（电机与电器专业论文）基于ads的uhf读写器硬件电路设计与仿真调试.pdf

摘要 射频识别作为近年来兴起的一种非接触式自动识别技术，在各领域得到广 泛应用。目前，大多数超高频射频识别读写器电路都由分立元器件组成，存在 元器件数目多、成本高、功耗大等弊端。针对此情况，本文采用集成射频芯片 a s 3 9 9 0 完成电路的设计与调试，并对电路中的基带部分、射频部分进行研究。 论文首先阐述射频识别技术的发展、原理和射频识别系统的构成。分析了 i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准，对读写器与电子标签之间的相互通信进行详细分析，同 时研究射频通信电路设计的相关理论。在讨论读写器主要技术的基础上，给出 读写器的总体设计框图，详细分析射频基带部分电路结构和工作原理。 其次，在基带电路中，针对r f i d 超高频读写器的工作特点，设计基于f p g a 的读写器编解码电路，通过f p g a 可以精确定义读写器的t a d 值，使读写器的 编解码精度明显提高；另外选用c c 4 3 0 f 6 1 3 7 作为主控芯片，通过设置 c c 4 3 0 f 6 1 3 7 的工作模式，最大限度的降低损耗，文中采用对f p g a 、 c c 4 3 0 f 6 1 3 7 、以及f p g a 当中的存储器实行单独供电的方式，可以提高读写器 工作效率；文中给出基带电路各个部分的电路原理图，并通过a d s 仿真表明基 带电路具有良好的性能，适用于实际的r f i d 读写器电路设计。 再次，文中设计基于射频专用芯片a s 3 9 9 0 的射频电路；以r f 2 1 7 3 为控制 芯片的射频信号调试电路来抑制噪声；以s p a - 2 11 8 为控制芯片的射频功率放大 电路实现功率放大；并针对r f i d 超高频读写器的工作特点，设计射频电路，减 少外接元件，降低读写器成本和功耗，提高射频电路的灵敏度。 最后根据读写器总体设计要求，开发读写器样机，对射频电路中的功率放 大电路及其内部进行分模块调试，给出实验结果并对实验数据进行分析。 通过对读写器样机测试表明其输出功率、读卡距离、功耗等技术性能指标 均达到或优于设计标准，样机运行稳定可靠，达到预期的设计目标。 关键词：读写器，a s 3 9 9 0 射频芯片，c c 4 3 0 f 6 1 3 7 处理器，a d s 仿真 a b s t r a c t r f i di san e wt e c h n o l o g yo fn o n c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nw h i c hi s w i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cr e s e a r c h i n gb a s e do nu h f r e a d e ri s s t i l li ni t sp r i m a r ys t a g e a i m i n ga tt h ew e a k n e s so fu h fr f i dr e a d e rb y t h ed i s c r e t ec o m p o n e n t s ，s u c ha st o om a n yc o m p o n e n t s ，h i g hc o s t , h i g hp o w e r c o n s u m p t i o n , a n ds oo n ；t h i sp a p e ru s ea s 3 9 9 0a sr fi n t e g r a t e dc h i p ，s t u d yt h e b a s e - b a n dc i r c u i ta n dt h er fp a r ta n dc o m p l e t e dt h ec i r c u i td e s i g na n dd e b u g g i n g f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n t , p r i n c i p l e a n d s y s t e m s t r u c t u r eo fr f i dw e r e i n t r o d u c e d t h ei s o i e c18 0 0 0 6t y p ecs t a n d a r dw a sa n a l y z e d a n dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nr e a d e ra n dt h ee l e c t r o n i ct a gw a sd e t a i l e da n a l y z e d ，a n dt h e t h e o r yo fr fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sr e s e a r c h e d o nt h eb a s i so fr e a d e r , t h ep a p e r d e t a i l e da n a l y z e dt h er fc i r c u i ts t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s i g nt h er e a d e rc o d e ec i r c u i tb a s e do nf p g ai nt h e b a s e - b a n dc i r c u i t ；f p g ac a np r e c i s e l yd e f i n et h er e a d e rt a dv a l u e s ，s ot h a tt h e r e a d e r sa c c u r a c yw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d m e a n w h i l e , t h i sp a p e rs e l e c t e dt h e c c 4 3 0 f 6 13 7 嬲t h em a s t e rc h i pa n dr e d u c e dl o s s e sb ys e t t i n gt h eo p e r a t i n gm o d e 砀ee f f i c i e n c yo fr e a d e rc a nb ei m p r o v e du s i n gt h ew a yt oi m p l e m e n tas i n g l ep o w e r s u p p l yf o rf p g a 、c c 4 3 0 f 6 1 3 7a n dt h em e m o r y t i l i sp a p e rl i s t e dt h ev a r i o u sp a r t s o ft h eb a s e - b a n dc i r c u i ts c h e m a t i ca n dt h er e s u l tw h i c hw a ss i m u l a t e db ya d s s h o w e dt h a tt h eb a s e - b a n dc i r c u i th a dg o o dp e r f o r m a n c e t h i r d l y , t h i sp a p e rd e s i g n e dt h er fc i r c u i tb a s e do na s 3 9 9 0 ；u s i n gr f 2 1 7 3a s c o n t r o lc h i p ，r fs i g n a ld e b u g g i n gc i r c u i tc a ni n h i b i tn o i s e ；u s i n gs p a - 2 118a s c o n t r o lc h i p ，r fp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i tc a na c h i e v ep o w e ra m p l i f i c a t i o n t h cr f c i r c u i tw a sd e s i g n e dt or e d u c et h ec o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o na c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so ft h eu h fr f i dr e a d e r a ts h es a m et i m e ，t h er e c e i v e rs e n s i t i v i t yw a s i m p r o v e da l s o f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s ，au h fr f i dr e a d e r p r o t o t y p ew a sd e v e l o p e d ，p o w e ra m p l i f i e rc i r c u i tw a se x p e r i m e n t e da n dd e b u g g e d ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ep r e s e n t ，a n dt h er e l a t e di s s u e si nt h ed e b u g g i n gp r o c e s s w e r ed i s c u s s e d i i t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o t y p e so u t p u tp o w e r ，r e a dd i s t a n c ea n dp o w e r c o n s u m p t i o na r ea t t a i n e d t h ed e s i g n s t a n d a r d sr e q u i r e d t h ep r o t o t y p ec a nw o r k s t a b l ya n da c h i e v et h ee x p e c t e dg o a l s k e y w o r d s ：r e a d e r , a s 3 9 9 0r fi n t e g r a t e dc h i p ，c c 4 3 0 f 6 1 3 7p r o c e s s o r , a d s s i m u l a t i o l l 目录 第1 章绪论l 1 1 课题的研究背景1 1 2r f i d 技术国内外研究现状3 1 3 本文的主要研究工作。5 1 4 论文的结构安排5 第2 章r f i d 相关技术及i s o1 8 0 0 0 6 c 协议解读7 2 1r f i d 系统的组成与工作原理7 2 1 1r f i d 系统的构成原理7 2 1 2r f i d 系统工作原理8 2 2i s o i e c18 0 0 0 6 c 协议解读8 2 2 1 i s o i e c18 0 0 0 6 c 物理接口一1o 2 2 2 标签的选择、盘存和访问。1 7 2 2 3 相应电子标签( t a g ) 信号的接收与解码原理1 7 2 3 本章小结1 8 第3 章u h fr f i d 读写器基带部分电路设计1 9 3 1f p g a 部分实现编码与整形1 9 3 1 1 编码与整形的实现原理1 9 3 1 2f p g a 原理图设计及注意事项2 0 3 2c c 4 3 0 f 6 1 3 7 部分电路2 3 3 2 1e e 4 3 0 f 6 1 3 7 原理图设计。2 3 3 2 2e c 4 3 0 f 6 1 3 7 原理图设计注意事项一2 4 3 3 基带信号放大部分电路设计2 4 3 4 基带电源电路设计2 6 3 4 1 电源原理图设计_ 2 6 3 4 2 注意事项2 7 3 5 本章小结2 8 第4 章u h fr f i d 读写器射频电路设计与射频芯片选择2 9 4 1u h f r f i d 读写器发送电路设计2 9 4 1 1u h fr f i d 读写器发送电路原理2 9 4 1 2u h fr f i d 发送电路设计3 0 w ， 4 2u h fr f i d 读写器接收电路设计31 4 2 1u h fr f i d 读写器接收电路原理。31 4 2 2u h fr f i d 读写器接收电路设计3 2 4 3 读写器收发分离电路设计3 2 4 3 1 环形器工作原理及性能指标3 3 4 3 2r f i d 环形器c l 0 5 a r 0 9 1 5 a e e 3 3 4 4 射频信号放大电路设计3 4 4 4 1 射频信号调制电路设计3 4 4 4 2 射频功率放大电路设计3 6 4 5 天线接口电路设计一3 9 4 5 1 天线接口电路作用二3 9 4 5 2 读写器天线电路设计原理与设计时的注意事项3 9 4 6 射频电源部分电路设计4 0 4 7u h fr f i d 射频芯片的选择。4 l 4 7 1a s 3 9 9 0 作为r f i c 时所需注意事项4 2 4 7 2a s 3 9 9 0 原理图设计4 3 4 7 3a s 3 9 9 0 p c b 设计注意事项：4 3 4 8u h fr f i d 读写器射频电路p c b 设计要点4 4 4 8 1 射频电路的e m c 与e m i 一4 4 4 8 2 读写器射频部分p c b 设计4 5 4 8 3 电磁屏蔽设计。4 5 4 9 本章小结4 6 第5 章u h fr f i d 读写器射频电路仿真与调试? 4 7 5 1a d s 介绍4 7 5 2 主要测试仪器4 8 5 3 射频发射部分电路调试_ 4 9 5 3 1 射频输出功率测试一4 9 5 3 2 射频功率放大电路仿真与调试5 1 5 4 射频接收部分调试5 3 5 5 本章小结5 4 第6 章总结与展望5 5 v 6 1 本文总结5 5 6 2 展望5 6 致谢：5 7 参考文献。5 8 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 1 v l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 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 ) 技术是起源于上世兰t 2 9 0 年代 现在已经广泛应用于市场的一种非接触式自动识别技术，它是利用射频信号通 过空间耦合实现非接触信息的传递，实现对目标进行识别并获取相关数据的目 的【l 】。 射频识别的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不受视距的限制，识别 距离比关学系统远，电子标签有可被读、写或者同时实现读写的功能，存储空 间大可携带大量数据，难以伪造和智能性较高等。射频识别同其他的自动识别 技术相比，它具有以下优势【2 】： ( 1 ) 射频识别采用非接触通信，即不需要人工操作来完成就能实现对目标 的控制； ( 2 ) 可存储的数据量相当大，可根据客户需要对采用r f i d 技术的相关物 品进行身份或者状态的检测； ( 3 ) r f i d t 作的频率相对较高，进而对信息的反应时间极短，导致了对 相应工作的处理速度较快。 ( 4 ) 每个r f i d 系统只有一个对应的i d 号，因而r f i d 系统中存储的信息或 者数据只能够经过允许才能够访问。 ( 5 ) r f i d 技术可以通过控制输出功率来控制它的识别距离，功率越大其 读写距离越远，有时两者之间的读写距离在理想情况下能达到几十米远。 ( 6 ) 由于采用非接触通信，因而对通信的环境要求极低，可以工作在较恶 劣的环境，抗干扰能力强，不需要人工操作可以一天2 4 d x 时工作，同时还 可以最大程度的降低机械磨损。 ( 7 ) 可以随身携带，操作简单，很适合市场需求。 以上这些优点使r f i d 技术广泛应用于交通领域如高速公路收费系统、智能 停车场、实时交通督导系统等；在物流方面r f i d 技术可以实现系统管理、入库 管理、出库管理、盘点管理、调拨管理、退换管理以及报表分析；除此之外r f i d 还大面积应用于对煤矿金属矿的管理、对航空行李进行管理、对进入图书馆或 武汉理工大学硕士学位论文 者数据中心的物品进行控制、对车辆轮船等运行物进行运行定位支持；同时还 应用于运动计时、身份识别、制造与加工生产自动化、动物识别与管理、废弃 物管理、会议管理等领域；另外r f i d 标签具有可读写能力，因此该技术尤其适 用于需要频繁改变数据的场合。 r f i d 是利用无线电技术来识别i d ，读写器和电子标签( 应答器) 间是一种非 接触，即一种短距离的无线通信方式；两者之间可以进行有问有答的双向通信。 该通信方式是通过射频识别当中的硬件部分之间直接参与执行的。最重要的一 点是r f i d 可以通过软件对要求追踪的信息进行检测以及把新数据更新到系统 的数据库当中，也可以利用网络实现远距离通信。 r f i d 系统因工作频率的不同可分为低频段( 其工作频率范围为 3 0 k h z , - , 3 0 0 k h z ；典型工作频率有：1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z ) 中高频段( 工作频率一 般为3 m h z 3 0 m h z ；典型工作频率为：1 3 5 6 m h z ) 超高频段( 典型工作频率 为：4 3 3 9 2 m h z ，8 6 2 ( 9 0 2 卜9 2 8 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z ) 。另外r f i d 依据不同 可分为以下几类，如表1 1 所示。 表1 - 1r f i d 分类表 分类依据可分种类 射频卡 读写( r w ) 卡一次写入多次读出( w o r m ) 卡只读( r o ) 卡 射频卡有没有电池有源无源 调制方式主动式被动式 耦合程度远距离系统遥耦合、密耦合 由表1 1 中可知，r f i d 系统根据耦合程度的不同可分为远距离系统、遥耦 合和密耦合三类，这三者的区别在于读写距离。远距离系统典型的作用距离是 从l m 到l o m ，特殊情况下可以大于1 0 m ；典型的远距离系统工作频率为2 4 5 g ， 当然也包括从9 1 5 m h z 到2 4 1 2 5 g h z ，该系统必须用电磁波辐射才能工作；相对 于远距离系统，遥耦合的作用距离在l m 范围内，所有的遥耦合系统在读写器和 电子标签之间都是通过电感( 磁) 耦合来实现的，人们也把这些系统称为电感无线 电装置，目前这种射频识别产品在市场的占有率上达到惊人的9 0 - - - 9 5 ：密耦合 在这三种耦合方式中读写距离最短，它的典型作用距离从0 到l e n a ，是个作用距 离很小的射频识别系统；读写器必须与标签联系才能工作，而电子标签与读写 2 武汉理工大学硕士学位论文 器的连接方式有两种：一种是直接将标签插入读写器中，还有一种是标签放在 特意设置的读写器表面上。射频识别系统的工作频率范围极广，可以从直流的 3 0 m h z 一直到交流的3 0 m h z ；因此电子标签工作时不必发射电磁波数据，载体 与读写器之间的紧密耦合就能够提供较大的微处理器进行工作。在设计射频识 别系统时如果要选用微型芯片，就必须为电子标签提供足够的能量，一种典型 的做法是在远距离通信时安装一个辅助电池用来为微型芯片提供足够的能量， 实现读或者写存储数据的服务功能；值得注意的是该辅助电池不是为读写器与 电子标签之间的双向通信提供能量的。 本文所研究的读写器所使用标签的工作频段为8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 。r f i d 系 统因应用的不同，其组成也有所区别，但基本都是由电子标签( t a g ) 、读写器 ( r e a d e r ) 两大部分构成。电子标签由耦合元件及芯片组成，电子标签包含好几个 电路模块，通过这几个电路模块可以实现与读写器的通信；这几个模块包含有 电可擦可编程只读存储器，标签获取的识别码就存储在这些存储器中；标签当 中的电可擦可编程只读存储器容量很大，可以达到几比特甚至是几万比特；同 时标签里面的芯片不需要附加的外围电路，只需与天线连接就可以完成对射频 信号的识别；电子标签可以作为门禁系统中的射频识别卡也可以作为物流当中 的货物标志卡，也可以实现智能通信和保密的功能；通常情况下，电子标签采 用小圆片的封装形式，如信用卡；它是通过无线电波或者电磁波与读写设备进 行i d 交换，其工作所需的能量由射频脉冲( 读写器发出) 提供。读写器通常由 射频电路、基带电路以及天线3 部分组成。 相对于其他技术而言，r f i d 技术处于科学的前端，涉及到材料、微电子、 计算机软件以及控制工程等科学领域，很好的将这几门学科结合在一起，现在 已经广泛的应用于物流、交通等与国民经济有着千丝万缕联系的领域，在国民 经济结构调整、全社会运用信息技术提高经济运行效益和质量的形势下，r f i d 技术今后将在各个领域发挥更大的作用，相信在不久的将来r f i d 等自动识别技 术将会渗透到咱们日常生活的每一个角落；目前，r f i d 技术在全世界范围内作 为一个新的经济增长点迅速发展，因此研究r f i d 技术可以很好的促进经济的发 展和社会的进步。 1 2r f i d 技术国内外研究现状 最近几年，随着科技的发展r f i d 技术取得了长足的进步，已广泛应用于读 武汉理工大学硕士学位论文 写器的研发当中，目前国内各频段主要r f i d 读写器产品如表1 2 所示。 表1 2 国内各频段r f i d 读写器产品表 频段 9 0 2 m h z - 9 2 8 m h z2 4 g h z5 8 g h z 厂家名称四川新源深圳先施上海秀派深圳深港深圳金溢广州新软 s p d 2 0 0 肼9 1 5 0 固定s e n s e - 1 8 2 0 读写器： i o - 4 1 2 0s h i n e1 型 式读写器读写器 l u _ 4 1 2 k 读写器d p 2 6 8 读写 产品名称 t d j 2 4 0 j - 4 1 2 8 读s h e2 型 器， p a 9 0 1 0 型线极 s e n s e - 9 9 0 0 b 0 b k c l 4 化天线天线写器读写器 天线 卡有无源 无源只读 无源( 移动有源读有源读 有源读写有源读写 读写读，静态写)写( 只读) 写 有效识别 8 米 8 1 2 米，2 8 0 米 1 0 米 2 1 5 米 1 5 米 距离 允许车速 6 0 k m h1 6 0 k m h2 0 0 k m h3 0 k m h6 0 8 0 k m h5 0 8 0 k m h e t c 及相成都机场高速 在类似自由 集装箱管 流的情况中 理，人员 比较丰富使用较少 广东全省大 关经验公路管理等方 量使用 使用 面应用过 表1 2 所示的是国内主要的读写器制造商，这些制造商研发的读写器大多采 用分立元件，相对于专门的读写器芯片其成本大大增加。 为减少成本，市场上趋向于研究读写器专用芯片，目前国外已经有少数知 名的厂家致力于读写器专用芯片的研发。前不久，奥地利微电子( a m s ) 公司 发布了a s 3 9 9 0 a s 3 9 9 1 读写器专用芯片，该芯片完全支持i s o f l e c18 0 0 0 6 c 协 议，工作频率范围可以从8 6 0 m h z 一直到9 6 0 m h z ，很适合用于超高频读写器的 研发，它集成了射频电路当中的接收电路和发射电路，在应用时只需设置相应 的寄存器就能达到接收和发射载波信号的命令，操作简单，接收灵敏度也达到 了惊人的6 6 d b ，目前市场上已经出现了以a s 3 9 9 0 为r f i c 的读写器模块；最 近a m s 成功研发了a s 3 9 9 0 的改进版a s 3 9 9 2 。同样在不久前，英特尔公司宣布 研发出了用于超高频读写器的专用芯片r 1 0 0 0 ，该芯片性能与a s 3 9 9 0 相比其接 收灵敏度有了很大的提高，达到1 1 0 d b m ，最近又生产出了r 1 0 0 0 的改进版r 2 0 0 0 芯片。w j c o l n l n u n i c a t i o n s 是一家射频器件的供应商，已经研发出了w j m 3 0 0 0 专用射频芯片，该芯片广泛用于固定式读写器产品，并且已经开始用于设计前 4 武汉理工大学硕士学位论文 端的单芯片读写器。 在国内方面，国内的一些知名大学的实验室已经开始了对读写器的研发， 已经设计出好几款读写器系统，但都是采用分立元件实现的，对于单芯片的读 写器研发还处于初步的研究阶段。 现在世界范围内r f i d 标准争夺的核心主要在r f i d 标签的数据内容编码标 准领域。本文采用i s o i e c 标准，目前常用的i s o i e c 标准主要有：i s o1 0 3 7 4 ( 应用于货运集装箱标签) 、i s o1 8 1 8 5 ( 货运集装箱电子封条r f 通信协议) 、i s o 1 7 3 5 8 ( 应用需求) ；i s o1 8 0 4 6 ( 1 强i d 设备性能测试方法) 、i s o1 8 0 4 7 ( 有源及 无源的r f i d 设备一致性测试方法) ；i s o1 5 4 2 4 ( 数据载体) 、i s o1 5 4 1 8 ( e a n ， u c c 应用标识符) ；i s o1 8 0 0 0 68 6 0 9 6 0 m h z 频率下空中接口参数，i s o1 0 5 3 6 ( 非接触集成电路卡) 。本文采用是空中接口协议为i s o i e c1 8 0 0 0 6 c ，它主要 用于供应链的无源超高频( 8 6 0 m h z 9 3 0 m h z 载波频率) 部分的c i g 2 标准。 1 3 本文的主要研究工作 本文的课题来自东莞华中科技大学制造工程研究院，是作者实习期间在导 师和院领导的指导下，同电子制造事业部读写器研发小组共同研发的，作者在 研发过程中主要完成以下工作： ( 1 ) 对项目方案进行可行性分析，完成9 1 5 m 超高频读写器m c u 和射频 芯片功能需求分析及方案设计，并撰写设计报告。分析i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议 标准。 ( 2 ) 对硬件电路基带部分中的电源模块、m c u 外围电路进行设计及改进， 同时对u h f 射频芯片进行选型以及对周围电路进行设计和对样片进行相关的测 试和实验。 ( 3 ) 绘制读写器基带部分和射频部分的电路原理图与p c b ，应用a d s 对 电路原理图和p c b 进行仿真调试并通过调试结果对p c b 进行改进。 ( 4 ) 对开发的单板进行焊接，用万用表、示波器、频谱仪对d e m o 版进行 调试，针对调试的数据对单板上相应的电路进行改进。 1 4 论文的结构安排 本文通过对r f i d 技术国内外发展的趋势以及研究现状，在阅读了大量的关 5 武汉理工大学硕士学位论文 于r f i d 技术论文的基础上，设计了一款基于i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议的u h f 读 写器，论文的结构安排如下： 第1 章绪论阐明了进行u h fr f i d 技术研究的背景和意义；简述了国内外 研究读写器的研究现状；介绍了作者在该项目当中参与的角色。 第2 章分析了r f i d 技术的组成原理，通过r f i d 结构图对该系统进行了详 细的分析；同时对i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 协议进行了解读，着重分析了协议的载波 调制方式、射频包络参数、编码方式等。 第3 章为读写器基带电路设计，分为f p g a 、单片机、多级放大和电源等四 部分，设计这四部分的功能、电路原理及设计时的注意事项，选用适用的i c ， 有效的减少读写器的功耗。 第4 章为读写器的射频部分电路设计及射频芯片的选型，射频部分电路分 为发送、接收两部分，通过环行器实现收发分离，同时在一个r f i c 上实现；另 外针对u h fr f i d 的工作特点和i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 协议，设计了射频信号的放 大电路、射频电源电路以及射频部分布板时该主意的问题。 第5 章用频谱仪等工具对该项目研发的单板进行相应的功能调试及分析， 同时给出了频谱仪测试的数据以及结果并提出了一些改进意见 第6 章对论文的工作进行了总结，并对设计中有待进一步研究和深入的相 关问题进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章r f i d 相关技术及i s o1 8 0 0 0 6 c 协议解读 2 1r f i d 系统的组成与工作原理 2 1 1r f i d 系统的构成原理 典型的r f i d 系统主要由读写器、电子标签、r f i d 中间件和应用系统软件 4 部分构成，一般把中间件和应用软件称为应用系统，r f i d 系统结构如图2 1 所示 2 1 。 r r r 一l 应用系统读写器 电子标签 i ，_ ji _ j1 _ j 相应单元、 命令 物 、 理 特 层 、k 中间接 卜 件及 写入。 ；数据 v 应用 编码 存 卜 口 能量厂 软件 储 卖写器 调 1 1 兰三 读写 器 ，一 制 解码 解 调 匡匦匾 、一、7 臣堕叵匡互三 图2 - 1r f i d 系统结构图 如图2 1 所示读写器( r e a d e r ) 在整个r f i d 系统中首先用来实现与电子标 签( t a g ) 之间的双向通信，即将从天线接收回来的射频信号通过标签传递给读 写器的接收电路，同时读写器将射频芯片发射出来的射频载波信号通过标签传 递给天线；另一方面，读写器还要接受来自基带单元的控制指令。整个r f i d 系 统的工作频率由读写器的工作频率所决定，如本文所设计的读写器为9 1 5 m h z ， 那么所对应的r f i d 系统的工作频率也为9 1 5 m h z ；读写器的工作频率同时决定 了读写器的非接触通信的距离：读写器可以根据内部的模块来设置读或者读写 的工作模式，及时而准确的处理r f i d 系统的信息 2 1 。电子标签用于存储读写器 7 武汉理工大学硕士学位论文 的相关信息，存储的信息以非接触的方式与读写器实现读或者写的操作。r f i d 中间件扮演着电子标签和应用程序之间的中介角色。读写器当中的信息通过互 联网可以将其信息传递给其他读写器进行数据交换以及管理，从而实现通信的 智能管理。 2 1 2r f i d 系统工作原理 r f i d 系统的基本工作原理是：当读写器接收到特定的射频信号( 由发射天 线发送) 时，电子标签就会进入有效工作区域，从而产生感应电流，此时获得 的能量被激活，电子标签将自身的编码信息发送出去( 通过内置射频天线) ；另 一方面，读写器接收到的调制信号( 从电子标签经接收天线发送来) ，被传送到 读写器进行信号处理，经解调和解码后，其中的有效信息被送至系统；主机系 统识别标签的身份( 根据逻辑运算) ，针对不同的标签发出控制信号来完成对不 同读写器的读或者写的操作【2 j 。 本文研究的超高频读写器工作模式是半双工的遵循读写器先发言电子标签后 发言的模式。系统开始工作时，读写器会发出读电子标签的命令，命令发出后电 磁波会通过天线向读写器的其他模块发送命令，此时读写器的相应模块从天线接 收的信号可能会夹杂其他的电磁信号；电磁波传送的有用部分会被目标识别，而 不能用的部分就会散射到其他地方，同时还有一部分会发射给天线，这就是回波。 电子标签接收到正确的命令后就会将本身唯一的d 号传递给读写器【3 】。 u h f 频段的读写器采用反向散射耦合的方式，其原理图如图2 2 所示。 读写器 。一一百蕊一一 图2 - 2 电磁方向散射r f i d 系统 2 2i s o i e c18 0 0 0 6 e 协议解读 i s o i e c1 8 0 0 0 6 协议是信息技术当中对于物品管理的射频识别的一个规 武汉理工大学硕士学位论文 范，它的内容规定了工作频率为8 6 0 m h z 到9 6 0 m h z 的非接触通信的一些空气 接口参数，比如读写器和电子标签之间的通信参数( 调制方式、通信频率等) 、 两者之间的物理接口以及通信当中需要用到的一些命令。该协议定义了三种类 型：t y p c a 、t y p eb 和t y p ec ，这三种标准的类型比较和总纠9 1 如表2 1 所示。 表2 - 1 t y p e a 、t y p eb 、t y p ec 的比较 参数 t y p e at y p e bt y p e c 读 工作频率 8 6 0 9 6 0 m h z8 6 0 - x ) 6 0 m h z8 6 0 9 6 0 m h z 写 3 3 k b s ，由无线1 0 k b s 或4 0 k b s ，由无 器 速率 2 6 7 1 2 8 k b s 电政策限制线电政策限制 到 d s b - a s k 、s s b - a s k 或 标 调制方式 a s k a s k p r a s k 签 编码方式 p 砸m a n c h e s t e r p i e 副载波频率未用未用 4 0 6 0 k b s 标 速率 4 0 k b s4 0 k b s f 】0 ：4 0 - - 6 4 0 k b s 签 子载波调制：5 3 2 0 k b s 到调制方式 a s ka s k 由标签选择a s k 或p s k 读 f m 0 或m i l l e r 调制载波，由读 写 编码方式 f m 0f 】m o 器 写器选择 唯一识别符 6 4 比特6 4 比特 可变，最小1 6 比特，最大4 9 6 长度比特 防 算法 a l o h a a d a p t i v eb i n a r yt r e e 时隙随机反碰撞 碰 撞 类型概率概率概率 由表2 1 可以看出，i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 与6 a 和6 b 相比有以下几个特点【1 0 】： ( 1 ) 读写速率明显高于其他两种协议。 ( 2 ) 安全性明显提高，极大的保护了用户的利益。 ( 3 ) 标签加上了防冲突机制，可以实现多标签同时读写，同时确保标签大 量完整的被读取，提高了读取的速度。 ( 4 ) 唯一识别长度明显高于其他两种，这就导致该类型的标签可以满足用 户对标签进行多次同时的读写。 该标准在防冲突、多标签识别上取得了相当大的进步，同时很好的保护了 用户的隐私，可以采用d s b a s k 、s s b a s k 或p r - a s k 三种调制方式，确保编 解码方式的多样性，适用于各种市场对标签降低成本的要求，这些优势使得 9 武汉理工大学硕士学位论文 i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 比其他两种类型的协议更好的适应市场需求。 2 2 1i s o i e c18 0 0 0 6 c 物理接口 本课题是基于i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 协议规定而设计的，当读写器接收到标签 发送的信息时，读写器相应的会发送一个射频载波信号并对接收到的信号做出 侦听标签后的应答反应。标签传送信息有两种方式分别为：调制后向散射的射 频载波幅度和相位方式实现。编码方式根据读写器命令选择不同可分为f m 0 编 码和m i l l e r 调制的副载波。读写器与标签之间的通信链路以半双工的形式实现， 所谓的半双工就是标签解调读写器命令和后向散射传向读写器的信息分开进 行。i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 物理接口的参数如下： a 读写器( r e a d e r ) 和标签( t a g ) 之间的通信参数 ( 1 ) 读写器典型工作频率精度 读写器的工作环境可以分为单个或多个读写器，两种环境下的频率精度都 应当遵守无线电规则。另外如果读写器是工作在密集读写器情况下，读写器还 应符号在温度是零下2 5 度到4 0 度这个范围内，同时精度满足正负1 0 p p m 。 ( 2 ) 读写器对标签的调制方式 读写器对标签的调制方式如表2 1 所示，一共有三种：双边带幅度键控，相 位反转幅度键控和单边带幅度键控；在选标签时应考虑是否能够支持这三种调 制方式。 ( 3 ) 读写器对标签的数据编码 读写器到标签的链路应采用p i e 编码，p i e 编码原理如图2 3 所示。 d i n - 0 缸i 图2 3p i e 编码原理图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 3 所示，其中t a d 是读写器对标签发送信息的基准时间间隔，代表 d a t a - 0 的持续时间；当d a t a - 0 持续高电平时，此时读写器给电子标签发送的数据 代表持续波，当d a t a - 0 持续低电平时代表此时读写器给电子标签发送的是减弱 波，以上的所有参数的精度应满足正负1 ；p w 代表脉冲宽度，其取值由表2 2 来决定。 表2 2 射频包络参数 疋l r i参数符号最小典型最大单位 调制深度 ( a b ) a 8 09 01 0 0 6 2 5 射频包络波纹m h = m i o 0 0 5 ( a - b ) 钐纫 p s 射频包络上升时间 k 1 0 - 9 0 0o 3 3 t a r i l l s t 0 2 5 “s 射频包各下降时间t 1 0 - 9 0 oo 3 3 t 撕 p s 射频脉冲宽度p w m a x ( 0 2 6 5 t a r i ，2 ) 0 5 2 5 t a r i l a s 脉冲宽度取值( p w ) 如表2 2 所示，数据无论为d a t a - 0 或者d a t a 1 ，p w 值 都应相同。表2 2 还定义了调制宽度、射频包络纹波、射频包络上升下降时间 等参数值。 ( 4 ) 读写器到标签的数据速率 在测试读写器到标签的数据速率时，读写器对标签发送信息的基准时间间 隔应在6 2 5us 至2 5i ls 的范围内。基准时间间隔的值应满足当地无线电标准， 其取