RFID原理与应用-第二章

1、RFID原理与应用第2章第二章第二章 RFIDRFID系统的工作原理系统的工作原理 RFID系统的基本组成 RFID电子标签 RFID读写器 飞利浦的Mifare标准IC卡MF1 IC S50 飞利浦的ICODE标准ICODE SLI系列SL2 ICS20卡 1. RFID1. RFID系统的基本组成系统的基本组成1-1 RFID1-1 RFID通信的物理学原理通信的物理学原理根据观测点到天线的距离和电磁波的波长，电磁根据观测点到天线的距离和电磁波的波长，电磁场区划分为近场区和远场区场区划分为近场区和远场区1-1 RFID1-1 RFID通信的物理学原理通信的物理学原理l近场区的通信原理类似于

2、变压器中的电场和磁场的逆转换，能量的耦合方式为电感耦合方式。RFID读写器通过天线（线圈）发射能量和信息重叠的电磁变场信号，而RFID电子标签通过天线（线圈）获取电磁变场信号来产生感应电流并读取信号。l远场区电磁场脱离天线的束缚进入空间，通过电场的辐射来传输能量和信息，能量的耦合方式为电容耦合方式。Wireless_power_transfer_via_inductive_coupling.flv1-1 RFID1-1 RFID通信的物理学原理通信的物理学原理RFIDRFID的低频和高频段的信息传递在近场区进行，超高的低频和高频段的信息传递在近场区进行，超高频和微波段在远场区进行频和微波段在远

3、场区进行1-2-1 RFID1-2-1 RFID信号的调制解调信号的调制解调进行无线通信需要把通信信号加载到一定频率的载波上进行发送，信号的调制是对信号源信息进行处理加载到载波上，使其变为适合于信道传输形式的过程。在无线电技术中原始的信号叫基带基带信号信号，数字调制就是用基带信号控制高频载波的参数（振幅、频率和相位），使这些参数随基带信号变化。用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号调制信号，未调制的高频电振荡称为载波载波。被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波已调波或已调信号。解调是调制的逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样，与调制的分类相对应。1-2-1 RFID1-2-1 RFID信

4、号的调制解调信号的调制解调1-2-2 RFID1-2-2 RFID信号的传送信道信号的传送信道 1-3 RFID1-3 RFID读写器和电子标签的读写器和电子标签的基本工作流程基本工作流程 1-4 RFID1-4 RFID的数据编码基础的数据编码基础 1-5 RFID1-5 RFID的数据通信校验的数据通信校验 l在有线和无线通信的数据传输中不可避免地产生数据传送错误，因此要通过数据的完整性检验，来判断数据的传输的正确性，更进一步对数据中的错误进行纠错。l数据的完整性检验方法很多，代表性的有奇偶校验（Parity Check）、循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check,CR

5、C）等。由于RFID是无线通信，相对于有线通信更容易遇上干扰，迸发数据位的连续错误，因此不适合应用奇偶校验，通常使用循环冗余校验（CRC校验）。1-5-1 CRC1-5-1 CRC校验校验CRC校验是对要传送的一个数据块（一个字节或一串确定长度的二进制数据）附加一些检验位，而这些检验位由数据块算出，并随同数据块一并传送，接收方对收到的数据块和检验位计算CRC检验和来判断数据的正确性并进一步对数据中的错误进行纠错。1-5-1 CRC1-5-1 CRC校验举例校验举例举一个传送4位二进制数据的例子。设4位二进制数为x1x4，附加3位二进制CRC检验位c1c3, 以7位二进制数据为一个单位来传送。这

6、里的c1c3由x1x4算出。为计算我们定义一个演算子mod，A mod B表示A与B的和除2的余数。即：0 mod 0 = 00 mod 1 = 11 mod 0 = 11 mod 1 = 0检验位c1c3用以下公式来计算：c1 = x2 mod x3 mod x4c2 = x1 mod x3 mod x4c3 = x1 mod x2 mod x41-5-1 CRC1-5-1 CRC校验举例校验举例1-5-1 CRC1-5-1 CRC校验举例校验举例接收方收到数据和检验位后计算检验和s1s3：s1 = x4 mod c1 mod c2 mod c3s2 = x2 mod x3 mod c2 m

7、od c3s3 = x1 mod x3 mod c1 mod c3如果s1s3的结果皆为0，则说明数据传输没有错误，如果有不为0的校验和则说明传输有误，比如收到0110011的数据，可算出s1s3为0，表明数据正确，如果收到的数据是0100011，此时s1=0，s2=1，s3=1，表明数据传输有误，且其第3位x3发生了错误，可以进行纠错。通常检验位的长度决定纠错位数的长度，在我们举的例子里的CRC检验方法只能纠错1个位的错误，超过1个位的错误就无能为力了。 1-6 RFID1-6 RFID的多标签读写防碰撞的多标签读写防碰撞 在RFID系统工作时，经常会有多个电子标签同时处于读写器的作用范围内

8、，如果这些电子标签同时发送数据给读写器会产生通信的碰撞。为了回避通信的碰撞，人们设计出了很多种解决方案。1-6-1 RFID1-6-1 RFID的多标签读写防的多标签读写防碰撞碰撞- -二进制树形分解法二进制树形分解法 1-7 RFID1-7 RFID的多读写器防冲撞的多读写器防冲撞 在智能物流、仓储、图书馆等较大规模的RFID应用系统中，通常需要几十个甚至几百个读写器组成一个网络，使大范围内的每一个电子标签至少和一个读写器进行通信。这样不可避免地产生多读写器的冲撞问题。冲撞问题有大致可分为多读写器对标签的干扰和读写器对读写器的干扰。多读写器对标签的干扰问题主要由标签自身的抗干扰能力来解决，本

9、节主要讨论读写器对读写器的干扰问题及解决方法。1-7 RFID1-7 RFID的多读写器防冲撞的多读写器防冲撞- -频道跳转来规避冲撞频道跳转来规避冲撞 1-8 RFID1-8 RFID系统的识读率和误码系统的识读率和误码率率 OK正 确 识 别 标 签 数识 别 标 签 总 数ERROR=误读标签数读取标签总数2. RFID2. RFID电子标签电子标签 2-1 2-1 电子标签芯片的系统构成电子标签芯片的系统构成 2-2 2-2 电子标签存储器电子标签存储器-EEPROM-EEPROM和和FRAMFRAM的性能比较的性能比较 2-3 2-3 电子标签存储器空间划分电子标签存储器空间划分3.

10、 RFID3. RFID读写器读写器 3-1 RFID3-1 RFID读写器的系统构成读写器的系统构成 3-2 RFID3-2 RFID读写器的用户接口读写器的用户接口 RFID读写器一般配有USB、网口、串口等通信接口，用户根据需要选择读写器的某个通信接口连接到计算机，在计算机上运行通信软件或厂家提供的应用软件或API来控制读写器并获取信息 。3-3 RFID3-3 RFID天线包络图天线包络图 手工绘制读取效果包络图来近似反映RFID读写器或电子标签的实际读写性能与特点。这个读取效果包络图也称为RFID天线包络图。4. 4. 飞利浦的飞利浦的MifareMifare标准标准ICIC卡卡MF

11、1 IC S50 MF1 IC S50 ISO/IEC 14443A协议的高频RFID无源IC卡，其天线线圈和芯片嵌入到塑料卡中被广泛应用于交通一卡通、电子门票等。4-1 MF1 IC S504-1 MF1 IC S50的性能特征的性能特征 4-2 MF1 IC S504-2 MF1 IC S50芯片构成概芯片构成概要要 4-3 MF1 IC S504-3 MF1 IC S50存储器构成存储器构成 4-3-1 4-3-1 厂商段数据厂商段数据4-3-2 4-3-2 值段数据值段数据4-3-3 4-3-3 控制块数据控制块数据4-4 MF1 IC S504-4 MF1 IC S50存储器存取控存

12、储器存取控制制 控制位C在控制块存取控制位（Access Bits）（4个字节）中的分布。其中C C 是C的位取反，字节9为备用字节。 4-4 MF1 IC S504-4 MF1 IC S50存储器存取存储器存取控制控制相关块和对应的3个存取控制位（Access Bit）。4-4 MF1 IC S504-4 MF1 IC S50存储器存取控存储器存取控制制控制块（块3）的存取位C13C23C33C13C23C334-4 MF1 IC S504-4 MF1 IC S50存储器存取控存储器存取控制制数据块（块0、块1、块2）的存取位C1xC2xC3xC1xC2xC3x（x=0 x=0，1 1，2

13、2）5. 5. 飞利浦的飞利浦的ICODEICODE标准标准ICODE ICODE SLISLI系列系列SL2 ICS20SL2 ICS20卡卡ISO/IEC 15693协议标准的高频RFID无源IC卡，专为供应链与运筹管理应用所设计，具有高度防冲突与长距离运作等优点，适合于高速、长距离应用。包括ICODE SLI-S、SL2-S 等多系列产品，目前ICODE 是高频（HF）RFID标签方案的业界标准。 5-1 ICODE SLI5-1 ICODE SLI系列系列SL2 ICS20SL2 ICS20卡的性能特征卡的性能特征 5-2 ICODE SLI5-2 ICODE SLI系列系列SL2 I

14、CS20SL2 ICS20芯片构成概要芯片构成概要 5-3 ICODE SLI5-3 ICODE SLI系列系列SL2 ICS20SL2 ICS20存储器构成存储器构成5-3 ICODE SLI5-3 ICODE SLI系列系列SL2 ICS20SL2 ICS20存储器构成存储器构成UID的构成 5-3 ICODE SLI5-3 ICODE SLI系列系列SL2 ICS20SL2 ICS20存储器构成存储器构成-1块的写入控制位具体分配 5-3 ICODE SLI5-3 ICODE SLI系列系列SL2 ICS20SL2 ICS20存储器构成存储器构成特殊功能EAS（Electronic Ar

15、ticle Surveillance，电子防盗系统）主要用来防止物品被盗，标签管理者可以设置（EAS=1）和清除（EAS=0）EAS标识，当设置有EAS标识的标签通过读写器的作用范围时，读写器会识别EAS标识，发出警报。5-3 ICODE SLI5-3 ICODE SLI系列系列SL2 ICS20SL2 ICS20存储器构成存储器构成特殊功能AFI（Application Family Idenfifier，应用族标识符），可事先规定应用族代码并写入AFI字节，在处理多个标签的时候进行分类处理。AFI被编码在一个字节里，由两个半字节组成。AFI的高位半字节用于编码一个特定的或所有应用族，AFI

16、的低位半字节用于编码一个特定的或所有应用子族。子族不同于0的编码有其自己的所有权。第二章第二章 习题习题-1-1一个RFID应用系统由几部分来构成？请举例说明一个RFID系统的各个部分及工作原理。对无源电子标签进行振幅键控（ASK）调制通信时，为什么要用调节振幅的方式来进行通信？对二进制数“10111001”，画出曼彻斯特编码和FM0编码信号图。什么是RFID系统的识读率和误码率？为什么用户重视这两项技术统计指标？为什么会有电子标签的碰撞现象？读写范围不重叠的相距较远的读写器之间也会产生冲撞现象吗？第二章第二章 习题习题-2-2哪一个部件的设计较大程度影响电子标签的感度？天线分离型RFID读写

17、器相对于天线一体型读写器有什么长处？结合实验，回答以下问题：飞利浦的S50卡共分成几个扇区？每个扇区有个块？第四扇区控制块的绝对块地址号是什么？飞利浦的S50卡存储器扇区的第几个块是控制块？控制块的具体数据是怎样的构成？结合实验，回答以下问题：飞利浦的ICODE SLI系列卡存储器共分几个块？每个块有几个字节？UID由几个数据段构成？飞利浦的ICODE SLI系列卡存储器用户可存取的数据块有几块？保护控制位在哪一个块里？如果要对第20个数据块进行写入保护，如何设置控制位？第二章第二章 实验（可根据课时适实验（可根据课时适当调整）当调整）高频（HF）读写器的基本认知实验ISO 14443A、IS

18、O 15693协议下标签ID读取实验ISO 14443A协议下标签密钥修改实验ISO 14443A协议下存取控制位修改实验ISO 14443A协议下标签数据读写实验ISO 14443A协议下标签加值减值实验ISO 14443A协议下多个标签的读取实验ISO 15693协议下标签数据读写实验ISO 15693协议下标签AFI的读写和块锁定实验ISO 15693协议下标签DSFID的读写和锁定实验附录附录: :短距离无线通信基础短距离无线通信基础何为无线通信何为无线通信? ?l无线通信系统：也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传的系

19、统。l发送设备包括： （1）变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。（2）发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。 （3）天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。l接收设备：接收是发射的逆过程，它包括： （1）变换器（换能器）：将电信号转化为所传送信息。 （2）接收机：高频电振荡转化为电信号。 （3）接收天线：将空间传播到其上的电磁波转化为高频电振荡。何为无线数据通信何为无线数据通信? ?l无线数据通信也称移动数据通信，它是在有线数据通信的基础上发展起来的。有线数据通信依赖于有线传输，因此只适合于固定终端与固定终端之间的通信。而移动数据通信是通

20、过无线电波的传播来传送数据的，因而有可能实现移动状态下的移动通信。无线数据传递方式无线数据传递方式l 现代无线数据在传输信道上传递的方式。若按被传输的数据信号的特点，可分为基带传输、频带传输和数字数据传输；若按数据传输的顺序可分为并行传输和串行传输；若按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；若按数据传输的流向和时间可分为单工、半双工和全双工传输。l 下面从数据传输流向及时间分类来介绍无线数据传递方式。l (1) 单工方式（simplex mode）通信双方在同一时刻只能单方向传送信息的一种通信方式。单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接

21、收端只能接收消息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，如下图所示：无线数据传递方式无线数据传递方式l(2) 半双工方式：同一根传输线既做接收又作传送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，如图所示。采用半双工方式时，通信系统每一端的发送端和接收端，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。l半双工的系统可以比喻作单线铁路。若铁道上无列车行驶时，任一方向的车都可以通过。但若路轨上有车，相反方向的列车需等该列车通过道路后才能通过。l 无线电对讲机就是使用半双工系统。由于对讲机传送及接收使用相同的频率，不允许

22、同时进行。因此一方讲完后，需设法告知另一方讲话结束（例如讲完后加上OVER），另一方才知道可以开始讲话。无线数据传递方式无线数据传递方式l (3) 全双工方式：数据发送和接收分别由两根不同的传输线传送，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。在这种方式下，通信系统的每一端都设置了发送端和接收端，因此能控制数据同时在两个方向上传送，如图所示。全双工方式无需进行方向的切换，因此没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有利。这种方式要求通信双方均有发送器和接收器，同时需要两根数据通路传送数据信号。l 全双工的系统可以用一般的双向车道形容。两个方

23、向的车辆因使用不同的车道，因此不会互相影响。l 一般的电话、手机就是全双工的系统，因为在讲话时同时也可以听到对方的声音。数据包数据包l 数据通信是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递。是继电报、电话业务之后的第三种最大的通信业务。l 在数据通信中每次传输的数据量是有多有少的，由于发射机及接收机的功能、处理速度等影响，发射机及接收机不可能一次把所要传输的数据发送出去或接收下来，因此为了规范数据通信传输，需要把传输的数据分成一定数量而且大小相同的包装传输。这样的数据包装称为数据包，如图所示：数据包数据包可以用一个形象一些的例子对数据包的概念加以说明：在邮局邮寄产品