（通信与信息系统专业论文）基于sopc射频读卡器设计.pdf

一| i i i ii i ii i i 1 11 1 i i iiii | l l l y 17 7 3 0 16 学位论文的主要创新点 一、本文在f p g a 中嵌入n i o si i 软核作为射频读卡器的主控制 器，控制超高频读卡芯片完成对电子标签的读、写操作。 二、设计帧时隙a l o h a 防冲撞算法并对该算法进行了仿真分 析，验证了系统的高效性和安全性。 别多个电子标签等特点，由于其独特的优势，射频识别技术j 下在逐渐地被广泛 应用于工业生产自动化、商业自动化和交通运输管理等领域。 本系统设计的r f i d 读卡器主要作为企事业考勤管理应用。论文主要介绍 了系统组成芯片的功能和特性，射频识别技术的原理、s o p c 技术及n i o s i i 嵌 入式软核的设计方法。通过在f p g a 芯片中嵌入n i o s i i 软核作为系统的主控单 元，控制超高频读卡芯片r 1 0 0 0 完成对电子标签的读、写操作，外接显示屏及 键盘等设备实现系统的输入、输出操作，并通过上位机操作平台完成电子标签 中数据的读取、写入、显示及防冲撞等操作。 根据需求完成了系统硬件电路的设计，在f p g a 中实现系统软核的设计生 成，在n i o s l ii d e 下完成系统读、写卡及防冲撞算法的程序编写，设计了上位 机管理平台。最后，在上位机平台上验证了系统读、写卡的j 下确操作，并通过 对防冲撞算法进行仿真分析，得到了较为理想的实验结果。整个系统的设计主 要是完善人事考勤管理制度，实现人事考勤管理的自动化，从而达到提高管理 水平、节约资源、提高办事效率的目的。 关键词：r f i d ；n i o si i ；a l o h a 算法；i p 核；u d p i p 协议 a b s t r a c t r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) t e c h n o l o g yi sak i n do fa u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hr i s e di nt h e9 0 so f2 0 m c e n t u r y r f i dt e c h n 0 1 0 9 yi s t h en o n - c o n t a c tt w o w a yd a t ac o m m u n i c a t i o nb yw a y o fr a d i of r e q u e n c yo nt h e t a r g e to fi d e n t i f i n ga n da c q u i r i n gt h er e l e v e n td a t a i t h a st h ec h a r a c t e r i s t i co f w a t e ：r p r o o f , a n t i m a g n e t i c ，a n t i - h i g ht e m p e r a t u r e ，l a r g er e a da n dw r i t er a n g e ，d a t a e n c r y p t i o n ，i d e n t i f i n gm u l t i p l el a b e l s b e c a u s eo fi t s u n i q u ea d v a n t a g e s ，r f i d t e c h n o l o g yi s g r a d u a l l yb e i n gw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l a u t o m a t i o n b u s i n e s s a u t o m a t i o na n dt r a f f i cc o n t r o lm a n a g e m e n ta n do t h e rf i e l d s f h i ss y s t e l t li s d e s i g n e da sa t t e n d a n c ea p p l i c a t i o no fe n t e r p r i s e s p a p e ri s m a i n l yi n t r o d u c e st h ef e a t u r e sa n df u n c t i o n a l i t yo ft h ec h i p ，t h ep r i n c i p l eo fr 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 nt e c h n o l o g y , s o p ct e c h n o l o g ya n dt h ed e s i g nm e t h o do f n i o si ie m b e d d e rs o f t 。c o r e i tu s e dn i o si is o f t c o r ew h i c h w a se m b e d d e di nf p g a c h i pa st h es y s t e m sm a i nc o n t r o lu n i t ，a n dc o n t r o lr 10 0 0u h fr e a d e rc h i pt o c o m p l e t et h er e a da n dw r i t eo p e r a t i o nw i t ht h ee l e c t r o n i ct a g s a tt h es a m et i m ew e u s e dd i s p l a ys c r e e n ，k e y b o a r da n do t h e rp e r i p h e r a l st o f i n i s ht h ei n p u ta n do u t p u t o p e r a t i o no fs y s t e m w ef i n i s h e dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n a c c o r d i n gt ot h es y s t 锄，sr e q u i r e d ， 1 m p j e m e n t e dt h ed e s i g no fn i o si ie m b e d d e rs o f t c o r ei n f p g a ，c o m p l e t e dt h e a l g o r i t h mp r o g r a m m i n gi nn i o si ii d e ，a n dd e s i g n e dt h em a n a g e m e n tp l a t f o r mo n t h ec o m p u t e r a tl a s t ，w ev e r i f i e ds y s t e mo nt h em a n a g e m e n t p l a t f o r ma n da n a l y s i s t h ea n t i _ c o l l i s i o n a l g o r i t h m sb ys i m u l a t i o n ，a n dg o tt h es a t i s f a c t o r yr e s u i t s t h e e n t i r e s y s t e mi s m a i n l yd e s i g n e dt oi m p r o v et h ea t t e i l d a n c eo f p e r s o l l i l e l m a l l a g e i l l e n ts y s t e mt or e a l i z et h e c o m p u t e r i z a t i o n o f p e r s o n n e la t t e n d a l l c e m a i l a g e m e n t ，s oa st oa c h i e v et oi m p r o v et h em a n a g e m e n tl e v e l ，s a v er e s o u r c e sa n d i m p r o v ee f f i c i e n c y k e y w o r d s ：r f i d ；n i o si i ；a l o h a a l g o r i t h m ；i pc o r e ；u d p i pp r o t o c 0 1 目录 第一章绪论1 1 1r f i d 技术概述1 1 2r f i d 技术国内外发展现状2 1 3r f i d 技术的应用2 1 4 选题意义及主要工作3 1 4 1 论文的选题意义3 1 4 2 论文主要工作及内容安排3 第二章r f i d 系统工作原理与相关理论5 2 1r f i d 系统的组成5 2 2r f i d 系统的工作原理7 2 3r f i d 系统分类8 2 4r f i d 系统的电磁理论10 2 4 1r f i d 的电磁理论基础l0 2 4 2 能量耦合和数据传输11 2 4 3 读卡器天线理论13 2 5r f i d 系统的标准1 4 2 5 1l s o 18 0 0 0 系列标准1 4 2 5 2i s o i e cl8 0 0 0 6 c 协议15 第三章s o p c 技术及n i o si i 软核17 3 1s o p c 技术17 3 1 1 硬核s o p c 系统17 3 1 2 软核s o p c 系统1 8 3 2n i o si i 处理器19 3 3i p 核21 3 4a v a l o n 总线2 2 3 4 1a v a l o n 外设2 2 3 4 2a v a l o n 信号2 3 3 4 3a v a l o n 端口2 3 3 4 4a v a l o n 总线传输2 3 3 5n i o si ii d e 与h a l 硬件抽象层2 4 3 5 1n i o si ii d e 2 4 3 5 2 硬件抽象层( h a l ) 2 4 3 6 基于n i o si i 软核的s o p c ) - i ：发流程2 5 3 6 1 硬件设计2 5 3 6 2 软件设计2 7 第四章r f i d 读卡器硬件设计2 9 4 1 主控制器设计2 9 4 1 1f p g a 芯片2 9 4 1 2f l a s h 存储器3 0 4 1 3s s r a m 器件3 0 4 1 4e p c s16 串行配置器件31 4 2 射频收发模块设计3 l 4 2 1 射频收发芯片3 l 4 2 2 射频收发电路工作原理3 2 4 3l c d 模块设计3 3 4 4 以太网接口模块设计3 4 4 5j t a g 配置模块设计3 6 4 6 其他电路设计3 6 4 7s o p c 系统3 8 4 7 1 添加n i o si i 处理器3 9 4 7 2 添加输入输出( p i o ) 内核4 0 4 7 3 添加c f i 控制器内核4 1 4 7 4 添加s s r a m 控制器内核4 3 4 7 5 添加a v a l o n 三态总线桥4 3 4 7 6 添加e p c s 控制器内核4 3 4 7 7 系统生成4 4 4 7 8 系统仿真4 5 第五章r f i d 读卡器软件设计。4 7 5 1 应用程序设计4 7 5 1 1 主程序设计设计4 7 5 1 2 发送程序设计4 8 5 1 3 接收程序设计。4 8 5 2 防冲撞算法4 9 5 2 1 防冲撞算法分类4 9 5 2 2a l o h a 算法5 0 5 2 3 时隙a l o h a 算法5 l 5 2 4 改进的a l o h a 算法5 2 5 3 上位机软件设计5 4 5 3 1u d p 通信协议5 5 5 3 2 系统测试5 6 第六章总结与展望5 9 参考文献6l 发表论文和参加科研情况说明6 3 致谢6 5 u 奠定了基础【2 】。在过去的几十年时间里，射频识别技术经历了从理论的提出， 到试验验证，最后到商业领域的应用三个主要阶段。 但是由于生产r f i d 产品的技术非常复杂且成本很高，因此，最初它并没 有获得广泛的关注。但是，伴随着半导体技术的发展以及大规模集成电路的出 现，使r f i d 产品的设计方法变的简单，并且设计成本也不断降低，从此r f i d 产品丌始走进人们的生活【3 l 。特别是通过射频信号能够对高速移动的物体进行 识别，而且它还能在不需要接触的情况下同时识别多个目标，因此，r f i d 技术 在制造业、商业、军事、日常生活等领域有广泛的应用前景。 r f i d 技术主要分为低频、高频、超高频以及微波四种频段类型，各频段都 拥有自身的特点，因此，应用范围也各不相同。现阶段，低频段r f i d 技术最 为成熟，该类型产品的应用也最为广泛，约占整体市场的5 6 ，其次是高频段 r f i d 产品，超高频和微波由于技术及标准不完善，生产成本也较高，因此在市 场上的应用最少【4 j 。然而由于超高频r f i d 技术在应用方面有明显的优势，因此 其所占比重终将超越低频与高频r f i d 。r f i d 各频段特点及应用如表1 1 所示。 表1 1r f i d 系统各频段优缺点及应用 工作频率优点缺点应用领域 低频 距离远、技术简单可靠通讯速度低动物识别 通讯速度较高天线尺寸人交通卡 高频 识别距离较远易受干扰身份证 识别距离远物品跟踪 超高频 受材料影响较大 天线尺寸小供应链管理 速度快、识别距离长抗干扰性差 微波无线局域网 天线尺寸小 设计复杂 大津i ：业人学硕 学位论文 1 2r f i d 技术国内外发展现状 二十世纪术，r f l d 技术的研究最为迅速，如今，经过十几年的发展，r f i d 技术得到了全球各个国家的重视，其应用技术同趋成熟，应用范围也越来越大。 在电子收费、智能交通和物品管理等领域都可以看到r f i d 的身影。随着r f i d 技术的快速发展，大的国际半导体厂商m o t o r o l a 、t i 、p h i l i p s 等公司也逐渐加 大对r f i d 技术的投入，相继推出了各种频段的电子标签，使r f i d 技术应用到 更多领域的目标成为现实【5 j 。 1 9 9 9 年，第一个国际r f i d 研究机构在美国成立，并且在2 0 0 3 年推出了电 子商品码( e p ce l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 和“物联网”的概念，即以电子标签作为 识别目标，为世界上的每一件产品提供全球唯一的电子商品编码( e p c ) ，从而能 够将所有商品都链接到网络上，实现对商品的自动识别和透明化管理【6 j 。如今， “物联网”已经得到以沃尔玛为首的大多数世界大型企业的支持，此外，吉列 公司、麦德龙、甚至美国国防部等商业和政府机构也都已经采用了射频识别技 术来管理内部物品。 我国近几年也认识到了射频识别技术的重要性以及它的广阔应用前景。在 2 0 0 6 年，我国政府发表了中国射频识；另j j ( r f i d ) 技术政策白皮书【7 】。同年1 0 月，国家科技部的“8 6 3 计划”也将“射频识另i j ( r f i d ) 技术与应用”作为“十 一五重大项目重点发展【8 】。国家标准局也成立了中国e p c 编码中心，负责中 国e p c 标准的制定和编码研究工作【9 】。此外，现在采用的第二代居民身份证也 是采用r f i d 技术，这项工程到目前为止也是全球最大的r f i d 技术工程。 1 3r f i d 技术的应用 r f i d 技术在识别领域有非常强的优势，逐渐地被广泛应用于生产、物流、 交通、医疗、防伪、设备和资产管理等需要自动识别和数据处理的领圳1 0 】。 ( 1 ) 智能交通系统 高速公路自动收费系统是射频识别技术的主要应用领域。目前，我国的高 速公路建设事业蓬勃发展【1 1 1 。然而，高速公路的收费问题却存在很多负面影响： 一是交通堵塞，在高速公路的收费站口，许多车辆需要停车排队缴费，有时会 产生交通阻塞现象；二是少数收费员将过路费占为己有，导致国家财政收入蒙 受损失。 如果将r f i d 技术应用在高速公路收费系统上就能很好的解决以上问题。 在车辆高速通过收费站的同时通过射频识别技术能自动完成缴费，解决了交通 瓶颈问题，避免了拥堵，提高了车辆的通行速度，从而也提高了收费的效率， 第一章绪论 与此同时可以杜绝收费员贪污收取过路费的问题。 ( 2 ) 货物管理及监控 以r f i d 技术为核心的集装箱自动识别系统，已经成为全球范围内最大的 货物跟踪管理系绀1 2 】。将记录有集装箱位置、物品类别、数量等信息的射频电 子标签安装在集装箱上，通过r f i d 技术，就可以确定集装箱在货场内的确切 位置。同时系统还可以识别未被允许的集装箱是否在移动，有利于进行安全管 理。 在货物的跟踪、管理及监控方面，一些国家已将该技术应用于对旅客的行 李管理中，大大提高了分拣效率，降低了出错率。目前我国铁路部门也计划推 出旅行包自动追踪管理系统，但其真正应用还需要较长时间。 ( 3 ) 门禁系统 未来的门禁系统都可以使用电子标签，一卡可以多用，比如可作为工作证、 出入证、停车证等【l3 1 。使用电子标签可以有效的识别人员身份，进行安全管理， 从而简化了出入手续，提高了工作效率。当人员出入时该系统会自动识别身份， 非法闯入时会自动产生报警信息。安全级别要求高的地方，还可以结合其他的 识别方式，将指纹、掌纹或颜面特征存入电子标签。因此，该系统能起到有效 的安全保护作用。 总之，r f i d 技术将会有广阔的发展空间。在未来的应用中还能够与其他高 新技术( 如g p s 、生物识别技术等) 结合，由单一识别向多功能识别方向发展， 从而能够实现跨地区、跨行业的更广泛应用。 1 4 选题意义及主要工作 1 4 1 论文的选题意义 r f i d 相关技术内容非常广泛，本设计中仅以考勤项目为背景，介绍一款超 高频段的射频识别读卡器的开发流程。超高频电子标签相对于其低频段的电子 标签具有识别速度快、通信距离远等优点。 本系统主要是针对企事业单位的考勤管理系统而设计，通过对员工考勤卡 ( 电子标签) 中的数据进行读取，实现员工的考勤记录和管理，同时考勤卡也 可以方便的广一卡通”系统进行无缝连接实现一卡多用。考勤系统作为一个独 立的系统，拥有非常广阔的应用前景。通过本系统的设计，能够实现人事考勤 管理的自动化，从而达到提高管理水平、节约资源、提高办事效率的目的。 1 4 2 论文主要工作及内容安排 本文以射频读卡器的硬件系统设计为主线，主要讨论了以下几个问题： 天津j ：业人学硕十学位论文 ( 1 ) 详细阐述r f i d 技术的工作原理、电子标签识读等相关技术。 ( 2 ) 对i s o i e c l8 0 0 0 6 系列t y p e c 国际标准协议进行深入研究，并将其 与e p cc l a s s 系列的协议进行了比较。 ( 3 ) 详细分析s o p c 技术的发展优势及n i o si i 软核的设计方法，并在此基 础上设计基于n i o si i 嵌入式软核的9 1 5 m h zr f i d 读卡器的主控模块。 ( 4 ) 详细研究读卡器设计中的关键电路，并根据系统功能需求设计读卡器 的硬件电路。 ( 5 ) 完成系统软件程序的编写，包括读写电子标签程序、显示程序、键盘 扫描程序以及网口通信程序等。 ( 6 ) 介绍r f i d 系统中的防冲撞算法，包括a l o h a 算法及其改进算法， 并在系统设计中对a l o h a 的改进算法进行仿真验证。 本论文共分为六章，各章节具体内容安排如下： 第一章，介绍r f i d 系统的起源、国内外发展情况以及其广泛应用领域。 第二章，详细阐述r f i d 系统的工作原理，天线的设计理论以及r f i d 国 际标准协议。 第三章，分析s o p c 技术、n i o si i 嵌入式软核及a v a l o n 总线的相关理论 及其设计方法。 第四章，系统的硬件电路设计，包括各个模块的电路设计，n i o si i 软核的 设计以及s o p c 系统的设计生成。 第五章，系统软件设计，包括各个模块软件程序设计、防冲撞算法以及上 位机程序设计。 第六章，总结全文、分析文章的主要贡献和存在的不足，并提出下一步研 究方向。 第二章r f i d 系统i ：作原理及相关理论 第二章r f i d 系统工作原理与相关理论 2 1r f i d 系统的组成 一个典型的r f i d 系统一般是由射频读卡器、电子标签以及计算机系统等 部分组成。其中，读卡器是整个系统的主要控制单元，它的主要功能是完成与 电子标签之间的数据传输，并且将从电子标签中获得的数据传送给上位机，同 时，射频读卡器还能够接收上位机发出的指令并执行相应的读写操作；电子标 签是r f i d 系统的数据载体，一般将其附着在需要识别的物体表面，它内部预 存有一定格式的编码数据；计算机作为系统的上位机主要完成指令发送与数据 处理功能，通过发送相应指令控制读卡器对电子标签进行读写操作，并将接收 到的电子标签中的数据进行后续处理。r f i d 系统基本组成如图2 1 所示。 读卡 计算机 系统 溺 线 图2 1 典型r f i d 系统基本组成框图 ( 1 ) 读卡器 射频读卡器是r f i d 系统的重要组成部分，作为系统的控制枢纽，它通过 内置或外置的天线向电子标签发送射频信号，同时通过天线接收从电子标签返 回的数据信息【1 4 】。 作为r f i d 系统的信息控制和处理中心，读卡器可以是只读的，也可以是 读写通用的，这可以根据具体的应用场合来灵活设计。常用的r f i d 读卡器主 要包括基带模块和射频模块两大部分。 基带模块包括基带信号处理、应用程序接口、控制与协议处理、数据和命 令收发接口及必要的缓冲存储区等；射频模块包括射频信号的调制解调处理、 数据和命令收发接口和天线等。r f i d 读卡器的内部结构如图2 2 所示。 毫凶 线 线 线 天 天 天 天津i ：业人学硕十学位论文 图2 - 2 读忙器组成框图 目前，市场上射频读卡器的类型多种多样，按照应用模式大致上可以分为 固定式读卡器、便携式读卡器、一体式读卡器以及模块式读卡器四种。固定式 读卡器是指读卡器、天线和主控机分离，并且读卡器可有多个天线接口和i o 接口；便携式读卡器是指将读卡器、天线和主控机集成在一起，此时，读卡器 只有一个天线接口，并且读卡器与主控机的接口与厂家的设计有关；一体式读 卡器是指读卡器和天线集成在一个机壳内，主控机与其分开安装，一体式读卡 器与主控机可有多种接口；模块式读卡器是指将读卡器作为系统设备中集成的 一个单元，读卡器与主控机的接口与应用场合有关l i5 | 。 ( 2 ) 电子标签 电子标签是r f i d 系统中的识别目标。作为真j 下的信息载体，电子标签内 部预存了相关的数据信息，这些信息是用来标明所需识别的物体的编号、参数 等。电子标签的应用形式与现在同常生活中常用的条形码类似，电子标签中保 存的数据与条形码一样，都是用来唯一识别所附着的物体。但是与条形码不同 的是，电子标签中的数据可以更改，即通过读卡器对电子标签进行写操作，使 电子标签可以多次利用，增加了它的使用寿命，而条形码只能一次预存数据， 使用之后不能进行更改，即不能进行二次识别。 在u h f 频段的r f i d 系统中，一般采用无源电子标签，当其处在读卡器的 有效识别范围之内时，电子标签中的微电子芯片才被激活，电子标签工作所需 要的能量，是通过读卡器上的天线以发送电磁波的方式传输给电子标签的【1 6 j 。 电子标签一般包括模拟射频接口、控制逻辑单元和内存单元三部分。 模拟射频接口作为电子标签中的前端电路，将读卡器发送过来的电磁波转 变成电能，为电子标签中其它电路提供工作电压。此外，该接口电路中还包含 调制解调电路，能够将读卡器发送的射频信号进行去载波处理，解调后得到读 卡器发送的数据和指令信息，同时调制解调电路将电子标签发送给读卡器的数 第一二章r f i d 系统i ：作原理及相关理论 据信息经过调制后通过模拟射频接口中的天线发送出去【i7 1 。 控制逻辑单元是标签内部的控制中枢，它的作用是从模拟射频接口接收读 卡器发送的信号，并对该信号进行解码从而获得具体的指令，根据指令完成对 电子标签内部存储单元中数掘的读写操作。在电子标签向读卡器发送信号时， 控制逻辑单元也需要对信号进行编码处理，并通过模拟射频接口进行调制，最 后通过天线发送给读卡器。电子标签内部结构如图2 3 所示。 图2 3 电子标签结构图 内存单元是电子标签中的数据存储模块，一般采用的是e 2 p r o m 存储器， 内部存有需要进行识别的相关信息，当对e 2 p r o m 供电后，逻辑控制单元就可 以根据读卡器的相关指令对存储器中的数据信息进行读出、擦除以及写入操作。 ( 3 ) 天线 r f l d 系统中的天线分为读卡器天线和电子标签天线。它是沟通读卡器和电 子标签之i 日j 的桥梁，作为能量交换和数据传输的纽带。天线是系统中射频信号 的发射和接收装置，当发射信号时，天线将读卡器或电子标签中的基带信号转 变成电磁波的形式发送出去；同理，作为接收装置，天线将空间电磁波转变成 电流信号提供给后端电路。 天线的结构与应用场合有关，不同的应用环境可以设计不同形式的天线， 在低频和高频系统中常采用环型天线，在超高频和微波系统中，通常使用平板 天线、八木天线以及阵列天线等。天线的性能主要有增益、极化方式以及波瓣 宽度等【1 8 1 。 2 2r f i d 系统的工作原理 r f i d 技术的基本工作原理是i 史卡器向电子标签发送射频信号，通过射频信 号激活电子标签，并通过读指令彩：墩电子标签中的数据，通过写指令完成数据 修改，从而达到对电子标签所附着的物体进行识别的目的。r f i d 系统的工作框 图如图2 4 所示。 大津f ：业人学硕：卜学位论文 图2 _ 4r f i d 上作原理框图 r f i d 系统的工作流程如下：读卡器通过内置的天线向空间区域发射电磁 波，当电子标签进入该区域时，接收到读卡器发出的射频信号，被激活后进入 工作状态，电子标签中的模拟射频接口电路首先对射频信号进行解调，其次， 解调后的信号被送入逻辑控制单元进行解码、解密，然后对请求命令、密码以 及权限等进行判断【l9 1 。如判断为读命令，电子标签中的逻辑控制单元则从 e 2 p r o m 中读取相关数据信息，经过加密、编码和调制后通过天线发送给读卡 器。读卡器接收到电子标签发送的射频信号后，首先对其解码并进行错误校验 来判断接收数据的有效性，然后将数据存储到读卡器内部的存储器中。若为写 命令，逻辑控制单元根据读卡器的请求命令对存储器中的内容进行改写。 当读卡器在接收电子标签发送回来的数据时，由于电子标签是无源的，需 要接收读卡器发送的载波作为工作能量，因此系统的解调是采用相干解调的方 法从大功率的发射信号中提取电子标签返回的微弱信号，本系统中所采用的 r 1 0 0 0 射频芯片j 下是通过同步正交解调方法来完成信号解调的。 2 3r f i d 系统分类 根据不同的分类方法，r f i d 系统可以分为以下不同的几类： ( 1 ) 按电子标签的有源和无源分类 r f i d 电子标签可以分为有源和无源两种。有源电子标签内部有一块电池， 为电子标签内部的各个电路提供工作电压。有源电子标签的识别距离一般都比 较远，可以达到几十米甚至上百米。但是，由于电子标签内部附带了预置的电 池，因此，电子标签的体积相对比较大，并且使用时间有一定的限制，当内部 电池能量耗尽时，标签就失去效用无法继续使用。 无源电子标签内部不含有电池，标签内部的模拟射频接口将读卡器发送过 来的电磁波能量转换成电能作为内部各个电路的工作电源。与有源电子标签相 比，无源电子标签的体积较小，价格也比较便宜，同时，由于其内部没有预置 电池，仅是通过转换外部电磁波来获得工作能量，所以，其使用时间也要比有 第二章r f i d 系统jl ：作原理及相关理论 源电子标签长。但无源电子标签也有缺点，即识别距离比较近，一般只有几十 厘米到几十米。 ( 2 ) 按系统的工作频段分类 系统的工作频率即读卡器向电子标签发送射频信号所使用的频率，一般可 以分为4 个频段范围：低频( 3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( 3 3 0 m h z ) 、超高频 ( 3 0 0 m h z - 3 g h z ) 和微波( 2 4 5 g h z 以上) 。 低频r f i d 系统中由于读卡器的功率较低，射频信号覆盖范围较小，因此 系统的读写距离也比较近，一般只有几厘米到几十厘米。此外，低频系统中， 电子标签内保存的数据量较少，与读卡器的通讯速度也比较慢。低频系统主要 应用于动物识别、工具识别、电子防盗等领域。此频段的系统采用的是电感耦 合的工作方式，符合i s o i e c l 8 0 0 0 2 标准。 高频段r f i d 系统读写距离通常只有几十厘米，适用于对电子标签进行逐 个读写，当电子标签的数量较多时，系统识别能力欠佳。高频r f i d 系统主要 应用于身份证、小区物业管理等领域。系统采用的也是电感耦合的工作方式， 符合i s o i e c18 0 0 0 3 标准。 超高频r f i d 系统的优点是读写距离比低频系统远，最远可达1 0 米。在超 高频系统中，读卡器与电子标签之间的数据传输速度快且安全性也较高，其缺 点是系统的设计成本高。超高频系统主要应用于供应链管理，铁路车辆自动识 别、集装箱识别等领域。此频段的系统通常采用电磁反向散射耦合的工作方式， 符合i s o i e c l8 0 0 0 6 标准。 微波频段的r f i d 系统有效识别距离最远，最高可达1 0 0 米，这是由于读 卡器天线和电子标签天线均有较强的方向性，从而使射频信号的定向传输能达 到较远的距离。与此同时也产生了一定的缺点，即天线宽波束方向较窄，尽管 传输距离远但系统的穿透性和抗干扰性较差，并且设计技术复杂。此频段的系 统主要应用于电子收费系统和实时定位系统等领域。此频段的r f i d 系统也采 用电磁反向散射耦合的工作方式，符合i s o i e c l 8 0 0 0 4 标准。 ( 3 ) 按电子标签的读写方式分类 按照电子标签内部使用存储器的不同可将其分为3 种类型：可读写电子标 签、一次写入多次读出电子标签以及只读电子标签。可读写电子标签一般比较 贵，如银行卡、信用卡等；一次写入多次读出电子标签是指读卡器可以向其内 部一次性写入数据信息，并且写入的数据不能改变，只有在需要时可以从存储 器内部读出信息用以目标识别，这种电子标签的价格要便宜些；只读电子标签 中只保存有唯一的序列号，不能对其更改从而确保了较高的安全性【2 0 1 。 天津1 ：业人学硕十学位论文 2 4r f i d 系统的电磁理论 超高频射频识别系统中的读卡器是通过天线发射电磁波在周围空间形成电 磁场，并通过电磁场对电子标签进行识别，电磁场的范围就是读卡器的有效读 写区域。一个r f i d 读卡器至少应包含一根内置或外置的天线用来发射和接收 射频信号。有些r f i d 读卡器是由一根天线来完成射频信号的发射和接收的， 而另一些r f i d 读卡器则有两根天线，一根用于发射信号，而另一根用于接收 信号。天线的形式及数量应视具体的应用而定。 2 4 1r f i d 的电磁理论基础 r f i d 读卡器和电子标签通过天线构建起两者之间的信息传输通道，这种非 接触信息传输通道的性能完全取决于天线周围的空间场区特性。当射频信号加 载到天线之后，在紧邻天线的周围空问中，除了有辐射场之外，还有一个非辐 射场，该场的大小与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离逐渐增大而迅 速减小。在非辐射场中，由于电抗场占优势，因而将其称为电抗近场区。超过 电抗近场区就是辐射场区。按照与天线距离的远近，可以把辐射场区分为辐射 近场区与辐射远场区。因此，根据距离天线远近的不同，天线周围的场所呈现 出的性质也不相同。通常可以将天线周围的场区分为三个区域。 ( 1 ) 无功近场区 无功近场区也被称电抗近场区，它是紧邻天线的一个近场区，其界限通常 为距天线v 1 径表面l 2 n 处【2 。在电抗近场区中，电抗性储能场占支配地位，如 果该场区内还有其他金属物体，这些物体将会以类似电容、电感耦合的方式对 电抗场产生影响，因而也可以将这些金属物体看作是组合天线( 由原天线与这些 金属物组成新的天线) 的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场并不做功只是 进行电场和磁场的相互转换，因此，将该区域称为无功近场区。 ( 2 ) 辐射近场区 电抗近场区外部就就是辐射场区，辐射场区的电磁场脱离了天线的束缚， 并作为电磁波进入周围空间。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的 角度分布与距离天线的远近有关。对于通常的天线，辐射近场区也被称为菲涅 尔区域。 ( 3 ) 辐射远场区 辐射远场区也被称为弗朗菏费区。在该场区中，辐射场的角度分布与距离 天线的远近无关。严格意义上，只有离天线无穷远处才能达到辐射远场区。但 在某个观测点上，当辐射场的角度分布与无穷远处的角度分布误差在允许的范 围内时，就可以把该观测点到无穷远的区域称为天线的辐射远场区。 第二章r f i d 系统l ：作原理及相关理论 2 4 2 能量耦合和数据传输 在r f i d 系统中，读卡器对电子标签之间的有效识别距离是r f i d 系统应用 中的一个重要性能指标，通常情况下，把读卡器与电子标签之间能够安全的进 行数据交换的距离定义为r f i d 系统的有效识别距离。有效识别距离与读卡器 和电子标签的配合情况密切相关。 l 、耦合类型 根据r f i d 系统有效识别距离的不同，可以将射频系统分为三种耦合类型： 密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。 ( 1 ) 密耦合系统 密耦合系统是指有效识别距离很小的r f i d 系统，读卡器识别距离一般不 超过1 c m 。在实际应用中，需要将电子标签插入到读卡器中，或者将其放置在 读卡器天线的表面进行识别。密耦合系统是通过读卡器天线和电子标签天线之 间的电感耦合构成的非接触射频通道进行工作的。采用密耦合方式的r f i d 系 统电磁泄漏很小，通过耦合所获得的能量较大，因而应用于较高安全性但不要 求识别距离的场合。密耦合系统的工作频率一般低于3 0 m h z 。 ( 2 ) 遥耦合系统 遥耦合系统的有效识别距离可以达到1 m 。所有遥耦合系统都是基于电感耦 合方式，因此，遥耦合系统也被称为电感无线电装置。目前正在使用的r f i d 系统中9 0 一9 5 都属于遥耦合系统。遥耦合系统使用的工作频率通常是 1 3 5 k h z 以下的频率，或者使用6 7 5 m h z 、1 3 5 6 m h z 以及2 7 1 2 5 m h z 等特殊频 率。在遥耦合系统中，可以传输的能量相当小，因此，电子标签内部常常使用 耗电很少的只读数据存储器。 ( 3 ) 远距离系统 远距离系统的有效识别距离一般为1 1 0 m ，少数系统具有更远的识别距离。 所有远距离射频系统均是通过读卡器天线和电子标签天线之间的电磁耦合方式 进行数据通信和z 一- , , 匕i c , 量传输的。远距离系统的工作频率较高，常用的有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。 2 、数据传输原理 r f i d 系统中读卡器和电子标签之间通过电磁波来实现能量传输及数据通 信。按照通信距离的远近可将电磁场区域分成近场区和远场区。在近场区中， 读卡器和电子标签之间数据交换方式采用负载调制；l j 住远场区中数据交换方 式采用反向散射调制。 ( 1 ) 负载调制 近场区中的r f i d 系统是通过准静态场的耦合来实现通信的。在这种情况 天津i ：业人学硕十学位论文 下，读卡器和电子标签之间的数据交换方式与变压器结构类似，称为负载调制。 这种调制方式在低频和高频r f i d 系统中应用较为广泛。 ( 2 ) 反向散射调制 在远场区中，如9 1 5 m h z 超高频和2 4 5 g h z 微波r f i d 系统。读卡器和电 子标签之问的距离较长，数据交换方式采用反向散射调制。反向散射调制技术 是指电子标签将数据回发给读卡器时所采用的通信方式。电子标签返回数据的 方式是通过控制天线的阻抗来实现的，控制电子标签天线阻抗的方式都是基于 一种被称为“阻抗开关”的方法。在实际应用中采用的几种“阻抗开关”有高 速开关、逻辑门和变容二极管等。 本系统中使用的是9 15 m h z 的超高频读卡芯片，采用的调制方式也是反向 散射调制，利用电磁波反射将数据从电子标签发送到读卡器。 读卡器到电子标签的能量传输 在距离读卡器为r 处的电子标签的功率密度为： s = 吃g 发4 万尺2 = e i r p 4 ；c r 2 ( 2 1 ) 在上式中，最是读卡器的发射功率；g 舒是天线的增益；r 是电子标签到读卡器 之间的距离；e i r p ( e q u i v a l e n ti s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ，等效各向同性辐射功率) 是天线的有效辐射功率，它等于读卡器发射功率和天线增益的乘积。 当电子标签与发射天线达到最佳对准时，电子标签所能吸收的最大功率与 入射波的功率密度成j 下比，表示如下： 嚷签= a ，s ( 2 - 2 ) 上式中，4 = a 2 g 矬4 万；g 矬为电子标签的天线增益。由此可得： = a 。s = 五2 吆签s 4 l r = 2 2 g 糙e i r p 1 6 ；r 2 r 2 ( 2 3 ) 无源电子标签通过电磁场获得工作能量，电子标签能否正常工作主要取决 于电子标签的工作电压，这也决定了无源r f i d 系统中读卡器的有效识别距离。 当电子标签的功耗越大时，有效识别距离