（电磁场与微波技术专业论文）hf射频识别阅读器的研究.pdf

摘要 摘要 射频识别( i 讧i d ) 技术是一种利用射频通信实现非接触的自动识别的技术， 它是利用电磁信号的空间耦合技术实现无接触的信息传递。并且，通过所传递信 息达到识别对象的目的。由于射频识别具有读写能力强、可携带数据信息量大、 识别距离远等优点，可广泛运用于货物管理、车辆管理、门禁控制等需要快速收 集和处理数据的领域。射频识别读写器是整个射频识别系统中最为关键的部分， 其设计的成功与否将直接影响到整个射频识别系统的性能。 基于传输协议，对阅读器相关电磁学以及通信理论进行了全面分析和理解。 针对符合i s o i e c l 4 4 4 3 a 国际标准的非接触式m i f a r el 射频卡，本文搭建了载波 频率为1 3 5 6 m h z 的射频识别读写器，给出了详细的软硬件设计方案。硬件电路设 计中，c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机和p h i l i p s 公司的m fr c 5 0 0 射频基站芯片是本文设计的 射频读写器的关键部件，硬件电路部分包括m c u 控制电路模块、射频基站收发模 块、串口通信模块。并且，利用串联谐振原理设计阅读器天线及阻抗匹配电路， 采用了p c b 环形天线和电容匹配网络中的网络变换进行匹配。软件设计包括对 系统的初始化、射频模块的配置及系统对m i f a r el 卡的寻卡，防冲突、加载密码 和读取值等操作过程。最后，制作实物并对其进行测试，测试表明制作的读写器 能够正确读取卡中的信息，读写距离可以达到6 - - - 7 c m 。 关键词：射频识别读写器m fr c 5 0 0m i f a r e1 a b s t r a c ti i i a b s t r a c t r a d i o f 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 ) i s o n et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hi su s e dw i t ht h ec o u p l i n go fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt or e a l i z e c o n t a c t l e s sc o m m u n i c a t i o n i tc a ni d e n t i f yt h et a r g e ta n dg e tt h er e l e v a n td a t a b e c a u s e o fi t ss t r o n ga b i l i t yt or e a da n dw r i t e ，c a r r y i n gal a r g ea m o u n to fd a t aa n dl o n g i d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c e ，r f i dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fd a t a c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gf a s t ，s u c ha sc a r g om a n a g e m e n t ，v e h i c l em a n a g e m e n t ，t h e c o n t r o l m e n to fa c c e s sa n ds oo n r f i dc a r dr e a d e ri sk e yc o m p o n e n to fe n t i r er f i d s y s t e m ，t h es u c c e s si nt h ed e s i g ni sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r e r f i ds y s t e m a c c o r d i n gt ot r a n s m i s s i o np r o t o c o l s ，t h er e l a t i v ee l e c t r o m a g n e t i c ，c o m m u n i c a t i o n s t h e o r ya n dt e c h n o l o g ya r ea n a l y s e d t h ep a p e ri n t r o d u c e sd e s i g no ft h er f i dc a r d r e a d e ra n di t sm o d u l a t i o n 、析t hc a r r i e rf r e q u e n c yo f1 3 5 6 m h z r e a d e ri sb a s e do n m i f a r eo n ec a r di nl i n ew i t hi n t e m a t i o n a ls t a n d a r di s o i e c14 4 4 3 a i nt h eh a r d w a r e c i r c u i tp a r t , c 8 0 51f 0 2 0m i c r o c o n t r o l l e ra n dm fr c 5 0 0r a d i of r e q u e n c ys t a t i o nc h i p a l ep i v o t a lc o m p o n e n t so fr f i dr e a d e r , h a r d w a r ec i r c u i t sa r ec o n s i s to fm i c r o c o n t r o l l e r c o n t r o lm o d u l e ，r a d i of r e q u e n c ym o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h er e a d e ra n t e n n a a n dc a p a c i t a n c em a t c h i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e dw i u lp r i n c i p l eo fs e r i e sr e s o n a n c e t h e r i n ga n t e n n ai sp r i n t e do n t h ec i r c u i tb o a r da n dm a t c h i n gc i r c u i tb e l o n g st ot h et y p eo fl i nt h es o f t w a r ep a r t ，s o f t w a r ed e s i g n sa r ec o n s i s to fs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n , r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nm o d u l ec o n f i g u r a t i o n , 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 nm o d u l e o p e r a t i o n so nm i f a r eo n e c a r d t h eo p e r a t i o n sc o n t a i ns e l e c t i o n ，a n t i c o l l i s i o n ，p a s s w o r d a u t h e n t i c a t i o na n dr e a d i n gm e s s a g e f i n a l l y , t h er e a d e rc a nb ef a b r i c a t e d ，t h e p e r f o r m a n c e so f t h er f i dc a r dr e a d e ra r et e s t e da n dr e s u l t ss h o wt h a ts y s t e mc a nw o r k w e l l a n dw o r kd i s t a n c ec a nr e a c ha b o u t7c e n t i m e t e r s k e y w o r d ：r f i d r f i dc a r dr e a d e rm fr c 5 0 0m f f a r eo n e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 自动识别系统先后出现了：条形码，光学码、光学符号识别、生物识别法、 i c 卡，到后来的r f i d 系统。r f i d 系统是i c 系统的发展，与传统识别方式的区 别在于能量的供应和数据的交换是由无线电和雷达技术实现的。它是非接触的自 动识别的技术，通过电磁波进行识别。它是利用射频信号实现双向通信，来达到 识别的目的并且交换数据，射频卡与阅读器不用直接接触便可完成识别，识别工 作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境，可用来识别或跟踪几乎所有物理对象， 并由此可构建一个容纳和连接世界上所有物品的广泛的智能网络。 从信息传递原理来讲，射频识别在低频段是基于变压器的耦合模型，在高频 段是基于雷达探测的空间耦合模型。1 9 4 8 年哈里斯托克曼发表的“采用反射功率 通信”奠定了射频识别的理论基础。 r f i d 发展产生的影响改变了我们的生活，为全世界带来了一场新技术革命。 与别的识别系统比较，射频识别有以下特点：反应的时间短，阅读速度快；数据 量大，保密性好，费用较低；抗干扰强，可以多个标签同时操作；因为在使用时 无机械触点，反应的可靠性和设备的寿命得到提高。 1 2 国内外研究现状及应用领域 r f i d 技术的应用领域非常广泛，已经在商业和政府领域得到了广泛的应用。 r f i d 在供应链中的应用，奠定了r f i d 在商业中的应用基础，也使得r f i d 被广 泛应用于商业自动化，工业自动化，交通运输控制管理、定位跟踪、防伪等众多 领域。 ( 1 ) 车辆防盗及自动识别 采用建立射频识别的自动车辆识别系统，可以随时知道车辆运行情况，不仅 完成了车辆自动跟踪，而且大大减少了事故发生的可能性，还可以通过射频识别 技术对车辆主人进行有效的验证，防止发生车辆偷盗，而且车辆丢失后可有效寻 找到丢失车辆。 ( 2 ) 高速公路收费及智能交通系统 高速公路自动收费系统是射频识别技术应用最成功的应用之一。目前中国的 高速公路发展非常快，地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件，但是高 速公路的收费问题一直存在诸多问题，r f i d 技术应用在高速公路自动收费上能够 2h f 射频识别阅读器的研究 充分体现该技术的优势。在车辆高速通过收费站时能自动完成缴费，解决了交通 的瓶颈问题，避免了拥堵，提高了收费效率。 ( 3 ) r f i d 在跟踪和空间定位中的应用 r f i d 的普及为人和物体的空间定位和跟踪带来了一种新的方案。r f i d 跟踪 与定位利用标签对物体的位移标识特性，依据阅读器与放置在物体上的标签间的 射频通信信号强度去测量物体的位置，主要应用在g p s 系统不易应用的室内定位。 r f i d 技术应用在图书馆中，可实现图书室内定位。2 0 0 2 年新加坡发布了世界上第 一个全面部署r f i d 的图书管理系统。美国等国家图书馆也陆续使用了r f i d 系统 进行管理【3 1 。 ( 4 ) r f i d 在防盗和防伪中的应用 因r f i d 标签不可伪造性，采用r f i d 标签可避免商品被伪造。在酒类产品中， r f i d 标签做成防伪标签，放置在瓶塞上，一旦瓶塞被打开，防伪标签就被撕毁， 无法再使用，这可有效防止假酒流通。另外将电子标签做成电子门票，也可防止 各种假门票流通。防盗系统方面，常用的有物品检视系统，如在商场内，在出口 处安装阅读器，当有标签的物品通过阅读器时，阅读器被触发，从而发出警报。 但对已经付款的物品，经过特定的装置对电子标签进行灭火处理，物品可正常经 过试读区域p j 。 随着r f i d 技术的不断发展，我认为射频识别在性能等方面会有很大提高，成 本将逐渐降低，可预见未来r f i d 的发展将由以下趋势： ( 1 ) 标签多样化。用户个性化需求较强，单一标签不能适应发展和市场需求。 芯片的频率，容量、天线等组合形成产品系列化，和其他高科技的融合，如和传 感器、g p s 、生物识别相结合向多功能识别发展。 ( 2 ) 系统网络化。r f i d 的应用发展到一定程度后，每件产品由电子标签给 予身份识别，与互联网结合将是必然，也将改变人们的生活，工作、学习方式。 ( 3 ) 与其他产业融合。与其他i t 产业一样，当标准和关键技术解决和突破 之后，与其他产业融合形成更大的产业群，得到更加广泛的应用。 因此，我们有理由相信r f i d 产业发展潜力是巨大的，将是未来发展的一个新 的增长点，r f i d 技术将与人们的日常生活密不可分割。 r f i d 被列为2 1 世纪十大重要技术之一，世界各国都在大力发展r f i d 技术。 目前，r f i d 技术已经广泛应用于物资全资可视，空间定位与跟踪、重要设备管理 、供应链管理、交通管理、门禁管理、防伪防盗等行业【2 】。 ( 1 ) 国外的应用现状 国外发展著名的例子是沃尔玛公司，它要求前1 0 0 家供应商在2 0 0 5 年1 月之 前使用r f i d 技术。尽管沃尔玛推迟了此要求的实施，但是基于r f i d 在物流及供 应链领域存在的市场空间，r f i d 技术将很快成为业界的焦点。 第一章绪论3 目前，欧美许多国家的高速公路均有电子收费站，仅凭借粘在车上的标签就 能不停车通过收费站，自动扣款，不需要停车。此外澳洲政府想把此技术用在管 理澳洲的袋鼠上 2 1 。 另外，美国将r f i d 技术用在特定物品的寻找上、生理状态的监测和服装的发 放等后装保障领域。除美国外，欧洲等各国相继开展r f i d 的军事应用：英国在集 装箱上进行了r f i d 的应用，法国在紧急救生设备上也安装了r f i d 标签，以色列 也尝试用有源的r f i d 来追踪管理货盘、送货卡车和在途物资【3 】。 ( 2 ) 国内的应用现状 作为2 l 世纪十大重要技术之一，r f i d 在国外的应用已经越来越普及，新加 坡、韩国等国家都明确指出要重点发展射频识别技术及其应用。中国乃世界生产 中心和最具潜力的消费市场之一，对r f i d 的应用也将越来越强烈。 中国已在一些领域进行了相关示范，如铁路物流及人员管理等方面。民用方 面，如邮政系统的邮包管理与跟踪、机场的行包跟踪和管理系统。同时，e p cg l o b a l c h i n a 也在中国建立了测试中心，其服务包括国内的产品进入国外，国外的产品进 入中国【2 】。 1 9 9 6 年，佛山市安装了r f i d 系统用于自动收取过桥费，大大提高了车辆通 过速率。车辆可在2 5 k m h 的时速下在少于0 5 m s 的时间里被识别。此外，上海、 深圳、北京等地也陆续采用了射频公交卡。 此外，r f i d 全球市场规模早在2 0 0 4 年市场就已达到了1 8 2 亿美元，市场增 长率达到3 2 8 。国内低频市场规模达到了1 6 5 亿元。其中供应链将成为推动r f i d 技术的主要产业，而且每年都在高速成长推动着r f i d 产业前进。 1 3 本文的主要工作和结构安排 本文紧密结合科研课题，对h f 频段射频识别系统进行了深入的探讨与研究， 以射频识别技术为基础，通过理论分析与工程实际相结合，重点对射频发射和接 收前端关键部件进行了应用设计，并完成了一款符合i s 0 1 4 4 4 3 a 国际标准协议的 阅读器的研制任务。全文共分为5 章，具体任务安排如下： 第一章为绪论，首先简要介绍了课题研究的背景及意义，介绍了r f i d 技术在 国内外的应用现状、应用领域及市场展望，最后介绍了本文的研究内容和作者的 主要工作。 第二章为后续章节的基础，简要介绍了射频识别技术的理论基础，系统介绍 了射频识别技术的基本工作原理和电感耦合r f i d 系统的电磁场理论以及r f i d 系 统数据传输的相关通信学理论。 第三章介绍了非接触式i c 智能射频卡及i s o 】 e c l 4 4 4 3 a 协议标准，主要介绍 4 h f 射频识别阅读器的研究 了基于i s o i e c l 4 4 4 3 a 协议的m i f a r el 卡的存储结构，工作原理及工作方式。 第四章是射频识别读写器的设计与实现，包括读写器硬件电路设计和软件设 计并对整个系统调试过程做了详细介绍。介绍了射频识别读写器硬件系统的总体 框架，详细描述了各个模块的电路设计，着重介绍了读写器天线的设计与阻抗匹 配电路的设计和系统对m i f a r e1 卡的读写操作步骤。 第五章对全文工作进行总结，提出存在的问题并进行下一步的工作展望。 第二章射频识别技术的理论基础 5 第二章射频识别技术的理论基础 2 1 射频识别技术概述 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，即射频识别技术，是自动识别 技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获 取相关数据。r f i d 技术最早应用于第二次世界大战期间，至今已经有6 0 多年的 历史。 同传统的接触式识别技术和光学识别技术相比，射频识别技术不但可以使射 频标签和读卡器之间实现无接触，而且还可以实现多个标签的防冲突操作，从而 可以解决很多传统识别技术上的缺吲4 1 。例如射频识别技术不需人工干预，不需直 接接触、不需光学可视即可完成信息的输入和处理，可工作于高速运动物体并可 同时识别多个电子标签，操作快捷方便【5 】，实现了无源和免接触操作，应用便利， 无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放物理接口，能更好地保证机具 的安全性等。与此同时具有条形码所部具备的防水、防磁、耐高温，读取距离大 、数据加密、存储数据容量更大，存储信息更改简单等特点 4 1 。 典型的射频识别系统通常有读写器( 又叫近邻耦合设备，即为p c d ：p r o x i m i t y c o u p l i n gd e v i c e ) 和非接触式i c 卡( 又叫电子标签，p i c c ：p r o x i m i t yi n t e r g r a t e c i r c u i tc a r d ) 两部分组成。如图2 1 所示。 i 也磁场 麓芯片天线) 图2 1 射频识别系统的结构框图 阅读器( r e a d e r ) 阅读器( r e a d e r ) 又称为读写器，是r f i d 系统的重要组成部分，由它发射信 号唤醒和传送命令信号给电子标签，并且接收到标签返回的信号；然后对信号的 过滤与处理之后，将数据传送给管理系统，来完成对电子标签信息的读取。读写 器的频率决定了r f i d 系统工作的频段。目前，定义r f i d 产品的工作频率有低频 6 h f 射频识别阅读器的研究 、高频和甚高频。各种频率范围内有符合不同标准的产品。目前生产r f i d 产品都 采用自己的标准，国际上没有统一的标准，可供射频卡使用的几种标准有i s 0 1 0 5 3 6 、i s 0 1 4 4 4 3 、i s 0 1 5 6 9 3 和i s 0 1 8 0 0 0 。应用最多的是后面三个标准，这三个标准都 由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。 图2 2 为常用r f i d 频率分布6 1 。 1 图2 2 常用r f d 频率分布 低频系统的工作频率一般为3 0 3 0 0 k h z ，典型的工作频率为1 2 5 k h z 和 1 3 3 k h z 。其基本特点是标签的成本低、标签内保存的数据量少、阅读距离较短、 电子标签外形多样( 卡状、环状、钮扣状、笔状) 、阅读天线方向性不强【2 j 。主要 应用于短距离、低成本的应用中，如多数门禁控制、煤气表和水表等。该频段主 要通过电感耦合进行工作，读写器与标签间的射频信号实现的原理为变压器模型。 该系统识别距离小于l m ，典型的识别距离为1 0 - 2 0 c m 。主要应用场合有：畜牧业 管理、汽车防盗、无钥匙门禁管理等【7 1 。此频段的国际标准有i s 0 1 1 7 8 4 ，i s 0 1 1 7 8 5 ， i s 0 1 4 2 2 3 1 ，s 0 1 4 2 2 3 2 ，i s o1 8 0 0 0 2 。 中高频系统( 3 3 0 m h z ) 典型的工作频率为1 3 5 6 m h z ，中高频系统在这些频 段上也有众多的国际标准予以支持。诸如i s o i e c l 4 4 4 3 ，i s o i e c l 5 6 9 3 ，i s o i e c 1 8 0 0 0 3 等国际标准。在这种情况下，读写器和标签间的天线能量交换方式类似电 压器，所以称为负载调制。负载调制的工作原理是通过改变标签天线上的负载电 阻的断开与接通，使读写器天线的电压产生变化。若能通过数据控制负载电压的 断开和接通，这些数据就能从标签传到读写器了。此调制方式广泛应用在1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 的射频识别中。中高频系统的特点是标签和读写器成本较高，标签保 存的数据量大，阅读距离远，性能好，外形为卡状，阅读器天线和标签天线都 有较强方向性【2 j 。 超高频与微波系统总称为微波系统。微波系统工作频率为3 0 0 m h z 3 g h z 或 大于3 g h z ，典型工作频率为4 3 3 m h z 、9 0 2 - 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。在这 些射频识别系统中，读写器与标签间的距离有几米，而载波波长仅有几到几十厘 米。读写器与标签间的能量传递为反向散射调制。 电子标签( t a g ) 第二章射频识别技术的理论基础 7 标签存储着被识别物体的信息，标签通常被放在需要识别的物体上，标签内 存储的信息可通过非接触式读写。它主要有天线、谐振电容以及i c 芯片组成。其 芯片上有e e p r o m 用来存储识别或其他数据。电子标签是射频识别系统的数据载 体，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。 根据读写器与电子标签的识别距离，射频识别系统可划分为密耦合、遥耦合 和远距离系统。 密耦合也可被称为紧密耦合，具有很小的识别距离，典型的范围是从0 l c m 。 此系统工作时，必须将标签插到读写器中，或者把电子标签放置在读写器为此设 定的表面上。密耦合系统可用介于直流和3 0 m h z 交流之间的频率进行工作。标签 和读写器间的紧密耦合可以提供大的能量。 遥耦合系统的识别距离可达到l m 。对于所有遥耦合系统来说，读写器和标签 间是电感( 磁) 耦合的。遥耦合系统可分为近耦合和疏耦合系统。近耦合系统典 型识别距离为1 5 c m ，疏耦合系统典型识别距离可为l m 。遥耦合系统利用标签和 读写器天线无功近场区间的电感耦合构成的无接触空间信息传输射频通道来工 作。遥耦合系统发射频率，可使用13 5 k h z 以下的频率，也可是6 7 5 m h z 、13 5 6 m h z 以及2 7 1 2 5 m h z 。 远距离系统的工作范围可从l m 到1 0 m ，某些系统识别距离可更远。它是利用 微波频段的电磁波进行工作，发射频率通常采用2 4 5 g h z ，有些系统也使用 9 1 5 m h z 、5 8 5 g h z 和2 4 1 2 5 g h z 。远距离系统利用电子标签和读写器天线辐射远 场区之间的电磁耦合所构成的无接触空间信息传输射频通道进行工作，当使用微 型芯片工作时，如果要对电子标签提供足够的能量，需要添加一个辅助电池。此 电池不是为电子标签和读写器之间的数据传输提供能量，而只是为微型芯片提供 能量，以便读写存储数据。 2 2r f i d 技术的基本工作原理 r f i d 系统的基本模型如图2 3 所示。电子标签可称为射频标签、标签；阅读 器可称为扫描器、读写器。 8 h f 射频识别阅读器的研究 】互 标签接收信号 标签在电磁场中充电取得足 够能量以便反射标识信息 能量 阅读 阅读 图2 3r f i d 的基本模型 标签与阅读器间通过耦合实现射频信号空间耦合，耦合通道内依据时序关系， 实现能量数据交换和传递【7 】【9 】【1 0 1 。 图2 4 是r f i d 系统前端原理图，主要完成能量耦合、数据调制等功能。阅读 器和标签间信号的耦合类型有电感耦合和电磁耦合两种。 供电 图2 4r f i d 系统前端原理图 图2 5 表示只读被动标签与阅读器系统，图2 6 表示可读写被动标签与阅读器 系统，图2 7 表示可读写主动标签与阅读器系统7 】【1 们。 标签对阅读器形成的 磁场进行耦合，并进 具有 天线 型标签 标签i d + 阅读器数据 、 第二章射频识别技术的理论基础 9 具有 天线 图2 5 只读被动标签与阅读器系统 标签对阅读器形成的 磁场进行耦含并进 型标签 行信号调制 j r l 岁一。 短距离、 图2 6 标签i d + 阅读器数据 ) 沪一 卜品( 圆 图2 7 可读写主动标签与阅读器系统 通过图2 3 可看出，在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过 一定时序来实现数据交换 7 1 。 对于无源标签来讲，阅读器需向标签来提供能量。标签离开识别场时，标签 没有能量的激活处于休眠状态，标签进入识别场时，阅读器天线发射的射频波可 激活标签电路，标签通过整流方法将射频波转换成电能储存在标签中的电容里， 为标签工作提供能量，完成数据交换。对于半有源标签来讲，射频场只是起到了 激活的作用。而有源标签始终处于激活状态，和阅读器发射出的射频波相互作用， 具有较远的识别距离。 时序是指阅读器和标签的工作次序。对无源标签来讲，通常是阅读器先讲； 对多标签同时识读来讲，可采用阅读器先讲形式，也可是标签先讲形式。为实现 多标签无冲撞同时识读，对阅读器先讲的方式，阅读器首先对一批标签发出隔离 的指令，来使阅读器识读范围内的数个标签被隔离，最后仅保留一个标签与阅读 器建立通信联系。 1 0 h f 射频识别阅读器的研究 阅读器和电子标签之间的数据交换包含两个方面的含义：从读写器向射频标 签方向的数据交换，从射频标签到阅读器方向的数据交换。 2 3r f i d 系统的电磁学原理 2 3 1 与电磁场相关的电磁场基本理论 阅读器与标签通过各自天线构建两者间的非接触式传输通道：此传输通道的 性能由天线周围的场区决定，并符合电磁传播的规律。射频信号被加载到天线后， 在天线的空间中，除辐射场外，还有非辐射场。该场与距离高次幂成反比，并且 随离天线距离的增加而减小。在此区域，由于电抗场占优势，故将此区域称做电 抗近场区，它的边界约为一波长。辐射场在电抗近场区的外面，根据离天线距离 的远近把辐射场分称辐射近场和辐射远场。通常可依据测试点距离天线的距离把 天线周围场划分称3 个区域：无功近场、辐射近场和辐射远场团7 】【8 】【10 1 。 ( 1 ) 无功近场区 无功近场区可称为电抗近场区，是天线辐射场中近邻天线的一个近场区域。 该区域中，电抗储能场占支配地位。通常，该区域界限为距天线表面a 2 兀处。无 功近场区是一储能场，其中电场与磁场间存在7 r 2 相位差，所以坡印廷矢量平均值 为瓯，= 0 5 * r e le h l = 0 ，能量在电场与磁场间交换没有辐射。该区域中，束 缚于天线的电磁场没有做功，而只是进行相互转换。 ( 2 ) 辐射近场区 近场能量主要以存储形式而存在，而辐射场能量主要以电磁波的形式传播。 超过近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁场已脱离天线束缚。根据离天线的 距离可将辐射场区分为辐射近场与辐射远场区。在近场区，辐射场占优势，并且 其角度分布和距离天线的远近有关，对于通常的天线，此区域也被称为菲涅尔区。 ( 3 ) 辐射远场区 辐射远场区就是我们说的远场区，还可称为夫朗荷费区。该区域中，辐射场 角分布和距离无关。，当离天线无穷远时才可到达天线远场区。但在某一个距离内， 当辐射场角度分布和无穷远处的角度分布在允许误差范围内时，该点到无穷远的 区域可以看作天线远场区。通常辐射近场区和远场区分界距离r 为 r ：孚( 2 - 1 ) 式中，d 为天线直径，a 为波长，d a 。 对于天线来说，满足天线最大尺寸三小于波长a 时，天线周围仅存在电抗近 第二章射频识别技术的理论基础 场和辐射远场区。电抗近场区的外界为z 2 z r ，超过此距离，就到了辐射场区。 对射频识别和标签来说，因为对电子标签与读写天线应用的尺寸限制，通常 情况下，采用了天线尺寸三小于波长见的电小天线结构。 表2 1 显示了常用工作频率对应波长无功近场与辐射远场区的计算结果。通过 表2 1 可以知道，对于不同的工作频率，无功近场区的外界基本上是由波长决定的， 辐射远场区的内界应满足大于无功近场区外界的约束。 在高频工作的r f i d 系统，电磁能量的传输在感应场区域中完成，射频能量以 磁场、电场的形式相互转换并不向外传播。而在超高频段( 如9 1 5 m 比) 工作的 r f i d 系统，电磁能量的传输在远场区域中完成，因此又被成为微波辐射系统。 表2 1 不同频率的波长无功近场区与辐射远场区距离估算 频率厂波长允( m )墨= z 2 z r 恐= 2 d 2 ；t ( 胪o 1 m ) 2 2 2 2 3 5 3 m( 3 5 3 m ) 13 5 6 m h z2 2 13 5 m ( 3 5 m ) 4 3 3 m h z0 6 9 31 l c m ( 1 l c m ) 9 1 5 m h z0 3 2 85 2 c m6 1 c m 2 4 5 g h z0 1 2 21 9 c m 1 6 4 c m 5 8g h z0 0 5 28 2 8 m m3 8 5 c m 2 3 2 能量耦合 射频识别系统中标签与阅读器的作用距离是射频识别应用中的重要问题，一 般情况下此作用距离定义为标签与阅读器间能够交换数据的距离。根据作用距离， 标签和阅读器天线问的耦合可划分为三类：密耦合、遥耦合和远距离系统。 1 ) 密耦合系统 密耦合系统的典型作用距离为0 - - d c m 。实际应用中，需要把标签插到阅读器 中，或放置到读写器天线表面。此系统利用标签和读写器天线的无功近场区间的 电感耦合构成的无接触空间传输通道进行工作的。 此系统的工作频率一般在3 0 m h z 以下的频率。标签和阅读器间的紧密耦合可 以提供较大能量给标签，或者可为微处理器供电。因为此方式的电磁泄漏小，耦 合获得能量大，适合应用在要求安全性高，作用距离没有要求的系统中，如电子 门锁或者带有计数功能的非接触i c 卡系统。 2 ) 遥耦合系统 遥耦合系统典型作用距离可达l m 。此系统可细分为近耦合与疏耦合系统两大 1 2 h f 射频识别阅读器的研究 类。近耦合是利用标签和读写器天线无功近场区间的电感耦合构成的无接触射频 通道进行工作。所有的遥耦合系统在读写器与电子标签之间都是电感耦合，故遥 耦合系统还被称为电感无线电装置。 遥耦合系统的发送频率通常使用1 3 5 k h z 以下的频率，也可以6 7 5 m h z ， 1 3 5 6 m h z 、2 7 1 2 5 m h z 频率。根据标签和读写器的距离来估算，通过电感耦合可 传输的能量是很小的，以致往往只使用耗电很少的只读数据载体。使用微处理器 的高档标签也属于电感耦合系统。 3 ) 远距离系统 远距离系统典型距离为1 1 0 m ，某些系统作用距离更远。此系统是利用标签和 阅读器天线间的电磁耦合构成的无接触通道来进行工作的。典型工作频率是 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z ，此外还有一些其他频率，如4 3 3 m h z 等。根据射频 标签中是否含有电池分为无源标签和有源标签。有源系统中，射频标签中内置电 池，为射频标签的工作提供全部或是部分能量；无源系统中，射频标签自己没有 电源，其标签工作所需能量从阅读器天线发出的射频波束中获取，经过整流、存 储后提供给射频标签所需的工作电压。一般情况下，内含电池的射频标签作用距 离比无电池的射频标签的作用距离要远。 2 3 3 数据传输 射频识别系统中，读写器与标签间的通信通过电磁波实现的，按通信距离分 为远场与近场。读写器和标签间数据交换方式包括负载调制与反向散射调制。 1 ) 负载调制 低频射频系统是通过准静态场耦合实现的。此种情况下，读写器与标签间的 能量交换类似于变压器结构，读写器天线相当于变压器一次绕组，射频标签天线 相当于二次绕组，故称为负载调制。此方式在1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 频段中得到广 泛应用。 2 ) 反向散射调制 典型的远距离射频识别系统中，读写器与标签间的距离有几米，但载波只有 几至几十厘米。读写器与标签间的能量传递为反向散射调制。 反向散射调制是指无源标签将数据发送回读写器采用的方式。标签返回的数 据方式是控制天线阻抗的。控制标签阻抗的方法有多种，均是基于称为“阻抗开 关 的方法。实际中采用的阻抗开关有变容二极管、逻辑门、高速开关等，如图 2 8 所示。 第二章射频识别技术的理论基础1 3 图2 8 射频标签阻抗控制方式 发送的数据信号具有两种电平信号，通过简单的混频器和中频数据完成调制， 调制的结果连接到“阻抗开关 ，通过阻抗开关来改变天线反射系数，从而完成对 载波的调制。此种数据调制和普通通信方式有较大区别，在整个通信中，存在一 个发射机就完成了双向数据通信。标签根据发送的数据控制天线开关，来改变匹 配。如发送数据为“0 ”时，天线开关打开，标签天线为失配，辐射到标签的能量 大部分反射回阅读器；发送的数据为“1 时，天线开关关闭，标签天线为匹配状 态，辐射到标签的能量大部分能够被吸收，从而反射到阅读器的能量就会减少。 这样从标签反射回的数据被调制到返回的电磁波上。此种调制方式类似于a s k 调 制。 对无源标签来说，还要应用到波束供电技术，无源标签工作需要的能量需要 从电磁波束中获取。与有源系统相比，无源系统需要更大功率，电磁波经过标签 射频检波、倍压，稳压，存储电路处理，转化为射频标签工作所需要的工作电压。 ； 2 4 r f i d 系统的编码与调制 图2 9 说明了射频识别的通信过程。阅读器与标签间的数据传输需要三个主要 的功能模块。按从阅读器到标签的传输方向，它们是阅读器的信号编码和调制器， 传输介质，以及射频标签的解调器和信号译码【9 】【l l 】。 信息源 阅读器l 掣 翮，雨两b 嘣黑q 标签 信号编码卜_ 叫 调制器 图2 9 射频识别系统中的前向信息传输和数据流 信号编码的作用是把传输信息和信号表示尽可能更好地与传输通道性能相匹 配。安全性要求较高的r f i d 系统中，为了防止对系统中传输数据的恶意获取或修 改，还需对编码信号进行加密。 调制是对载波信号的处理，使振幅，频率或相位与调制信号相关。射频系统 1 4 h f 射频识别阅读器的研究 中采用的传输介质是磁场和电磁波。解调是另外的调制过程，得以再生基带信号。 信号解码是从接收信号中恢复出原来的信息。 2 4 1 基带编码 数字基带信号的编码就是对基带信号进行码型设计，一方面使基带信号便于 数据传输，另一方面可以对传输的数据进行加密。基带信号一般用数字信息的电 脉冲来表示，电脉冲的形式成为码型。通常把数字信息的电脉冲表示过程称为码 型编码或是码型变换。就波形的形状而言，有矩形脉冲三角形、高斯形、升余弦 形和半余弦形等，最常用的为矩形脉冲。常用数据编码有反向不归零码( n i 逻) 、曼彻斯特编码( m a n c h e s t e r ) 、单极性归零编码( u n i p o l a ri 讫) ，差动双相编码 ( d b p ) ，米勒编码( m i l l e r ) 、差动编码、脉冲宽度编码( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， p p m ) 等方式t 7 j 1 9 j ，如图2 1 0 。 瞰椭 厂 几 一。取尚，- 八r f 1 八f 棚一_ l 一几几几 i _ ji 1i _ j i 一 翰一 f 1nf 1f 1f 1 10li oo i i o 泰蝴1 几几 厂 r 厂 厂 厂 麓一r 厂 图2 1 0 射频识别系统中的数据编码 ( 1 ) n r z ( 反向不归零制) 编码：n r z 编码“高”电平表示1 ，“低 电平表示o 。 ( 2 ) 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：在半个比特周期时的负边沿表示二进制l ，半 个比特周期的正边沿表示二进制0 。m a n c h e s t e r 编码在r f i d 系统中经常用于从射 频标签到读写器的数据传输，由于它本身包含了时钟信息，因此在r f i d 系统中非 常适用于防止数据在无线信道传输过程中出现的相互干扰，但是由于它在相同比 特位长度的条件下，宽度范围仅为原信号的一半，所以它所占用的频带宽度增加 了一倍。 ( 3 ) 单级性归零编码：第一个半比特周期的“高 信号表示1 ，持续整个比 特周期的“低”信号表示0 。 第二章射频识别技术的理论基础 1 5 ( 4 ) 差动双相编码( d b p ) ：半比特周期中的任意边沿表示0 ，没有边沿跳变 表示l 。而且每一个周期开始时，电平要反相。 ( 5 ) 米勒编码( m i l l e r ) ：半比特周期内的任意边沿表示l ，经过下一个比特 周期不变的l 电平表示0 。因此，对于接收器来说，建立位同步比较容易。 ( 6 ) 变形的米勒编码：相对米勒编码来讲，将每个边沿用负脉冲代替。负脉 冲的时间较短，可以保证数据在传输过程中从高频场中连续给标签提供能量。在 我们设计的系统中采用的就是变形的米勒编码。 ( 7 ) 差动编码：每个要传输的1 将引起信号电平改变，而在二进制0 时，信 号电平保持不变。 2 4 2 基带信号调制与解调 能量从天线以电磁波的形式发射到周围的空间。通过改变电磁波的幅度( 功 率) 、频率和相位之一，信息可以被编码。信息对电磁波的影响过程称作调制， 未调制的电磁波被称作载波。分析已调波的幅度( 功率) 、频率和相位的变化来 重建信息的过程称作解调。解调过程是把基带信号从高频载波上搬移下来的过程。 调制的方法分为两类：连续调制与数字调制。模拟调制中，调制信号取值是 连续的，数字信号取值则是离散的。通常采用的是模拟调制。因为改变电磁波参 数的不同可分为振幅、调制与相位调制。射频识别系统采用的调制主要是振幅键 控( a s k ) ，频移键控( f s k ) 和相移键控。二进制振幅键控( a s k ) 是用数字信 号控制高频载波幅度。a s k 中，载波幅度随着调制信号的取值变化在两个状态砜。 和i 。之间变化。其中最简单的形式称为通一断键控( o n o f f k e y i n g ，o o k ) ( 图 2 1 1 ) 。若被调制载波信号的幅度为和，则可定义调幅波的调制深度m 。为 = 等急 泣2 ， 图2 1 1a s k 调制信号波形 无线应用电技术中，副载波调制技术应用较广泛。用副载波的调制法主要用 在频率为6 7 8 m h z 、1 3 5 6 m h z 或2 7 1 2 5 m h z 的系统中，是从标签到读写器的传输。 电感耦合射频识别的负载调制与读写器天线上的振幅键控调制有着相似的效果。 1 6 h f 射频识别阅读器的研究 也可选振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 或相移键控( p s k ) 为对副载波调制。 副载波是对工作频率二进制分频产生的。对于1 3 5 6 m h z 的系统来讲，大多数使用 的副载波为8 4 7 k h z ( 1 3 5 6 m h z 1 6 ) ，4 2 4 k h z ( 1 3 5 6 m h z 3 2 ) 或2 1 2 k i - - i z ( 1 3 5 6 m h z 6 4 ) 。图2 1 2 所示为r f i d 系统中的副载波调制原理【9 1 。 副载波2 1 2 k h z 图2 1 2 副载波调制原理图 2 5 射频识别系统数据完整性 数据的完整性用来描述数据传输过程中一组，一帧或是一包数据的内在关联 一致性。使用r f i d 技术传输数据时，很容易受到外界的干扰，使数据改变导致传 输错误。通常会采用数据检错与纠错算法来解决9 】【1 0 】【l l 】。常用的方法有奇偶校验 ，纵向冗余校验( l o n g i t u d i n a lr e d u n d a n c yc h e c k ，l r c ) ，循环冗余校验( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 等。 2 5 1 校验方法 奇偶校验是一种简单且广泛使用的校验方法。这种方法是把一个奇偶校验位 组合到每一个字节中，并被传输，即每个字节发送9 位。在数据传输前需要确定 使用奇数校验还是偶数校验，以保证发送器和接收器都用同样的方法进行校验。 在接收端对收到的数据惊醒与发送端相同的校验方法，如果校验位不符，则可判 断传输错误。 奇偶校验位的值设定方法如下：奇校验时，若每个字节数据位中1 的个数为 第二章射频识别技术的理论基础1 7 奇数时，奇偶校验位的值为0 ，反之，为l ；偶校验过程