第六章 阅读器

1、射频识别技术RFID Technology,第六章 阅读器 2,6.1 阅读器简介 6.1.1 阅读器的主要功能： （1）阅读器与电子标签之间的通信功能 （2）阅读器与计算机之间的通信功能 （3）对阅读器与电子标签之间要传送的数据进行编码、解码 （4）对阅读器与电子标签之间要传送的数据进行加密、解密,图6-2 阅读器结构图,阅读器的基本任务是触发作为数据载体的电子标签，与电子标签建立通信联系并且在应用软件和一个非接触的数据载体之间传输数据。这种非接触通信的一系列任务包括通信的建立、防止碰撞和身份验证，这些都是由阅读器来完成的。 阅读器的称谓： 阅读器或读头（Reader） 查询器（Interr

2、ogator） 通信器（Communicator） 扫描器（Scanner） 读写器（Reader and Writer） 编程器（Programmer） 读出设备（Reading Device） 便携式读出器（Portable Readout Device） AEI设备（Automatic Equipment Identification Device） 计算机硬盘驱动器（Computer Hard Disk Driver）,6.1.2 阅读器的分类 根据天线和阅读器模块是否分离，阅读器可分为分离式阅读器和集成式阅读器。典型的分离式阅读器有固定式读头；典型的集成式阅读器有手持机。 根据阅读器

3、的工作场合，阅读器可分为固定式读头、OEM模块、工业读头及手持机和发卡机。 固定式读头：将射频控制器和高频接口封装在一个固定的外壳中，完全集成射频识别的功能。有时也有将天线和射频模块封装在一个外壳单元中，构成集成式读头或一体化读头。固定式阅读器又分为固定式读头、OEM模块和工业读头。 （1）固定式读头：有读头接口和电源接口、安装托架及工作灯、指示灯等。其典型的技术参数有： 供电电压：12VDC（通过220VAC/110VAC转换）、220V及110V交流。 （2）天线：分离单天线或双天线、集成天线。 （3）天线连接：BNC（用于同轴电缆的连接器）SMA（半硬半柔电缆连接器）高频接口、螺丝旋接或

4、焊点连接。,通信接口:RS232、RS485接口、RJ45以太网口、无线WLAN等。 数据接口：多针圆形、同轴电缆等。 电源接口：三针圆形（交流）同心插口（直流）。 通信协议：X-ON/X-OFF、3964、SCIII、IP-X、Wiegand等。 工作温度：-30+70。 存储温度：-55+85。 环境湿度：5%95%。 OEM模块：将读头模块作为单独的完整产品进行销售。参数与固定式读头相同。 工业读头：在矿井、畜牧等自动化生产领域，这类工业读头具有现场总线接口，容易集成到现有的设备中。参数与固定式读头相同。 手持机：即便携式读头。适合于用户手持使用的一类射频电子标签读写设备。用于动物识别、

5、巡检、付款扫描、测试等场合。手持机集成了读头模块、天线和掌上电脑，来执行对标签的识别。,手持机的技术参数： 供电电压：6V或9v直流，可用充电电池供电。 输出功率：小于500mW。 数据存储:32MB闪存；32MB内存。 天线：内置天线，或有探针探测器。 通信接口：可选RS232、802.11等。 工作温度：-20+50。 存储温度：-55+85。 环境湿度：5%95%。 发卡器（Card Issuer, Registration Reader）：对射频卡进行具体的操作，如建立档案、消费纠错、挂失、补卡、信息纠正等。为一小型的射频卡读写装置，常与发卡管理软件结合使用。具有发射功率小、读写距离短

6、的特点。,6.1.3 阅读器的接口 阅读器除采集阅读区域内标签的数据外，还需要将采集到的数据上传至后端服务器。阅读器还需要外接电源提供阅读器的工作能量。,6.1.4 阅读器的指令 不同公司生产的阅读器其指令结构一般不同。本节以iPico公司的阅读器为例，介绍阅读器的指令集。,表6-1 iPico公司的阅读器的部分指令集,6.2 阅读器的组成 6.2.1 阅读器基本组成 阅读器的主机主要由两大基本功能模块组成，即基带控制模块和高频接口模块。基带控制模块通常采用ASIC组件和微处理器实现其功能；高频接口模块主要由发送器和接收器两部分组成。,图6-4阅读器的简单结构图,6.2.2 高频接口部分 高频

7、接口模块也称射频模块，其主要功能如下： （1）产生高频发射能量，激活射频电子标签并为其提供能量。 （2）对发射信号进行调制，用于将数据传输给射频电子标签。 （3）接收并调制来自射频电子标签的射频信号。 在高频接口模块中有两个分隔开的信号通道，分别用于接收和发送射频电子标签两个方向的数据。下面分别介绍电感耦合型和电磁反向散射耦合型RFID系统的高频接口模块。,电磁散射型RFID系统的高频接口模块： 该系统的工作模式为全双工模式，当阅读器的接收电路准备接收标签返回的微弱信号时，发射电路同时也在维持一个大功率的无调制载波，以供给标签能量和反射调制用的载体。因此在RFID阅读器天线上始终存在着一个强载

8、波信号和一个弱标签返回信号，而且两者完全同频，无法通过滤波器方法抑制发射和接收通道之间的相互干扰。 为了将阅读器发射的强载波信号与阅读器接收到的标签反射微弱信号分开，一般采用定向耦合器、双工器或环形器来实现。 发射电路 发射电路包括数模转换器（DAC）、混频器（Mixer）、可变增益放大器（VGA）、RF滤波器（Filter）、功分器（Power Splitter）、衰减器（Attenuator）和RF功放（PA）。,图6-5 高频阅读器结构,发射电路的工作过程： （1）阅读器通过锁相环控制压控振荡器，产生载波频率（860960MHz），并将其送至功分器。 （2）功分器将发射信号分为两路，一路

9、经衰减器送到混频器，另一路送往接收电路作为接收信号混频时的本震源（LO）。 （3）混频器将载波信号和阅读器的基带信号混合成调制信号，经过可变增益放大器和RF滤波器后，送至功率放大器。 （4）阅读器根据需要通过可变增益放大器调节发射信号的增益，发射信号经过RF功率放大器后经环形器送至阅读器天线并发射出去。,接收电路的工作过程： （1）标签返回的微弱信号经阅读器天线进入环形器后，与阅读器发射的连续载波信号相分离，经过RF滤波器滤波后，进入接收功分器，分成两路接收信号。 （2）发射通道上的无调制连续载波信号由发射功分器分为两路后，作为接收电路本振的连续载波信号产生两路参考信号，其中一路参考信号与另一

10、路参考信号有90的相移。 （3）两路本振参考信号与两路接收信号经混频器后，形成I/Q两路基带信号，再分别经过两路运放和低通滤波器后，两路I/Q基带信号返回到阅读器信号处理部分进行处理。,6.2.3 基带控制模块 基带控制模块也称读写模块。其功能如下： （1）与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令。 （2）控制与电子标签的通信过程。 （3）信号的编码、解码。 （4）执行防碰撞算法。 （5）对阅读器和电子标签之间传送的数据进行加密和解密。 （6）进行阅读器和电子标签之间的身份验证。 在大多数情况下，控制器和微处理器作为其核心部件并配合数字信号处理芯片来完成其主要功能。,6.3

11、阅读器天线 6.3.1 阅读器天线简介 RFID系统至少包含一根天线来发射和接收RF信号。有些RFID系统是由一根天线同时完成发射和接收的，而有些系统是由两根天线分别完成发射和接收信号的。 电感耦合RFID系统中，阅读器天线用于产生磁通量，为射频电子标签提供能量。电感耦合型一般使用线圈天线，天线需满足如下条件： （1）天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量。 （2）功率匹配，以最大限度的利用磁通量的可用能量。 （3）足够的带宽，保证载波信号的传输，这些信号是用数据信号调制而成的。 电磁散射型RFID系统一般采用平板天线。,6.3.2 阅读器天线结构 天线具有多种不同的形式和结构，如偶极天线，

12、双偶极天线、阵列天线、八木天线，平板天线、螺旋天线和环形天线等。环形天线主要用于低频和中频的RFID系统中，平板天线、阵列天线主要用于433MHz、915MHz和2.45GHz的RFID系统中。,图6-8 八木-宇田天线,6.3.3 阅读器的连接 1 电感式系统的天线需满足的条件： （1）天线线圈的电流最大，以产生最大的磁通量。 （2）功率匹配，以便最大限度的利用磁通量的可用能量。 （3）足够的带宽，保证载波信号的传输。 连接： （1）电流匹配进行连接：对于135kHz以下的低频阅读器，将天线线圈直接连接到功率输出级 （2）采用同轴电缆进行连接：对于高频或部分低频阅读器（1MHz以上的频率或1

13、35kHz频率范围内较长的导线长度），采用同轴电缆进行连接。 2 微波系统的天线 微波系统的天线是基于带状线技术的天线，即采用光刻技术的平面天线，制造难度低，可复制性强。辐射器的基本元件是由直角微带导线组成的，可以采用不同的方式将辐射器元件组合在一起以得到不同的方向和极化效果。,6.3.4 阅读器天线的技术参数 6.4 一种基于ISO 18000-6B的远距离RFID阅读器的设计 6.4.1 系统构成和工作原理,图6-9 阅读器的组成,6.4.2 系统硬件设计与实现 1 射频发射电路 射频发射电路完成载波及调制信号的发射，调制方式为ASK，调制深度为100%，发射信号的输出衰减数字可控，使用F

14、PGA配置。 2 射频接收电路 本电路通过以下两方面来解决阅读器工作时存在的载波泄漏干扰： （1）采用1dB截止点较高的无源混频器进行混频，保证了后级谐波失真较小。 （2）采用移向反馈回路抵消或减弱泄漏的载波信号。,图6-10 射频接收电路,3 基带处理电路 基带处理电路功能：提供整个阅读器的硬件电路的控制信号，根据上位机的命令控制阅读器工作，包括编码、解码、CRC效验和防碰撞处理等。,图9-11 载波对消原理图,图9-11 基带处理电路原理图,6.4.3 通信链路信号分析 1 前向信号编码与调制 从阅读器到标签的信号称为前向信号。调制方式为ASK，调制深度为100%，位速率为40kbit/s。本系统采用DSP芯片内部的通用I/O直接输出高低电平来控制射频发射电路载波的发送和停止，以实现前向信号的编码、调制。高低电平序列由曼彻斯特编码序列决定，时间由DSP定时器控制。 2 后向信号的解调与解码 从标签到阅读器的信号称为后向信号。编码方式为差动双向编码（FM0）。,图9-12 编码示意图,6.4.4 程序设计与实现 1 FPGA功能： （1）提供系统时钟，RAM的读写控制逻辑及调试过程中后向信号的逻辑仿真。 （2）内置PLL产生的稳定时钟供DSP使用。 （3）根据DSP读写逻辑及RAM的操作产生R