频信号可以传输能量及信息的特性，无接触的实现了目标识别，与其他识别技术相比较， 射频识别技术的优点包括：对静止或移动的目标都可以进行识别，读写器与目标之间有部分 障碍物时仍然可以识别，标签寿命可达1 0 年至2 0 年，标签抗磨损、污染能力强等，可双向 交换信息，且速度快2 1 。 射频识别体统的组成如图1 1 所示，主要由读写器、电子标签以及计算机软件系统组成 3 - 4 o r f i d 天线 读取的标签信息 图1 1 射频识别系统组成示意图 一个典型的r f i d 读写器由射频前端、控制单元以及天线组成，通常读写器还包含 r s 2 3 2 、u s b 等通信接口，用于和计算机或网络系统传输信息。电子标签由耦合天线及芯片 组成，芯片包含了存储器、逻辑加密及解密电路、微处理器以及射频收发电路。p c 端应用软 件则主要用于处理和分析从标签读取的数据，以及发送指令控制r f i d 读写器将信息写入电 子标签。 无源射频识别系统的工作流程f 5 卅为：r f i d 读写器发射连续载波信号，无源电子标签进 入r f i d 读写器的天线覆盖范围内之后，通过天线将电磁信号转换为电压，对芯片中的蓄电 电容进行充电；随后读写器发出读取标签的请求，标签根据请求参数决定是否响应请求，此 杭州电子科技大学硕士学位论文 过程总是由读写器发起，标签不主动发出指令。 射频识别技术根据工作频率来分通常可以分为低频( 1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ) 、高频 ( 1 3 5 6 m h z ) 、超高频( 8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ) 以及微波( 2 4 g h z 、5 8 g h z ) 4 个类别，低频的 射频识别技术通信速率较低，其天线的方向性较弱，主要用于门禁、票证等；高频的射频识 别技术通信速率较低频系统高，且标签存储数据量大，其通信距离在5 e r n 至l m 之间，近年 来得到了广泛的应用，如公交卡、二代身份证、校园一卡通等，在很多领域逐步取代了低频 射频识别系统；超高频射频识别系统的阅读距离远，通常在l m 至1 0 m 之间，通信速率快， 标签存储数据量大，系统有较强的方向性，可用于物流、交通等需要较长读取距离及较高通 信速率的场合，超高频射频识别技术是近年来射频识别技术发展的热点和趋势。 1 1 2 超高频射频识别系统简介 在低频和高频频段，射频识别的工作原理都是电磁感应，因为其波长很长，如1 3 5 6 m h z 的无线电波波长约2 2 m ，但有效识别距离小于l m ，远小于波长，无法分清反射场和发射场， 其耦合模型属于变压器耦合模型。而对于超高频频段的射频识别技术来说，9 0 0 m h z 的无线 电波波长为1 3 m ，此频段的识别距离可达5 m ，因此很容易分清反射场和发射场，超高频r f i d 和微波r f i d 的工作原理是电磁波反向散射【3 】，其原理示意图如图1 2 所示。 读写器电子标签 图1 2 超高频r f i d 系统工作原理示意i 茎i t 3 j 标签通过天线将电磁信号转换为电能，供给标签芯片工作，同时标签解调出有用信息， 随后，读写器继续发送连续载波，电子标签通过改变天线的阻抗来调整对连续载波的反射， 形成反射调制信号；在读写器端接收到微弱信号( 通常信号强度在2 0 d b m 一7 0 d b m 之间) 之 后进行解调，完成信息交换【7 珞j 。 在超高频r f i d 系统中，读写器是决定性能的关键，目前来说读写器可以采用分离的元 器件来组成，例如正交调制器、混频器、正交解调器、运放、可配置滤波器、a d c 、d a c 、 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 d s p ，也可以使用目前商用化的集成解决方案，如i m p i n j 生产的r 1 0 0 0 、r 2 0 0 0 ，a m s 生产 的a s 3 9 9 1 3 9 9 2 等。读写器设计中包含了发射链路预失真，接收电路载波抵消等关键技术， 也包含了智能天线等新技术。 1 2 超高频射频识别技术的发展状况 从1 9 9 9 年开始，国外就开始加大了对超高频射频识别技术的研究力度， u n i f o r mc o d e c o u n c i l ( u c c ) ，e u r o p e a na r t i c l en u m b e r i n g ( e a n ) i n t e r n a t i o n a l ，p r o c t e r & g a m b l e 和g i l l e t t e 在麻省理工建立了a u t o i dc e n t e r ，此机构的研究方向是低成本的r f i d 标签在供应链中物品 的应用【9 1 。该中心的一个重要研究成果是提出了网络结构，通过r f i d 技术将物品连接到 i n t c r n e t ，从而使得关于物品的信息能够自动传递到需要此类信息的地方，改变了r f i d 应用 的传统思路，这也是当前“物联网 概念的源头。1 9 9 9 年至2 0 0 3 年问，a u t o i dc e n t e r 在美 国国防部和超过1 0 0 家大型r f i d 终端用户公司等支持下，开发了两个空中接口协议( c l a s s0 和c l a s s1 ) ，并定制了电子物品编码( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ，e p c ) 。同时还在包括中国在内 的一些国家建立了研究实验室，称为a u t o i dl a b s 。2 0 0 3 年后u c c 和e a ni n t e r n a t i o n m 联合 成立了非营利性组织e p c g l o b a l ，e p c g i o b a l 是目前世界上最大规模的r f i d 推动组织。 目前在超高频射频识别的市场上，t i 、n x p 、i i i l p i n j 、a l i e n 等国外厂商投入了大量的人 力和资金对电子标签进行研究，他们的产品性能优良，工作稳定，在电子标签芯片领域占有 较大的市场，如沃尔玛超市采用的超高频r f i d 标签很多为t m p i n j 公司产品，而a l i e n 的产 品在物流、机场行李以及单品识别方面也有广泛的应用；国内的坤锐( q u a n r a y ) 电子科技于 2 0 0 8 年推出了中国第一款通过e p cg l o b m 认证的超高频r f i d 标签芯片q r 2 2 3 3 ，随后还推 出了世界上第一款用户区域存储量达2 k 的超高频r f i d 芯片q r 2 2 3 5 ，坤锐的产品较国外同 类产品便宜且容量大，在国内占有一定的市场份额。 而在读写器方面，从2 0 0 7 年开始随着应用需求的增长，出现了许多系统集成供应商， a l i e n 和i m p i n j 在读写器领域中同样处于领先水平，同时他们的读写器也分别针对自有品牌的 标签进行了优化，其高端产品的读写距离甚至可达到1 0 m ，同时以上两个公司的产品逐渐体 现出智能化趋势，其产品往往采用高频率处理器，搭载l i n u x 或w i n c e 操作系统，致力于高 端e p c 应用。 s k y t e k 则致力于便携式r f i d 模块的研究，其产品具有s k y e t e k 独有的高级通用读写器架 构( a u r a ) ，其软件包含了s k y e o s 以及r e a d e r d n a 两个层次，r e a d e r d n a 针对r f i d 硬件 进行了优化，而s k y o s 则为s k y e t e k 产品提供了最佳的兼容性，s k y t e k 与a t m e l 进行了安全 方面的合作，由a t m e l 提供产品加密支持。 在国内，远望谷推出了支持e p cc 1 g 2 协议的x c r f 8 0 0 系列读写器，覆盖了单天线、 多天线的应用场合，配合远望谷x c t f 一8 0 0 0 系列电子标签；先施科技也推出了s 1 8 6 4 s 读写 器以及s 1 8 5 1 手持式读写器。 表1 1 列举了国内外部分超高频r f i d 读写器供应商以及典型产品。 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 表1 1 超高频射频识别读写器部分供应商及产品 供应商产品 工作频段( m i - i z )支持协议实现方式 a l i e na i r 9 8 0 09 0 2 9 2 8 e p cc 1 g 1 ，c 1 g 2分立元件 a l r 9 9 0 09 0 2 9 2 7e p cc 1 g 1 ，c i g 2 分立元件 i m p 硒 s p e e d w a y 8 6 5 - 9 5 6e p c c l g 2 集成解决方案 r e a d e rr 1 0 0 眦0 0 0 s y m b o l x r 4 0 09 0 2 9 2 8 e p c c l g 2分立元件 s k y e t e k m 9 m 1 09 0 2 9 2 8e p c c l g 2 分立元件 a m i n g m a g i c m e r c u r y 5 9 0 2 9 2 8i s o l 8 0 0 0 - 6 b 、6 c 分立元件 m e r c u r y 6 0 9 0 2 9 2 8e p c c l ( 砣 集成解决方案 r 1 0 0 0 远望谷 x c i t f l 8 6 09 2 0 9 2 5e p c c l g 2 分立元件 x c r m 【f 8 1 09 2 0 9 2 5e p c c l g 2 集成解决方案 a $ 3 9 9 0 先施科技s 1 8 6 4 s8 6 0 9 6 0i s 0 18 0 0 0 - 6 b 、6 c 分立元件 可以看出，在上表中，只有i m p i n j 、t h i n g m a g i c 以及远望谷等公司的部分产品使用了符合 e p c 规范的集成电路，其他均为分立器件，而这些分立的高性能器件多由a d i 、l i n e a r 、m a x i m 等国外i c 提供商设计，其价格往往都比较高，因此从2 0 0 7 年开始，学术界和工业界开始研 究符合i s 0 1 8 0 0 0 6 b 6 c 标准的读写器芯片，集成大部分射频前端电路。在2 0 0 7 年国际固态 电路会议( i s s c c ) 上，i n t e l c a t e n a 、s a m s u n g 以及加州大学i r v i n e 分校分别发表了一篇关于 超高频读写器芯片相关文掣1 0 圯】，随后i n t d ( 后被i m p i n j 收购，i m p i n j 产品中所使用的芯片 即源于i n t e l ) 、a m s 相继推出了9 0 0 m h z 频段的读写器芯片，到目前为止以上两个厂商均已 推出第二代设计和工艺的读写器芯片i n d yr 2 0 0 0 以及a s 3 9 9 2 ，在密集阅读器模式下的接收 灵敏度已经达到9 5 d b m ，达到使用分立器件设计的读写器水平，同时能够集成大于8 0 的分 立元件。 可以预计超高频读写器结构走向简单化直至单片化是一个趋势，市场上采用读写器芯片 设计的产品也会越来越多，其成本也会随市场的需求扩大而大幅降低。使用读写器芯片设计 读写器的优势在于其成本低、体积小，并且功耗低，其市场应用将首先出现在便携式应用场 合，便携式应用场合往往要求发射功率不大于0 5 w ，读写距离不超过2 米，其目标市场包括 物流、供应链、防伪等。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要内容和结构安排 本论文的研究工作来源于学校与企业合作项目，项目要求为实现一个用于防伪领域的低 成本手持式超高频射频识别读写器。本文首先分析了超高频r f i d 系统的技术发展现状，对 超高频r f i d 系统的工作原理进行了剖析，然后对e p cc 1 g 2 协议中关于读写器硬件设计的 部分进行了介绍和分析。在硬件设计部分对超高频r f i d 读写器的硬件架构进行了分析并针 对手持式r f i d 读写器的需求和特点选定了硬件架构，对设计的硬件电路进行了重点介绍， 随后分析了读写器模块以及手持机的软件设计过程，最后对r f i d 读写器模块进行了射频指 标及性能测试。 本论文一共分为七章，结构安排如下： 第一章，对r f i d 技术进行简介，对超高频r f i d 技术进行概述，并对超高频r f i d 技术 的发展现状及市场现状进行介绍，最后介绍本文的工作安排。 第二章，首先对r f i d 技术所涉及的电磁场理论进行分析，并采用经典估算公式对r f i d 射频链路进行估算；然后对i s o i e c1 8 0 0 0 6 c ( 即e p cc 1 g 2 ) 协议的物理层、逻辑层中有 关读写器设计的部分参数进行介绍和分析，最后概述了防碰撞算法。 第三章，分析超高频r f i d 读写器的硬件架构，包括发射机架构、接收机架构以及信号 隔离电路等，然后对手持式r f i d 实现方案进行分析和选择，对选择的方案进行相关分析， 并对设计的电路进行射频仿真和分析，最后对读写器的供电以及p c b 布局布线注意事项进行 分析。 第四章，对手持式r f i d 读写器的电路设计进行分析，设计主控电路、w i f i 通信电路、 液晶及键盘电路以及电源管理电路。 第五章，分析超高频r f i d 读写器模块的软件设计，包括a s 3 9 9 2 控制以及关键的e p c c 1 g 2 协议实现，并简要分析手持机的控制软件设计。 第六章，对超高频r f i d 读写器的射频参数进行测试，并对手持式超高频r f i d 读写器的 性能进行测试。 第七章，对本设计的读写器及论文进行总结和展望。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章u h fr f i d 基础理论与协议分析 2 1u h fr f i d 基础理论 2 1 1r f i d 电磁场理论 射频识别技术根据工作频率来分通常可以分为低频( 1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ) 、高频 ( 1 3 5 6 瑚电) 、超高频( 8 6 0 m h z 一9 6 0 m h z ) 以及微波( 2 4 g h z 、5 8 g h z ) ，根据波长计算公 式： 允= e l f ( 2 1 ) 常用的r f i d 频率中，波长最长的1 2 5 k h z 无线电波的波长约为2 3 9 8 m ，较短的2 4 g h z 无线电波频率约为1 2 5 c m ，因此低频和高频r f i d 技术的通信距离远小于其波长，而高频及 微波r f i d 技术的通信距离则可达到大于载波波长的距离【1 3 】。 根据距离与波长的关系，天线的辐射场可以分为三部分：无功近场区、辐射近场区以及 辐射远场区。在无功近场区，电抗场是主要的能量形式，其外边界约为一倍波长，在此区域 外能量主要以电磁波形式向外辐射。 ( 1 ) 无功近场区 无功近场区是紧邻天线的区域，无功近场区是一个储能场，此区域内的电场和磁场之间 的变换相当于变压器中的电和磁之间的转换，此区域内包含导体时，也将以电感耦合的方式 影