（物理电子学专业论文）超高频rfid阅读器的设计和实现.pdf

摘要 射频识另| ( 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 , 简称r f i d ) 是一种非接触的自动 识别技术。r f i d 技术兴起于2 0 世纪8 0 年代，由于超大集成电路技术的发展，9 0 年代才进入实用化阶段。由于采用了无线电与雷达技术，r f i d 系统的数据交换 是是通过电场与磁场，即无线的方式进行通信，因此可实现多目标识别、运动目 标识别，可在更广泛的场合中得到应用。 本文介绍了一种基于d s p 技术的r f i d 读写器的实现，利用t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 芯片为核心数据采集系统。该系统能进行微弱信号的检测， 具有优化的硬件接收电路设计，并利用d s p 实现时域信号取样快速识别的算法， 能够有效地恢复淹没于强背景噪声中的微弱信号，实现了一套工作频率为u h f 频段、工作距离长达4 米以上的无源射频识别读写器。 读写器的硬件结构设计是r f i d 系统设计中的关键部分。其中，r f 部分的 s c h e m a t i c 设计及p c b 设计都对系统的最终的性能起到至关重要的作用。另外，由 于接收到的信号比较微弱，因此需要采取比较灵敏的滤波放大技术，经高速a d 采集数据，再交由d s p 进行数据处理识别。在软件部分的设计中，如何在现有的 硬件平台上更好得实现所需的功能是设计的关键，包括利用软件模拟一些接口， 在c c s 开发系统下使用c c + + 语言与汇编语言混合编程，利用m a t l a b s i m u l i n k 进 行仿真和滤波器的设计等。 关键词：u h f r f i dr e a d e r t a g d s p a b s t r a c t r f i d ( t h ea b b r e v i a t i o no f r a d i of r e q u e n c yl d e n t i f i c a t i o n li san e wt e c h n o l o g yo f n o n - c o n t a c t a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n r f i dt e c h n o l o g ys p r i n gu pi n1 9 8 0 s ，a n dc a l n ei n t ot h em o m e n to f p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni n l 9 9 0 sf o rt h ed e v e l o p m e n to fv l s it e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ow i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dr a d a rt e c h n o l o g y , t h ed a t ac o m m u n i c a t i o no fr f i di sv i ae l e c t r i cf i e l da n d m a g n e t i cf i e l d ，w h i c hi saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s o ，r f i dc a nb eu s e di nm u l t i - t a r g e t s a n df l o a t i n gt a r g e t ss i t u a t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e sap r o j e c to fr f i dr e a d e rs o l u t i o nw h i c hi sb a s e do nd s pt e c h n o l o g y t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2f r o mt 1i su s e d 舔t h ec o r ed a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gc o m p o n e n t t h e r e a d e rh a sa no p t i m a lr e c e i v e rc i r c u i ta n dh a r d w a r ed e s i g n ，a ne f f e c t i v ei d e n t i f i c a t i o na r i t h m e t i c r e a l i z e db yd s pi nt i m ed o m a i n t h a ti st h er e a s o nw b yt h e r e a d e rc a nd e t e c tt h ew e a ks i g n a li na v e r ys t r o n gn o i s ep o l l u t i o nb a c k g r o u n d t h er e a d e rw o r k si nt h eu h fb a n d ，a n dc a nr e a dt h e p a s s i v et a g si nt h ed i s t a n c eo f m o r et h a n4 m t h ek e yo f t h er f i ds y s t e md e s i g ni st h er e a d e rh a r d w a r ed e s i g n i nt h ed e s i g n ，t h es c h e m a t i c d e s i g na n dp c bd e s i g no f t h er fp a r ti st h em o s ti m p o r t a n tf o rt h ef i n a lp e r f o r m a n c eo f r e a d e ri n t h et o t a ls y s t e m a sr e c e i v e db a s eb a n ds i g n a li ss ow e a k , av e r ys e n s i t i v ef i l t e ra n da m p l i f i e rn e e d t ob eu s e d a f t e rt h eh i g hs p e e da d s a m p l i n g , t h ed i g i t a ls i g n a li sr e a da n dp r o c e s s e db yd s ei n t h es o f t w a r ed e s i g n ，h o wt or e a l i z er e q u i s i t ef u n c t i o no i lt h eh a r d w a r ep l a t f o r mb e r e ri st h ek e y , i n c l u d et h es i m u l a t i o no fs o m ei n t e r f a c e sb ys o f t w a r e t h em i x e dc ，c + + l a n g u a g ea n da s s e m b l e l a n g u a g ep r o g r a mu n d e rt h ec c sd s pd e v e l o ps y s t e m ，t h ed e s i g n o fd i g i t a lf i l t e r b y m a t l a b s i m u l i n ka n ds oo n k e y w o r d s ：u h f r f i d r e a d e r t a g d s p 超高频r f i d 阅读器的设计和实现 图表目录 图表1 ：近年来r f i d 市场的增长图4 图表2 ：目前国内r f i d 应用的情况 图表3 ：实物互联网构架图 5 图表4 ：基本r f i d 系统的构成 9 图表5 ：r f i dt a g 图片1 0 图表6 ：r f i d 中几种常见的编码格式11 图表7 ：便携式和固定式r f i dr e a d e r 图表8 ：典型r f i dr e a d e r 的结构图 1 2 1 3 图表9 ：r f l dr e a d e r 的框架结构1 4 图表l o ：p l l 内部结构图1 8 图表1 1 ：p l l 控制时序图 图表1 2 ：零中频接收机结构图一2 0 图表1 3 ：双平衡混频器结构图2 0 图表1 4 解调输出基带信号一2 0 图表1 5 ：二阶有源低通滤波器2 1 图表1 6 - 单电源集成运算放大器电路图 图表1 7 ：a d 9 2 3 8 数据采样示意图2 4 图表1 8 ：5 4 0 2 上电引导流程图2 7 图表1 9 ：e e p r o m 与d s p 接口2 8 图表2 0 ：8 b i t e e p r o m 串行引导时序图一 图表2 1 ：u a r t 数据传输时序图3 0 图表2 2 ：中低频电路中与高频电路中信号波形的比较3 1 图表2 3 ：p c b 传输线模型3 l 图表2 4 ：p c b 传输线模型等效电路3 2 图表2 5 ：理想电源响应 图表2 6 ：实际电源响戍3 4 图表2 7 ：地线电位示意图 图表2 8 ：数字地和模拟地的划分 3 5 图表2 9 ：顶层结构图 图表3 0 ：r f 部分结构图一 图表3 1 ：b b 部分结构图 图表3 2 ：t o p 层版图一 图表3 3 ：b o t t o m 层版图3 9 图表3 4 ：制板后图片 图表3 5 ：帧头时序图4 2 图表3 6 ：f m 0 编码格式4 2 图表3 7 ：c r c 校验码格式一4 2 图表3 8 ：程序流程图4 3 图表3 9 ：两路基带信号采样时序图一4 4 图表4 0 ：采集到s r a m 中的数据4 5 图表4 1 ：经滤波之后的数据 i 浙江大学硕士学位论文 图表4 2 ： 图表4 3 ： 图表4 4 ： 图表4 5 ： 图表4 6 ： 图表4 7 ： 图表4 8 ： 整理后的数据一4 5 解码后的数据4 6 d s p 与u a r t 外设硬件接口示意图4 7 串口调试助手显示接收到的数据4 7 c c s 集成开发环境5 0 c c s 与m a t l a b s i m u l i n k 数据流程示意图5 2 f d a t o o l 的图形_ l i j 户界面5 3 超高频r f i d 阅读器的设计和实现 表格l ： 表格2 ： 表格3 ： 表格4 ： 表格5 ： 表格6 ： 表格目录 世界各国及地区u h fr f i d 使用的频段 主动式标签与被动式标签的对比 r f i d 的频段特性1 1 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 片上r o m 空间2 5 常见的逻辑器件的上升下降时间和布线长度限制 数据包格式 v 一3 2 4 1 绪论 1 1r f i d 的概念 1 绪论 r f i d 是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 的缩写，即无线射频识别，又被称为 电子标签( e t a g ) ，是一种利用射频信号自动识别目标对象并获得应用的系统。 q r f i d 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。r f i d 技术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。 1 2r f i i ) 研究的目的与意义 随着技术的进步，r f i d 应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各 个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。埃森哲实验室的首席科学 家弗格森认为r f i d 将是一种突破性的技术：“第一，可以识别单个的非常具体 的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可 以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息：第三，可以同时对 多个物体进行识读，而条形码只能一个个地读取。此外，储存的信息量也非常 大。”f 2 在标签领域，条码技术已非常成熟并得到广泛应用，现在几乎所有产品都贴 有条形码。由于受其存储空间的限制，条形码通常只能标识除产品类型。而r f i d 标签与传统的条形码相比，具有以下一些优势： 1 读取速度快： 条形码一次只能有对一个条形码进行扫描；r f i d 可在瞬间对成百上千件物 品的标识信息进行读取，从而大大提高了工作效率。 2 体积更小、形状多样 r f i d 在读取上可以不受尺寸大小与形状限制，因此不需要为了读取精确度 而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，r f i d 标签可往小型化与多样形态发 展，以应用于不同产品。标签根据应用场合的不同可以做成条状、卡状、环状和 钮扣状等多种形状。 3 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此很容易受到污染；而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 浙江大学碗士学位论文 现今的条形码印刷到标签上之后就无法再更改：r f i d 标签则可以重复地新 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 工作距离远 在对传统条形码进行读取的时候，必须使条码与阅读器紧密接触，从而增大 了对物品管理的难度；r f i d 可通过天线读取一定距离范围之内的标签，从而实 现对物品的远距离管理。 6 穿透性和无屏障阅读 在标签被覆盖的情况下，r f i d 也能够穿透纸张、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。 7 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 至3 0 0 0 字符， r f i d 最大的容量则有数m e g ab y t e s 。随着记忆载体的发展，数据容量更有不断 扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量将会越来越大，对卷标所能扩充容量的 需求也就相应地增加。可以实现对单件物品的全过程管理与跟踪，克服条码只能 对某类物品进行管理的局限。 8 工作环境适应性强 r f l d 系统更能适用于不同的环境，包括磁卡、i c 卡不能适用的恶劣环境。 比如公共汽车的电子月票、食堂餐卡等。 9 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，从而提高了数据传输的安全性。 综上所述，r f i d 相对与传统的条形码，具有十分明显的优势，将来必然会 代替传统的条形码，但是条码几分钱甚至几厘钱的成本相比，r f i d 标签的成本 目前还较高。1 3 】 r f i d 将构建虚拟世界与物理世晃的桥梁。可以预见，在不久的将来，r f i d 技 术不仅会在各行各业被广泛采用，最终r f i d 技术将会与普适计算技术帽融合， 对人类社会产生深远影响。 1 3r 1 f i i ) 的发展和应用 1 3 1r f l l 的发展历程 从本质上讲，r f l d 是继承了雷达的概念，并在此基础上发展出的一种新技 术。r f i d 技术的发展历程可按1 0 年期划分如下： 2 1 9 4 l 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 年哈里斯 托克曼发表了“利用反射功率的通讯”，从而奠定了r f i d 的理论基础。 1 9 5 1 - - 1 9 6 0 年是早期r f i d 技术的探索阶段，主要工作集中在实验室里的 实验研究。 1 9 6 1 - - 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，人们开始了一些应用性的 尝试。 1 9 7 l 一1 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 术测试加速发展，并出现了一些最早的r f i d 技术的应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品逐渐开始商业应用，各种规模应用开始 出现。 1 9 9 1 2 0 0 0 年，r f i d 产品得到了广泛采用。r f i d 技术标准化问题开始引 起重视，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，r f i d 技术的理论得到进一步丰富和完善。r f i d 产品种类更加 丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成 本不断降低，规模应用行业扩大，r f i d 的标准化问题日趋为人们所重视。【4 j 【5 】 1 3 2 未来r f i d 的发展趋势 近年来，r f i d 技术已经在人类社会的众多领域中开始使用，对于改善人们 的生活质量、提高企业的经济效益、加强公共安全以及提高社会的信息化水平产 生了重要的影响。据有关方面的预测，r f i d 技术将在未来2 5 中开始大规模应 用，到2 0 0 8 年，r f i d 标签仅在全球供应链领域的市场就将达到4 0 亿美元，如 图1 所示。同时，r f i d 技术还将在以下领域取得较大的发展： 1 高速公路自动收费 2 门禁保安 3 i 球i d 金融卡 4 生产线自动化 5 仓储管理 6 汽车防盗 7 铁路运输监控1 6 】 浙江大学硕士学位论文 _ 1 4 r f i d 的应用 z 0 0 32 9 0 4 2 。霉52 c 0 t2 叩72 0 e e 图表1 ：近年来r f i d 市场的增长图l l j 目前，r f i d 已成为i t 业界的研究热点，被视为i t 业的下一个“金矿”。各 大软硬件厂商都对r f i d 技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，投入大量研发经费， 相继推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。0 1 目前，r f i d 的应用主 要几种在一下两个方面： l 肪伪标识 据1 9 9 9 年有关统计资料表明，被伪冒产品的产值在两千亿左右，而被仿冒 的绝大多数是热销产品、高附加值产品和关系到国计民生的产品，除此之外还包 括各类证件和凭证等。而r f i d 正在不断地满足这种需求。例如，我国正在推广 的第二代身份证，就采用了r f i d 技术。它符合i s 0 1 4 4 4 3t y p eb 标准，载波频 率为1 3 5 6m h z ，副载波频率为8 4 7k h z ，通信速率为1 0 6k b s 。 7 1 2 物流管理 目前，r f i d 涵盖现代生活中许多领域如图书管理、文档管理、设备管理、 仓储管理以及第三方物流管理，尤其是强制检验的产品如压力容器等方面用途极 广。在欧洲，如英国的希思罗机场已启用航空行李用智能标签标识的系统：新加 坡图书馆采用智能标签对图书作全自动管理，新加坡港口采用低频类产品管理集 装箱，英国u b 公司在a s h l y 的工厂采用智能标签对食品加工进行标识，在各 个生产环节避免出错。世界最大零售商沃尔马要求前1 0 0 位供货商在2 0 0 6 年1 月份必须提供带有智能标签的货物，相关生产厂商已经对原来的条形码设置及管 理系统进行升级更换。1 7 据有关数据显示，我国r f i d 市场正处在迅速增长中，这项备受关注的技术 正在得到越来越广泛的应用。在中国r f i d 市场的发展中，政府的推动起到了重 要作用。按照公安部的规划，第二代身份证从2 0 0 5 年丌始已经进入全面换发阶段， 4 仰 帅 耄| 枷 d o d d o d 一 一 啪 镒 。 绪论 预计到2 0 0 8 年基本完成全国1 6 岁以上人口的换发工作，全国换发总量将达到9 至 1 0 亿个，这是近年内中国r f i d 市场最大的单项应用，在世界范围内也相当可观。 除了身份证以外，政府也在其他领域推动r f i d 的应用，包括城市交通、铁路、 网吧、危险物品管理等方面，这些应用主要利用r f i d 读取上的方便与高安全性 带来的防伪能力。例如：铁道部铁路车号自动识别，使用基于e p c 标准的u h f 电 子标签；国内许多城市( 如上海) ，使用基于i s 0 仃e c1 4 4 4 3 - a 标准的1 3 5 6 m h z 电子标签作为地铁、出租、公交的电子车票；深圳在车流量很大的皇岗海关、文 锦渡海关，使用了u h f 频段的r f i d 系统来提高通关效率。1 8 】 图表2 ：目前国内r f i d 应用的情况 1 5r f i d 技术的研究现状 当前r f i d 的研究主要围绕r f i d 技术标准、r f i d 标签成本、r f i d 应用系 统等多个方面展开。 1 5 1r f i i ) 的技术标准 r f i d 的标准化是当前亟需解决的重要问题，各国及相关国际组织都在积极 推进r f i d 技术标准的制定。到目前为止，还没有形成完善的关于r f i d 的国际和 国内标准。r f i d 的标准化涉及标识编码规范、操作协议及应用系统接口规范等 多个部分。其中标识编码规范包括标识长度、编码方法等；操作协议包括空中接 口、命令集合、操作流程等规范。当前主要的r f i d 相关规范有欧美的e p c 规范、 日本的u i d ( u b i q u i t o u si d ) 规范和i s 0 1 8 0 0 0 系列标准。1 9 e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c t i o nc o d e ，电子产品代码) 规范由a u t o i d 中心及后来 成立的e p cg l o b a l 负责制定。a u t o i d 中心于1 9 9 9 年由美国麻省理工大学( m i t ) 发起成立，其目标是创建全球“实物互联”网( i n t e r a c t o f t h i n g s ) ，该中心得到了 浙江大学硕士学位论文 美国政府和企业界的广泛支持。2 0 0 3 年l o 月2 6 日，成立了新的e p cg l o b f l 组织接 替以前a u t o i d 中心的工作，管理和发展e p c 规范。f i o l u i d ( u b i q u i t o u s i d ) 规范由日本泛在i d 中心负责制定。日本泛在i d 中心由 t - e n g i n e 论坛发起成立，其目标是建立和推广物品自动识别技术并最终构建一个 无处不在的计算环境。该规范对频段没有强制要求，标签和读写器都是多频段设 备，能同时支持1 3 5 6 m h z 或2 4 5 g h z 频段。 i s o 标准主要定义标签和阅读器之间互操作的空中接口，其中i s 0 1 8 0 0 0 - - 6 定义了8 6 0 m h z 9 3 0 m h z u h f 频段的空中接口。这几种标准有较大的差别，在 所使用的无线频段、信息位数和应用领域等方面都有不同。我国在l f ( 低频) 和h f ( 高频) 频段r f i d 标签芯片和读写器设计方面的技术比较成熟，1 - i f 频段方 面的芯片设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 、 t y p eb 和i s o l 5 6 9 3 标准的r f i d 芯片，并成功地应用于交通一卡通和中国二代身 份证等项目。但在u h f 和微波频段的标签芯片设计和阅读器设计方面起步较晚， 我国还没有自己正式的标准，但是有关r f i d 在9 0 0 m h z 频段应用的电磁检测工作 已经基本完成，我国最为关心的是i s 0 1 8 0 0 0 - - 6 标准。【1 2 l 一 对于u h f 频段的r f i d ，世界各国使用的频段也不尽相同，以下是主要国家 对于u h f 频段r f i d 的规划：1 1 3 】 表格l ：世界各国及地区u h fr f i d 使用的频段 1 5 2r f i d 技术研究 当前，r f i d 技术研究主要集中在防冲突技术和安全与隐私保护等方面。 1 防冲突技术研究 早期的系统中，1 次只能读写1 个射频卡。卡之间要保持一定距离，确保 一次只有一个卡在读写区域内，应用起来很不方便。很多时候不可避免地会出现 多个射频卡进入识别区域时信号互相干扰的情况，即碰撞。具有防碰撞性能的系 统可以同时识别进入识别距离的所有射频卡，其并行工作方式大大提高了系统的 效率。鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个读写器作用范围内 时，在没有采取多址访问控制机制情况下，信息传输过程将产生冲突，导致信息 6 读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成冲突。根据电子标签工作 频段之不同，人们提出了不同的防冲突算法。1 1 4 j 在超高频( u h f ) 频段，主要采用树分叉算法来避免冲突。这种标签防冲突 方法属于时分多址访问( t d m a ) 方式，应用比较广泛。除此之外，目前还有人 提出了频分多址访问( f d m a ) 和码分多址访问( c d m a ) 方式的防冲突算法， 主要应用于超高频和微波等宽带应用场景。l l j 2 安全与隐私问题 目前，r f i d 技术的发展还不成熟，在安全与隐私方面还存在一些隐患。r f i d 安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘密保护、防范对 r f i d 系统的攻击以及利用r f i d 技术进行安全防范等多个方面。【l5 1 究其原因， 主要如下： 标签很小，因此在技术上来说，很难给它们提供保护。 r f i d 标签是移动的，因此可以接触到它的大很多，而且大部分是未授权的用 户。 标签的用途非常广，因此在其安全性问题上很难做到标准化和量化。 由于r f i d 系统读取速度快，可以迅速大量商品进行扫描并跟踪变化，而被利 用来窃取用户商业机密。 3 实物互联网 由于r f i d 标签对物体有唯一标识的特性，于是引发了人们对基于r f i d 技术 的应用研究的热潮。目前主要的应用研究包括物流与实物互联网、空间定位与跟 踪和系统安防等多个方面，而物流与实物互联网是当前r f i d 应用研究的热点。 实物互联网是通过给所有物品都贴上r f i d 标签，在现有互连网基础之上构 建所有参与流通的物品信息网络。通过实物互联网，世界上任何物品都可以随时 随地按需的被标识、追踪和监控。因此，实物互联网被视为继i n t e m e t 后i t 业的又 一次革命。【l 】其最大的创新点在于，在基本r f i d 系统的基础上引入了s a v a n t 、对 象名字服务o n s ( o b j e c t n a m e s e r v i c e ) 、物理标识语言p m l ( p h y s i c a l m a r k u p l a n g u a g e ) 0 6 等多个概念。在实物互联网中，产品在生产完成时就被贴上存储有 e p c 标识的r f l d 标签，此后在这个产品的整个生命周期中，该e p c 代码都将是其 唯一的标识。这样，实物互联网中的每一个产品都有一个独一无二的e p c 标识， 以这个编码为索引就能实时的在e p c 网络上查询和更新产品相关信息，在这个产 品的各个流通环节对其进行定位追踪。当某个阅读器在其读取范围内监测到标签 的存在，就会将标签里的e p c 数据传到与其相连的s a v a n t ，s a v a n t 首先以根据e p c 数据，在本地0 n s 服务器获取包含该产品信息的e p c 信息服务器的网络地址，然 后s a v a n t 根据该地址查询e p c 信息服务器，获得产品的特定信息。整个实物互联 网架构如图3 所示。川 7 浙江大学硕士学位论文 图表3 ：实物互联网构架图川 4 r f i d 标签成本 r f i d 标签成本是其商业应用能否取得成功的关键。r f i d 标签的成本主要 由i c 芯片、天线和封装等几部分构成。根据调查，2 0 0 3 年，u h f 频段标签的平 均价格为5 7 美分。随着集成电路技术的进步和应用规模扩大，r f i d 标签的成本 将不断降低。在大规模生产的情况下，n 2 0 0 8 年，u h f 频段标签的平均价格将下 降至1 6 美分1 1 ”。由于r f i d 系统拥有巨大的技术优势，由此将带来工作效率的大 幅提高，从而降低系统的总体拥有成本。 r f i d 系统应用推广还涉及到对现有业务系统的改造。当前企业大量采用的 是条码技术、e r p 、数据仓库等技术管理自己的生产和销售过程。如何降低把现 有业务系统转变成以r f i d 为基础所需的成本也是当前r f i d 研究的一个重要课 题。 1 6 章节安排 全文共分为七章：第一章为绪论，介绍了r f i d 技术的优势、发展现状及应 用领域；第二章对r f i d 系统的结构、标准及工作原理征做了介绍和分析；第三 章从介绍了r f i dr e a d e r 的硬件结构和设计；第四章详细介绍了高速p c b 电路 设计的方法；第五章介绍了基于硬件的平台上如何开发软件；第六章给出了总结 与展望。 1 7 本章小节 本章着重介绍了r f i d 技术的基本概念，相对于条形码技术的显著优势，及 目前国内外的技术发展和产品应用情况。本章主要介绍一下r f i d 技术的背景， 使读者对这项技术有一个基本的认识，具体的原理及实现将在以后的章节中作详 细的介绍。 r f i d 系统概述 2r f i d 系统概述 2 1r f i d 系统的基本结构 基本的r f i d 系统由r f i d 标签( t a g ) 、r f i d 阅读器( r e a d e r ) 及应用支撑 软件等几部分组成。图4 所示是一个基本的r f i d 系统，图中显示了三种不同形式 的r f i d 标签。 图表4 ：基本r f i d 系统的构成”o l 一个典型的r f i d 系统由读写：器( r e a d w r i t ed e v i c e ) 、应答器( t r a n s p o n d e r ) 和数据管理、处理系统组成。每个标签具有唯一的电子编码。标签附着在物体上 以标识目标对象。【1 8 】 2 2 r f i d t a g 的介绍 r f i d 标签的封装一般很小，形状如下图5 所示。 9 浙江大学硕士学位论文 图表5 ：r f i d t a g 图片1 1 2 】 r f i d 标签依据发送射频信号的方式不同，分为主动式( a c t i v e ) 和被动式 ( p a s s i v e ) 两种。主动式标签主动向读写器发送射频信号，通常由内置电池供电， 又称为有源标签；被动式标签不带电池，又称为无源标签，其发射电波及内部处 理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。被动式标签在接收到阅读器发出 的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。表2 是主动式和被 动式两种标签特性的比较。其中主动式标签通常具有更远的通信距离，其价格相 对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。被动式标签具有价格便宜 的优势，但其工作距离、存储容量等受到能量来源的限制。本课题的主要研究对 象为被动式标签。【1 9 】 主动( a c t i v e ) 标箍被动( p j t s s h e ) 标签 能壤来源 蠢翳l 魏池供电，盯持续供电邀过 键磁感应蔹敝 ：l ：作距离 弼返1 0 0 m 酊选扣5 m ，迓常2 0 4 0 e t a 存储霹蠼吁选1 6 k 节以上通常小于1 2 8 节 信弓强度要求低蕊 平均价格 汹 骶 工作寿命 2 4 f 长 表格2 ：主动式标签与被动式标签的对比 r f i d 标签依据发送射频信号的频率不同，分为l f 频段，h f 频段，u h f 频 段和m i c r o w a v e 频段。工作频率选择是r f i d 技术中的一个关键问题。工作频率的 选择既要适应各种不同应用需求，还需要考虑各国对无线电频段使用和发射功率 的规定。1 2 0 l 低频频段能量相对较低，数据传输率较小，无线覆盖范围受限。为扩大无线 覆盖范围，必须扩大标签天线尺寸。尽管低频无线覆盖范围比高频无线覆盖范围 小，但天线的方向性不强，具有相对较强的绕开障碍物能力。高频频段能量相对 较高，适于长距离应用。由于高频信号以波束的方式传播，故可用于智能标签定 位。其缺点是容易被障碍物所阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现 无线作用范围的全区域覆盖。高频频段数据传输率相对较高，且通讯质量较好。 本课题主要是针对u h f 频段的研究。表3 为r f i d 频段特性表。 2 q 0 r f i d 系统概述 频段描述作用距离穿透能力 1 2 5 1 3 4 o 乜 低额f l f )4 5 c m 隧穿透人部分物体 1 3 5 5 3 1 3 5 6 乃赶 z禹颧( h )l o m勉强艇穿透垒裢和液体 4 0 0 - 1 0 0 0 m 越豳灏( u h f ) 3 - 9 m 穷透能力较弱 2 4 5 g h z微波f m i c r o w a v e )3 m穿透能力段弱 表格3 ：r f l d 的频段特性f l j 数据传输的编码格式包括m a n c h e s t e r 编码，m i l l e r 编码，f m 0 编码和p i e 编码。 其中，p i e 编码是脉冲间隔编码，主要应用于r e a d e r 向标签发送命令的编码：而 m a n e h e s t e r 编码，m i l l e r 编码，f m 0 编码三种格式的编码主要应用于标签r e a d e r 返回数据的编码。( 1 】以上几种编码格式的规则如下图6 所示： 图表6 ：r f i d q 6 几种常见的编码格式【1 2 3r f i dr e a d e r 的介绍 r f i dr e a d e r 的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签 的应答，对标签的标识信息进行解码，将标识信息连带标签上其它相关信息传输 到主机以供处理。r f i dr e a d e r 具体结构、工作原理及设计方案在本章以后几个 章节中将有详细的阐述。r f i dr e a d e r 是本课题的主要研究设计对象。 根据实际应用不同，r e a d e r 可以是便携式或固定式。两种类型的r e a d e r 7 示意 图如下图7 所示： 浙江大学硕士学位论文 图表7 ：便携式和固定式r f i dr e a d e 一2 2 l 2 4r f i ds a v a n t 的介绍 r f i d 应用支撑软件除了标签和阅读器上运行的软件外，介于阅读器与企业 应用之间的中间件是其中的一个重要组成部分。该中间件为企业应用提供一系列 计算功能，在电子产品编码( e l e c t r o n i c p r o d u c t c o d e ，e p c ) 规范中被称为s a v a n t 。 其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从阅读器传 往企业应用的数据量。r f i d 的应用软件是扩展r f i d 系统功能与应用的重要工具， 是未来r f i d 系统发展的趋势，在本文中不作详细的阐述。 2 2 1 2 5r f i dr e a d e r 的设计 2 5 1r f i dt a g 的工作原理 本设计所采用的标签为工作在8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 的长距离无源标签，符合 i s 0 1 8 0 0 0 6 标准，r e a d e r 对其识别距离可达4 m 以上( 具体视天线情况而定) 。该 标签的功能及工作原理如下： ( 1 ) 通过r f 前端的模拟电路将天线接收能量为内部电路供电。 ( 2 ) 内部包含1 6 位c r c ( 循环冗余校验) 编码，具有很高的数据完整性。 ( 3 ) 拥有快速防冲突机制，运用自身防冲突算法实现了真正的内部冲突判断以 及防冲突。 ( 4 ) 采用6 4 位e p c 编码，且内部包含2 1 6 字节用户自定义存储空间。 根据无源卡和半无源卡的反射调制系统的要求，读写器必须连续地发射一 个没有调制的连续载波( c w ) 提供给卡片上面的电子线路能量，同时卡片调制卡 片天线自己的阻抗，使信号能反射回读写器当标签进入r f 区域后，标签被激活。 如果r f 区域信号强度达到标签工作能量的需要，则标签进入准备工作状态，等 待接收读写器发送的指令。标签接收以及发送的数据都将经过c r c 进行差错校 验。同时，还通过曼彻斯特编码以及f m o 编码对数据进行迸一步的保护，以此 2 r f i d 系统概述 来保证数据的安全性。读写器通过外部命令结合标签内部防冲突算法来实现多个 标签数据的同时读取与写入。 大部分的读写器能查询无源标识卡，而有的无源r f i d 标识卡要通过特定的 通信协议才能读写。读写器在读写无源卡的时候，同时也会给标识卡提供能量， 使得卡中的集成芯片能够正常工作。传输信号的时候，读写器发送的是幅度调制 的信息使得标识卡能接收得到。读写器发射信号的能量是受到限制的，比如在美 国，一般射频信号发射功率不能超过1 w 。调制的速度受到所用协议的限制，一 般情况下，u h f 频段的标识卡的通信速率都是几十k b s 之几百k b s 的。 2 5 2r f i dr e a d e r 的工作原理 目阜 复 辫 姥薄曩 图表8 ：典型r f i dr e a d e r 的结构图1 2 1 r f i dr e a d e r 实际上就是一个零中频的接收机，由于零中频信号就是基带信 号，而在数字通信里基带信号往往都是分成同相和正交的两路，所以图8 中通过 两个正交的本振信号，下变频直接变为i q 两路正交基带信号。对得到的基带信 号进行低通滤波，滤除镜像频率，之后被数字化，经处理后得到标签的信息。不 难看出，这实际上是一个典型的接收机模型。 2 5 3r f i dr e a d e r 的框架结构 图9 是完整的无源r f i d 系统的原理示意图，读写器通过天线发出射频信号， 能量耦合到应答器的天线，从而提供无源应答器工作的能量。应答器由电子数据 处理、存储设备( 通常是单个的微小芯片) 和天线组成。当应答器进入读写器的 能量辐射场，应答器的能量检测电路将射频信号转化为直流信号，供其工作。同 时，芯片内部的数据解调部分从接收到的射频信号中解调出数据并送到控制逻 辑。控制逻辑部分负责分析数据并执行相应操作，包括从e e p r o m 读数据或写入 数据，将数据( 如应答器i d 和其他用户数据等) 调制并发送出去等。 浙江大学硕士学位论文 图表9 ：r f l dr e a d e r 的框架结构 r f i d 的读写器的硬件设计由射频部分和基带部分组成。而射频部分又由射 频发射部分，接收部分及本振发生部分组成。首先，由本振部分产生两路9 1 5 m h z 的信号，两路信号分别被传送到发射部分和接收部分。在发射部分，9 1 5 m h z 的 本振信号通过功率放大器放大后，通过环形器后，由天线发射出去。当标识卡从 读写器发射的信号中获取了足够能量后开始工作，将得到的指令解码，并执行读 写器的命令，反馈回来自己的唯一的标识号( u i d ) 。读写器通过天线将将得到的 反馈信号接收后，通过环形器实现其与发射信号的隔离，经中心频率为9 1 5 m h z 的滤波器后，被均分为两路，送到解调器。而另一路本振信号被均分为相位差为 9 0 0 的两路，经隔离放大后进入混频器。由混频器将接收到的射频信号解调为码 率为4 0 k b s 的基带信号。由图可见，发射部分和接收部分共用一个天线，中间由 一个环形器将其隔离开。发射信号由环形器的