（信号与信息处理专业论文）便携式rfid控制与显示系统设计.pdf

摘要 i 便携式便携式便携式便携式 rfidrfidrfidrfid 控制与显示系统设计控制与显示系统设计控制与显示系统设计控制与显示系统设计 作者简介：李俊葶，女，1985 年 02 月生，师从成都理工大学陈金鹰教授， 2010 年 06 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得工学硕士学位。 摘摘要要 物联网（the internet of things）是通过射频识别（rfid） 、红外感应器、 全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联 网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管 理的一种网络，是“物物相连的互联网” 。在物联网中，rfid 技术是其核心技术， rfid 技术扩大和推进着物联网的应用和进步。 rfid 是 radio frequency identification 的缩写，即射频识别。是一种 非接触式的自动识别技术，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。可同时识别多个标签，操作快捷 方便。rfid 的基本组成有：标签（tag） 、阅读器（reader） 、天线（antenna） 。 rfid 技术已广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化等众多领域。在这些 领域中，主要是与计算机相连，通过专门的人机交互界面实现 rfid 应用。还能 实现一些简单的跟踪，比如在食物和药品方面。目前的研究硬件方面主要是标签 的缩小，读写器的轻便、易于携带方面。软件主要是代码的修改和开发，基本不 涉及摆脱计算机工作这一特点。 设计采用凌讯公司生产的 m8 型号 rfid 设备， 通过串口与单片机连接将标签 号码显示到液晶显示器及 led 上，识别工作简单快速高效准确，脱离了计算机工 作这一特性，识别数据无须人工干预扩大它的应用领域，可以工作于各种恶劣环 境中，为当今的 rfid 应用起了很好的启示引导作用。设计了两套显示系统，一 种是 rfid 设备、控制器与 led 等组成的标签号码显示系统；一种是 rfid 设备、 控制器与液晶显示器等组成标签内容读写系统。 由于 led 与液晶显示器都有便于 携带、体积小、成本低、产品易于维护等优点，因此可根据实际应用场合需要自 由选择，对当今 rfid 系统的小型应用提供了借鉴。 设计进行 rfid 数据显示系统研究， 针对 m8 具体的数据协议及通信过程实现 了阅读器与控制器及外围电路的连接。对 m8 的特性、数据通信协议、控制器的 软硬件设计、外围电路等进行了研究和设计。 系统的工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频 卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，获得能量被激活，将自身编码等信息 成都理工大学硕士学位论文 ii 通过卡内置发送天线发送出去。系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信 号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送到后 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。研究主要对标签号 码的检测、读取显示和写操作。 关键词：物联网rfidm8控制器 abstract iii portableportableportableportable rfidrfidrfidrfid controllingcontrollingcontrollingcontrolling andandandand displaydisplaydisplaydisplaysystemsystemsystemsystem designdesigndesigndesign introduction of the author: junting li, female, was born in february, 1985 whose tutor was professor chen jinying. she graduated from chengdu university of technology in singal and information processing major and was granted the master degree in june, 2010. abstractabstractabstractabstract the internet of things works by agreed terms, connect any things with internet to change and communicate information, and then to achieve intelligent identifying and locating and tracking, supervision and management of a network, which is object internet , while by using rfid, infrared sensors, the global positioning system, the laser scanner for information sensing device.rfid is the core part of the internet of things, it enlarges and enhances the development and application of the internet of things. rfidstandsforradiofrequencyidentificationmalsoradiofrequency identification, is a non-contact automatic identification technology,it works by rf signal automatically identifying the target object to obtain relevant data.when it works, it doesnt require manual intervention and can work in a variety of harsh environment.itcanidentifyhigh-speedmovingobjectandcanrecognize simultaneously multiple tags, it operates quickly and easily.the basic composition of rfid is tag、reader、antenna. rfid technology has been widely used in areas such as industrial automation, automation and other areas. in these areas, it is mainly connected with the computer, it complete rfid interface applications by special man-machine. and have achieved some simple track, such as food and medicine. the present research is mainly the label on a hardware side, read and write in the light and portable. software is mainly about the code in fundamental changes and development of computer work to get rid of it. this design uses m8 rfid device that produced by lingxun company,it connects with the microcontroller through the serial port line and then display the label number on lcd and led,it works simplely 、fastly、quickly、efficiently.it can work detach from the computer,the feature of identifying data without human intervention expands 成都理工大学硕士学位论文 iv its areas of application,it can work in a variety of harsh environments.it supplies very good guiding role of enlightenment for modern rfid application.in this essay,the author designs two systems,ont contains rfid and controller and led,other contains rfid and controller and lcd.because lcd and led are portable and have small volume and low cost and can be easily maintained,so can be choosen according real application,it supplies many experience. this paper carries on researching on rfid data display system, aim at data protocol and operation method of m8 and the connection between controller and accessory circuit. research and design contain: the characteristics of the external circuit to the m8、data protocol、design of software and hardware of controllor、 accessory circuit and so on. the systems basic work flow is: reader send a certain frequency rf sign through the transmitting antenna, when the radio card is inside the transmitting antenna area,it generate current, radio frequency card access to energy and is activated. radio frequency card send out encode information through built-in transmitting antenna. the system receiving antenna receives a signal that is sent from the rf carrier signal,then sent to the reader through the antenna regulator,the reader demodulate and decode signal and then send it to the back of the main system for correlation processing. the main system determine the legitimacy of the card based on logic operations, make the appropriate management and control for different settings, the executing agency issues a directive signal to control action. this paper is mainly to read the tag number and display and write operations. keywords:keywords:keywords:keywords: the internet of thingsrfidm8controllor 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得成都理工大学或其他教 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解成都理工大学 有关保留、 使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借阅。本人授权 成都理工大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年月日 第 1 章引言 1 第第第第 1 1 1 1 章章章章引引引引言言言言 1.11.11.11.1 物联网技术简介物联网技术简介物联网技术简介物联网技术简介 物联网（the internet of things）的定义是：通过射频识别（rfid）、红 外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何 物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯 1，以实现智能化识别、定位、跟 踪、监控和管理的一种网络。它的概念是在 1999 年提出的。 物联网是在计算机互联网的基础上，利用 rfid、无线数据通信等技术，构 造一个覆盖世界上万事万物的“internet of things”。在这个网络中，物品(商 品)能够彼此进行“交流”， 而无需人的干预。 其实质是利用射频自动识别(rfid) 技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。 物联网中非常重要的技术是射频识别 （rfid） 技术。 rfid 是射频识别 （radio frequency identification）技术英文缩写，是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种 自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单 rfid 系统为基 础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的 阅读器和无数移动的标签组成的， 比 internet 更为庞大的物联网成为 rfid 技术 发展的趋势 2。 1.21.21.21.2 rfidrfidrfidrfid 技术简介技术简介技术简介技术简介 rfid 是 radio frequency identification 的缩写，即射频识别。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。可识别高速运动物体并可同时识 别多个标签， 操作快捷方便。 它有三个基本器件， 标签 （tag） 、 阅读器 （reader）、 天线（antenna） 。标签(tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电 子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器(reader)：读取(有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。天线(antenna)：在标签和读取器 间传递射频信号。rfid 的出现可追溯至上世纪 30 年代，当然其基本技术无线电 射频技术还可以追溯至 1897 年 guglielmomarconi 发明无线电的时候 3。rfid 采用与无线电广播相同的物理原理来发射和接收数据。 1.2.1 rfid 技术原理及现状 rfid 工作原理：一套完整的 rfid 系统，是由读写器(reader)、电子标签 成都理工大学硕士学位论文 2 (tag)(也称应答器)和应用软件系统三个部分组，rfid 系统基本组成如图 1-1 所 示，其中电子标签的电源模块表示有的用电源 6，有的不需要电源。其工作原理 是 reader 发射某一特定频率的无线电波能量给标签，用以驱动标签将内部的数 据送出，此时 reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。 阅读器发射电磁波，而此电磁波有其辐射范围，当电子标签进入此电磁波辐 射范围内， 电子标签将阅读器所发射的微小电磁波能量存储进而转换成电路所需 的电能， 并且将存储的识别资料以电磁波的方式传送给阅读器作确认及后续之控 制动作。 1电子标签 电子标签是 rfid 系统的真正的载体。一般情况下，电子标签由标签天线和 标签专用芯片组成。 每个电子标签具有唯一的电子编码， 附着在物体目标对象上。 标签相当于条形码技术中的条形码符号， 用来存储需要识别和传输的信息。依据 电子标签的供电方式不同，电子标签可以分为有源电子标签和无源电子标签。 从功能方面来看，可将电子标签分为只读标签、可重写标签、带微处理器标 签和配有传感器的标签。按感应方式来分，标签还可以分为主动式标签和被动式 标签。 2读写器 读写器是负责读取或写入标签信息的设备。它可以单独完成数据的读写、 显 示和处理等功能， 也可以与计算机或其它系统进行联合， 完成对电子标签的操作。 典型的读写器包含有控制模块 7、射频模块、接口模块以及读写器天线。此外， 许多读写器还有附加的接口(rs232、rs485、以太网接口等)，以便将获得的数据 传给应用系统或从应用系统接收命令。 3数据管理系统 数据管理系统主要完成数据信息的存储、管理以及对电子标签进行读写控 制。数据管理系统可以是市面上现有的各种大小不一的数据库或供应链系统， 用 户还能够买到面向特定行业的、高度专业化的库存管理数据库。 读写器电子标签 电源 天 线 天 线 射 频 模 块 控 制 模 块 接 口 模 块 数 据 管 理 系 统 存储器控制器 时钟编码器调制器 图图图图 1-11-11-11-1rfid 系统框图 第 1 章引言 3 系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送出一定频率的射频信号， 当附着标签的目标对象进入发射天线工作区域时标签会产生感应电流， 电子标签 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息， 或者主动发送某一 频率的信号。 读写器对接收天线接收到电子标签发送来的载波信号进行解调和解 码后， 送到数据管理系统进行相关处理，数据管理系统根据逻辑运算判断该电子 标签的合法性，针对不同的设置做出相应的处理和控制。 rfid 技术现状：尽管 rfid 技术已经出现多年，在很多领域都具有良好的应 用前景， 并且已经逐渐在一些领域开始广泛的应用， 但仍有许多因素制约着 rfid 技术的快速发展。标准不统一是影响 rfid 大规模上生产制造的原因之一。迄今 为止，全球也还没有正式形成统一的（包括各个频段）rfid 国际标准。标准（特 别是关于数据格式定义的标准）的不统一是制约 rfid 发展的重要因素，而数据 格式的标准问题又涉及到各个国家自身的利益和安全。 标准的不统一也使之前各 个厂家推出的 rfid 产品互不兼容，这势必阻碍了未来 rfid 产品的互通和发展。 成本问题也是 rfid 系统不容忽视的。 如果要实现大规模商用，就必须降低成本。 目前，美国一个电子标签最低的价格是 5 至 20 美分左右，而条形码还不到一美 分。rfid 在单价低价格物品上的使用会导致成本陡涨，甚至有可能超过物品本 身的价值。只有标签的单价下降到 10 美分以下，才可能大规模应用于整箱整包 的商品，只有下降到 3 美分以下，才有可能应用于单件包装消费品。 在欧美国家，rfid 的最大问题是 rfid 技术可能导致对个人隐私权的侵犯， 因而 rfid 的使用受到了许多人权组织和个人的反对 8，他们示威甚至企图通过 法律来阻止 rfid 产品的使用。目前，各大 rfid 厂商正努力寻找解决之道，他们 试图通过使射频标签在商品销售到消费者手中后自动失效或者通过加密手段来 保护个人隐私。 在技术方面，虽然在 rfid 电子标签单项技术上已经趋于成熟，但总体上产 品还不够完善，还存在较高的差错率。由于液体和金属制品等对无线电信号的干 扰很大，单个标签被误读的比例有时高达 20。射频标签和读写器具有方向性， 且射频识别信号容易被物体阻断，这也是射频技术发展的一大挑战。 安全方面的问题，已经受到越来越多的人的关注。尽管很多厂家一再保证 rfid 使用的电磁波符合国际关于电磁辐射的标准，但 rfid 所使用的 800 至 900mhz 已经属于甚高频范围，很多人担心长期生活在 rfid 包围中会受到高频射 线影响。人生安全也是 rfid 大规模配置时应当考虑的问题之一。 1.2.2 rfid 应用现状及发展方向 rfid（radio frequency identification）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 成都理工大学硕士学位论文 4 应用。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，rfid 技术进入商业化应用阶段。 rfid无线射频识别系统被视为本世纪最重要的前十大 技术， 虽然此技术存在已久，但直到wal-mart要求其百大供货商必须全面将商品 贴上rfid电子标签后，一场rfid的风暴才就此展开。美国市场研究机构也预测 rfid在2013年产值可达210亿美元，年成长率约44.2%，商机十分庞大。因此有人 以二次it革命来形容此技术的潜能及发展性。 由于 rfid 被列为本世纪十大重要技术项目之一，所以世界各国无不全力发 展，由一些统计数字来说明，在过去十年中，即有六千多种的关于 rfid 技术的 专利申请。 (一)国外应用现状 从全球的范围来看，美国已经在 rfid 标准的建立、相关软硬件技术的开发、 应用领域走在世界的前列。欧洲 rfid 标准追随美国主导的 epcglobal 标准。在 封闭系统应用方面， 欧洲与美国基本处在同一阶段。 日本虽然已经提出 uid 标准， 但主要得到的是本国厂商的支持，若要成为国际标准还有很长的路要走。rfid 在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视。 （1）美国在产业方面，ti 公司、intel 公司等美国集成电路厂商目前都在 rfid 领域投入巨资进行芯片开发 4。在物流方面，美国已有 100 多家企业承诺支 持 rfid 应用。值得注意的是，美国政府是 rfid 的积极推动者。按照美国国防部 的合同规定，从 2004 年 10 月 1 日到 2005 年 1 月 1 日之间，所有军需用品都已 经使用了射频标签， 美国食品和药物管理局制药商从 2006 年起利用 rfid 跟踪最 易造假的药品， 美国社会安全局于 2005 年年初使用 rfid 技术追踪各种表格和手 册。 （2）欧洲在产业方面，欧洲的 philips 公司、st 微电子公司在积极开发廉 价 rfid 芯片，checkpoint 公司在开发支持多系统的 rfid 识别系统，诺基亚公 司在开发能够基于 rfid 的移动电话购物系统，sap 公司则在积极开发支持 rfid 的企业应用管理软件。在应用方面，欧洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化 控制、物资跟踪系统与美国基本处在同一阶段。 (二)国内应用现状 当前我国 rfid 应用市场上大的项目寥寥可数。迄今为止最大的项目是学生 证的防伪，用量已经达到 2000 万；其次是火车车皮和集装箱的识别，用量也达 到了百万左右；再者就是对高压气瓶和钢瓶等安全物品以及记价器的防伪。 随着 rfid 技术的重要性日益体现，我国政府也希望能够在这项技术上有所 创新。2004 年 2 月，我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、制定我国有关“电子标签”的国家标准。 rfid 技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面 rfid 的成功应用 第 1 章引言 5 反过来又极大地促进了应用需求的扩展。从技术角度说，rfid 技术的发展体现 在若干关键技术的突破。 rfid 技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括： 芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。 （1）rfid 电子标签方面，电子标签芯片所需的功耗更低，无源标签、半无 源标签技术更趋成熟。其作用距离将更远，无线可读写性能也将更加完善，并且 能够适合高速移动的物体识别，识别速度也将更快，具有快速多标签读写功能， 一致性更好。与此同时，在强场下的保护能力也会更加完善、智能性更强、成本 更低。 （2）rfid 阅读器方面，多功能读写器，包括与条形码识别集成、无限数据 传输、脱机工作等功能将被更多应用 5，同时智能多天线端口、多种数据接口 (rs232，rs422485，usb，红外，以太网口)、多制式兼容(兼容读写多种标签 类型)。读写器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成本将更加 廉价，应用范围更加广泛。 （3） 在 rfid 系统种类方面， 低频近距离系统将具有更高的智能、 安全特性； 高频远距离系统性能将更加完善，成本更低；2.45ghz 和 5.8ghz 系统也将更加 完善；无芯片系统逐渐得到应用。 （4）在 rfid 标准化方面，与 rfid 标准相关的基础性能研究更加深入、成 熟；最终形成并发布的标准为更多的企业所接受；不同的制造商生产系统、模块 可替代性更好、更为普及。 射频识别技术在未来的发展中， 在结合其他高新技术实现单一识别向多功能 识别方向发展的同时，将与现代通信技术和计算机技术一道共同实现跨地区、 跨 行业应用。 1.31.31.31.3 论文的选题意义论文的选题意义论文的选题意义论文的选题意义 目前 rfid 应用在诸多领域，现在市面上的 rfid 读写器，典型的包含有控制 模块、射频模块、接口模块以及读写器天线。此外，许多读写器还有附加的接口 (rs232、rs485、以太网接口等)，以便将获得的数据传给应用系统或从应用系统 接收命令。这些读写器，普遍都与计算机来配合工作。通过设计相应的软件， 把 数据存放在数据库中，一旦读写器检测到某种标签，系统会有设计好的软件来显 示数据，从而了解标签所代表的意义。这种用 pc 配合 rfid 设备工作的优点是信 息存储量大、界面友好直观等；缺点是不易携带、高成本、使用不方面等。研究 分析了目前 rfid 在使用中存在的由 pc 机通过端口输出进行 rfid 阅读器控制所 带来的高成本、不便携带、使用不方便等影响 rfid 推广的弊端后，提出了便携 成都理工大学硕士学位论文 6 式 rfid 控制与显示系统的解决方案。基本思想是当需要对电子标签进行身份识 别时，通过启动 at89c51，由 eia rs-232c 向 m8 模块发送阅读器读写电子标签 指令，当阅读器收到应答后，将获得的数据信息传输到 led 和液晶显示器显示， 从而摆脱传统 rfid 阅读器工作对 pc 机的依赖。 目前 rfid 使用最多的软件是 vc，若更改了硬件设备，也需更改软件程序， 改写相应数据库，来适应相应场合。在不需要计算机的小应用场合，比如只需要 进行数据的收发等简单的工作，没有必要浪费如此大的资源。电路采用凌讯公司 m8 型号 rfid 设备，它具有体积小、重量轻、携带方便等优点，和计算机连接主 要有 rs232 和 usb 接口。通过串口与控制器连接将标签的号码显示到显示器上， 识别工作简单快速高效准确。脱离了与计算机连接工作这一特性，为当今 rfid 应用起了很好的启示引导作用。 1.41.41.41.4 论文主要工作论文主要工作论文主要工作论文主要工作 对设计而言，rfid 通信协议是一个首要的问题，通过它才能知晓标签和读 写器如何通信、标签传过来的数据代表什么意义，是要求进行数据通信、读取数 据还是写数据。掌握通信协议后，才能进行硬件和软件设计。掌握通信议后， 首 先要选择使用什么样的控制器， 了解控制器的工作流程， 设计控制器的外围电路， 在外围电路中， 显示模块占有举足轻重的地位， 它的选取和研究占有很大的成分。 其次是各个小模块的实现。 在设计的最初阶段，用了 led 对标签号码进行显示设 计，对标签内容进行了读写操作用的显示模块是液晶显示器。良好的可靠运行的 硬件是软件设计的根据，硬件设计好后，通过对通信协议和设计要求综合，思考 出软件工作流程图，编写程序代码，进行软件测试，最后进行整个系统的调试。 研究通过对 rfid 协议的分析，理解它的数据通信原理，掌握它与计算机实 现数据读写的方式，据此设计出硬件电路，实现对标签检测、标签号码读取、 标 签内容读写设计。进行 rfid 数据显示系统研究，实现了 rfid 设备与控制器及外 围电路的连接，并设计了相应的程序代码。总体而言，对 m8 的特性、数据通信 协议、控制器的软硬件设计、外围电路等进行了研究和设计。 研究的关键技术有： (1)rfid 通信协议； (2)系统的硬件实现； (3)系统的软件实现； 系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号， 当 标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，获得能量被激活。标签将自身编码 等信息通过卡内置发送天线发送出去， 阅读器接收天线接收到从标签发送来的载 第 1 章引言 7 波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送 到控制器进行相关处理。控制器根据逻辑运算判断对该卡的操作，针对不同的操 作要求做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 1.51.51.51.5 论文组织论文组织论文组织论文组织 论文的组织结构如下： 第一章 绪论部分，介绍了物联网技术、rfid 技术，rfid 技术工作原理、 发 展现状、国内外应用现状和发展方向等。 第二章 研究了便携式 rfid 系统总体设计方案，首先介绍了 rfid 设备 m8， 对它的阅读器、标签、通信协议、与计算机通信进行了介绍。然后进行了便携式 rfid 系统总体设计，对其中的控制模块、显示模块、电源模块进行了说明设计。 第三章 设计了利用 led 作为显示模块下的便携式 rfid 控制与显示系统， 对 硬件电路进行了细化设计，包括控制部分、led 显示部分、按键电路，并设计了 相应的电路图。又对检测标签协议做了研究，并给出了软件程序代码。 第四章 设计了利用液晶显示器显示标签内容的便携式 rfid 控制与显示系 统，对液晶显示器做了详尽说明，包括基本特性、使用前工作，进行了字符显示 设计。对控制器对液晶显示器的控制部分做了详尽设计。除此之外，对阅读器读 标签、写标签命令的协议做了研究，给出了软件程序代码。 第五章 讨论了测试与实验结果，包括有两方面内容，rfid 与计算机通信和 使用 led 和 lcd 作为显示模块的便携式 rfid 系统设计， 测试结果表明设计成功。 所以便携式 rfid 系统总体设计完全成功。 最后分别给出论文的总结及展望、参考文献、致谢、攻读硕士期间取得学术 成果。 成都理工大学硕士学位论文 8 第第第第 2 2 2 2 章章章章便携式便携式便携式便携式 rfidrfidrfidrfid 系统总体设计系统总体设计系统总体设计系统总体设计 rfid 系统是以射频识别技术为核心，读写器内主要使用了读写处理芯片, 它是读写设备的核心处理器件：包括了调制、解调、产生射频信号、安全管理和 防碰撞机制等功能模块，内部结构分为射频区和接口区，射频区内含调制解调器 和电源供应电路，直接与天线连接。接口区内与单片机等处理器端口相连接， 读 写卡片时，与读写处理芯片相连的天线不断向外发出一组固定频率的电磁波， 当 卡片接近时，卡片内的 lc 串联谐振电路与天线发射频率相同，这样在电磁波的 激励下，lc 谐振电路产生共振，从而使电容充电有了电荷。在这个电容的另一 端，接有一个单向导电的电子泵 9，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当 电容的充电电压达到 2v 时，此电容就可作为整个卡片上电路的供电电源使卡片 能够与读写器进行数据通信及完成读写器发出的读写等命令。 2.12.12.12.1 rfidrfidrfidrfid 设备设备设备设备 研究使用的 rfid 设备是 skyetek 公司 2006 年自主开发研制的产品 m8，测 试结果表明它符合国际 rfid 设备标准，目前已广泛被使用。出厂时，包括读写 器、标签、存储器（将相应的数据存到 m8 里面） 、电源、相应的源代码（vb）等， 且里面有大量的 c 库，方便对它进一步开发。读写器感知标签中的数据，并将它 显示在计算机上。 m8 的特点有：硬件模块化、软硬件相配套，即如果硬件改变了，只需在软 件模板上做相应的修改、方便快捷、可靠识别物体（包括移动物体） 、高度自动 化、电源、串口等外部设备标准化，便于与其它设备连接、保密、安全性能良好， 因此被应用广泛。标签也较小、重量轻，可方便的与读写器感应。m8 有多种接 口，ttl、spi、usb，这些可以在软件中进行选择。如今 m8 已经在南美、欧洲等 地进行了大规模的使用，在中国，也逐渐被广大民众熟悉。 m8 射频读卡器主要分为两部分：射频模块和控制模块，射频模块主要指天 线和读写器之间的通信，读写器通过射频天线向标签发射读取信号，并接收识别 卡的应答，对识别卡的对象标识信息进行解码，再通过控制模块将对象标识信息 连带识别卡上的其他相关信息传输到控制器以供处理。m8 的基本模型如图 2-1 所示。 由图 2-1 所示，rfid 系统有三个基本器件，标签（tag） 、阅读器（reader）、 天线（antenna） 。现阶段阅读器通常与 pc 机通过 rs232 或 rs185 连接在一起工 作。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上 标识目标对象。阅读器是读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持 第 2 章便携式 rfid 系统总体设计 9 式或固定式。天线在标签和读取器间传递射频信号。 图图图图 2-12-12-12-1m8 基本模型 2.1.1 m8 阅读器 m8 设备易携带，大小如图 2-2 所示，单位均为厘米。产品易升级，工作频率 为 860mhz-960mhz。有内嵌的天线，来感应标签的存在。 m8 工作特性：读写器有一个主接口板，工作频 率 902-928mhz，输入电压范围-0.5v-+5.5v，工作电 流 1a，有 rs-232 口和 usb 口，出厂时有相应的计算 机显示界面、vb 源代码、部分库函数，工作温度： -20 度-+85 度。 标签：天线频率 902-928mhz，体积小，灵敏度高 可在 20 米内被检测。 电源：工作电压直流 5v，工作电流直流 1a。 图图图图 2-22-22-22-2m8 设备外观 在 5v 电压下，m8 模块的智能电源管理可以使电流低于 100ua(休眠模式)， 这样可以使设备用电池来驱动。 为了支持所有在 uhf 频段工作的标签，m8 设备允许用户使用软件控制 rfid 射频参数，包括传输频率、传输损耗、频率跳变等。 m8 无线功能有： 射频功耗：为了减小功率损耗，与不同国家的和地区的标准相一致，m8 的 射频功耗输出是可以调节的，它包括如下参数：功耗范围：12dbm-27dbm。可变 梯度：0.1dbm。在指定的温度范围和频率范围没，精确度为+/-1dbm。在 m8 与计 算机通信的工作界面上可以做选择。 阅读器 2.00 1.75 3.00 rs232 标签 id + tx 电路 应答器 pc 成都理工大学硕士学位论文 10 m8 在直流 5v 下工作，功耗电流最大为 1a。实际功耗与射频传输功耗、射频 传输频率、天线的连接方式、外围类型、传感器、m8 应用的模式相关。 频率：为了适应不同国家和地区的频率使用规定，m8 的传输频率是可选择 的， 用户可根据自己的需要， 从 860mhz-960mhz 中选择。 频率跳变从 10khz-200khz 也可以选择。在指定的温度范围内，精确度为+/-1 khz。在与计算机通信的界面 中也可以做选择。 在生产过程中，由于有许多可变因素，表 2-1 列出的读取范围仅供参考。 这 些数据是在真空状态下的数据，没有干扰的信号和物质。实际中数据会因环境和 标签类型而变。m8 的功耗如表 2-1 所示。 表表表表 2-12-12-12-1 m8 功耗 power(dbm)internal antenna gain=0 dbiexternal antenna gain=8 dbi 120.5 foot(ft.)(0.1524 meterm)1 ft. (0.3m) 273 ft.(0.9144 m)9ft.(3m) m8 与主机接口连接：为了简化对 m8 模块的操作，m8 有一个 20 针的接口。 只需根据具体应用来设计相关的控制模块，并通过导线与接口相连，就可以按指 定的通信方式与 m8 模块进行数据交互。20 针的接口如图 2-3 所示。 图图图图 2-32-32-32-3 m8 的 20 孔接口 主机接口扩展设备：主板是 m8 设备的主要部件和接口扩展设备，接口板允 许 m8 通过 rs-232 和 usb 与主机相连。硬件中的 j5 跳线，使得用户可以自由选 择通过 usb 或 rs-232 与主机相连。 2.1.2 m8 标签 电子标签可分为有源和无源，国际自动识别制造商协会（aim global）对 rfid 有源、无源及其他技术名词进行了说明界定，给出了一个清晰的划分。 有源 rfid 标签：有源 rfid 标签产生并发射信号 10，它需要一个内部电源产 生电路，播出响应信号给读写器。阅读距离主要与读写器接收灵敏度有关，一般 1vdd 2vdd 3vdd 4 mclr/ 5cs/ 6dflt 7txttl 8rxttl 9scl/sck 10sdi/sd a 11sdo 12pin12 13pin13 14pin14 15pin15 16n.c. 17 n.c. 18 gnd 19 gnd 20 gnd 第 2 章便携式 rfid 系统总体设计 11 情况下，有源标签作用距离大于无源标签。有源标签使用电池供电，一般寿命只 有 2 至 3 年，到期就要更换电池。无源 rfid 标签本身不带电池，依靠读卡器发 送的电磁能量工作。 无源 rfid 标签： 无源 rfid 标签接收读写器发射的信号并对其进行调制后反 射给读写器，本身不带电池 11，依靠读卡器发送的电磁能量工作。从读写距离来 看， 无源标签的读写距离受到激活标签最小所需能量和读写器接收灵敏度两方面 限制，作用距离小于有源标签。无源标签不存在使用电池供电这种问题，便于维 护，且标签成本低。 无源 rfid 标签结构简单、经济实用，因而获得了广泛应用，m8 中使用的就 是无源 rfid 标签。 m8 标签的结构：m8 标签由 rfid ic、谐振电容 c 和天线 l 组成。天线与电 容组成谐振回路，调谐在读卡器的载波频率 12，以获得最佳性能。 天线：rfid 标签天线有两种形式：线绕电感天线、在介质基板上压印或印 刷刻腐的盘旋状天线。天线形式由载波频率、标签封装形式、性能和组装成本等 因素决定。m8 的天线属于在介质基板上压印或印刷刻腐的盘旋状天线。 天线与 rfid ic 贴接：ic 贴接也有两种基本方法：使用板上芯片、裸芯片 直接贴接在天线上。前者常用一线绕天线，后者用于刻腐天线。m8 的天线属于 裸芯片直接贴接在天线上，m8 标签内部结构框图如图 2-4 所示。 图图图图 2-42-42-42-4 m8 标签内部结构图 由图 2-4 所示，m8 标签内部主要由 rf 模块、数字控制模块和 eeprom 三个 部分组成。在 rf 模块完成对接收信号的谐振、时钟提取、电压生成、接收信号 的解调、 发送信号的调制和对芯片系统的复位。 在数字控制模块完成抗冲突控制、 crc 校验和收发控制，同时提供和 rf 模块的信号接口以及和 eeprom 的接口， eeprom 用于存储用户数据 13、afi、dsfid、厂商信息和 uid14，由于 m8 使用的 eeprom数字控制模块rf 模块 抗冲突控制 收发控制 crc 校验 rf 接口控制 eeprom 接口 eeprom 天线 接入 解调 调制 谐振 复位 时钟 成都理工大学硕士学位论文 12 是无源标签，故图 2-4 中没有电源模块，m8 标签的天线频率是 902-928mhz， 标签体积小，灵敏度高，可在 20 米内被检测。 2.1.3 m8 通信协议 m8 通信协议是 skyetek 协议，它是一个多协议 oem 模块，可用来读写满足 iso 18000-6a/b、epc class0/0+或 epc class1 gen2 和其它协议的频率范围为 860-960mhz 的 uhf 标签，还可以在现场通过升级固件程序来增加新的标签协议 和兼容性。通信数据的格式为 64 位，有 ascii 和二进制格式两种，研究使用的 是 ascii。就是说，在检测标签、读、写标签命令的时候，数据通过 64 位 ascii 码依次传递。读写器初始化原始数据并决定采用哪种数据进行通信。 m8 支持表 2-2 厂家使用的相应协议标签的检测、读、写命令，本设计中使 用的标签为 philips 公司生产的的代码为 86 的 iso18000-6b 协议的标签。 表表表表 2-22-22-22-2m8 支持的通信协议 协议标签类型代码厂家 epc class1 gen282impinj epc class001matrics epc class0+00matrics epc class0+00impinj epc class181alien/st microelectronics iso18000-6 b86intermec iso18000-6 b86philips m8 设备数据通信格式是固定的，在系统升级后不会发生改变。下面说明了 在 ascii、二进制格式下的数据串行通信格式。这种通信格式