射频技术论文

1、课 程 设 计课题名称 姓 名 学 号 班 级 专 业 成 绩 完成日期 目录第一章 绪论11.1 常见的自动识别技术11.2 射频识别技术的概述31.3 研究内容5第二章 射频识别技术工作原理72.1 电感耦合RFID系统工作原理72.2 射频识别系统的组成92.2.1 天线102.2.2 阅读器102.2.3 电子标签12第三章 射频识别系统总体设计153.1 总体方案选择153.2 调制方案选择163.3系统工作频率163.4 天线选择173.5 系统的整体结构17第四章 系统实现194.1 主要芯片介绍194.2 耦合线圈谐振计算214.3 电子标签设计224.3.1 电源模块224.

2、3.2 编码电路244.3.3 调制电路254.4 阅读器的设计264.4.1 发射模块的设计264.4.2 解调电路294.4.3 解码电路的设计31第五章 射频识别系统的调试和测试355.1 线圈耦合调试355.2 系统识别距离的测量355.3 系统识别正确率的测量35第六章 总结37致谢39参考文献41第一章 绪论 本章首先对一些常见的自动识别技术做简单的介绍，然后详细介绍射频识别技术。1.1 常见的自动识别技术自动识别技术是将数据自动采集和识读，并且自动输入计算机的重要方法和手段。近二三十年来，自动识别技术在全球范围内得到了迅猛的发展。自动识别技术的发展为计算机提供了快速、准确采集和输

3、入数据的手段。常见的自动识别技术有条形码识别技术、光学字符识别技术、生物识别技术、卡识别技术、视觉识别技术和射频识别技术。条行码技术条形码是由一组规则排列的条、空以及相应的数字组成，这种用条、空组成的数据编码可以供条形码读写器识读，而且容易译成二进制数和十进制数。这些条和空具有不同的组合方法，构成不同的图形符号，及各种符号体系（也称码制），适用于不同的应用场合1。 光学字符识别技术光学字符识别(OCR,Optical Character Recognition)是指通过扫描等光学输入方式，对文本资料进行扫描输入，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。已有30多年历史，近几年又出

4、现了图像字符识别（image character recognition，ICR）和智能字符识别（intelligent character recognition，ICR），实际上这三种自动识别技术的基本原理大致相同。卡识别技术常用的卡识别技术有两种，即磁条卡技术和IC卡技术。其中，磁条卡技术属于磁存储器识别技术，而IC卡技术属于电存储器技术。 磁条卡技术磁条卡是一层薄薄的由定向排列的铁性氧化粒子组成的材料，用树脂粘合在一起并粘在诸如纸或者塑料这样的非磁性基材上，由于磁卡的信息读写相对简单容易，使用方便，成本低，从而较早地获得了发展，并进入了多个应用领域，如信用卡、银行ATM卡、机票、公共汽

5、车票、自动售货卡等3。IC卡识别技术IC卡是指集成电路卡，我们一般用的公交车卡就是IC卡的一种，一般常见的IC卡采用射频技术与IC卡的读卡器进行通讯，IC卡与磁卡是有区别的，IC卡是通过卡里的集成电路存储信息，而磁卡是通过卡内的磁力记录信息。IC卡的成本一般比磁卡高，但保密性更好。IC卡可包含一个微处理器使其成为真正的智能卡，或者只是简单地成为一个存储卡。通过使用微处理器在卡上进行认证和对信息访问的控制，从而使IC卡达到更高的保密性。IC卡有更多的优点：安全性高；IC卡的存储容量大，便于应用，方便管理；防磁、防静电，抗干扰能力强1。生物识别技术所谓生物识别技术就是，通过计算机与光学、声学、生物

6、传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。1视觉识别技术 视觉识别系统可以看作是这样的系统：它能获取视觉图像，而且通过一个特征提取和分析的过程，能自动识别限定的标志、字符、编码结构等呈现在图像内的特征。随着自动化技术的发展，视觉识别技术可与其他自动识别技术结合起来应用2。射频识别技术射频识别技术的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视线，识别距离较远，射频识别卡具有读写能力，可携带大量数据，同时具有难以伪造和智能性较高等特点。射频识别和条码一样，是非接触式识别技术。由于无线电波能“

7、扫描”数据，所以RFID挂牌可做成隐形的，有些RFID识别产品的识别距离可以达到几百米3。RFID识别的缺点是电子标签的成本相对较高，并且一般不能随意扔掉，而多数条码扫描寿命结束时可以扔掉。1.2 射频识别技术的概述 射频识别技术的基本概念RFID技术是射频识别技术的简称，它是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号的空间耦合（电感耦合或电磁耦合）或反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射频识别技术的发展RFID技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，RF

8、ID技术进入商业化应用阶段。 近年来在国外的很多国家和公司都投入了一定的力量来研究RFID技术。在美国产业方面，TI公司、Intel公司等集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。在欧洲产业方面，欧洲的Philips公司、ST微电子公司在积极开发廉价RFID芯片；Checkpoint公司在开发支持多系统的RFID识别系统。在日本，政府也将RFID作为一项关键的技术来发展。2004年7月，日本经济产业省选择了7个产业做RFID的应用试验。韩国主要通过国家的发展计划，再联合企业的力量来推动RFID的发展，虽然韩国关于RFID技术开发和应用领域优势不够明显，但是在韩国政府的高度重视下，韩

9、国关于RFID的技术研发和应用试验正在加速开展，2005年3月，韩国政府耗资7.84亿美元在仁川新建技术中心，主要从事RFID技术的研发和相关设备的生产。射频识别技术的优势射频识别技术（RFID）是自动识别的高级形式。RFID在近两年已经成为了市场的热点。随着微型集成电路、天线技术和计算机技术的快速发展，微型低功耗的智能RFID标签得到了很大发展，并且成本也大大降低。RFID的最大优势是非接触读取数据，与其他的自动识别技术相比，它还具有携带数据量大、信息处理速度快、保密性高、识别距离远等特点。RFID具有很强的环境适用性，抗干扰能力强，可在全天候下使用，几乎不受恶劣环境的影响，同时还避免机械磨

10、损。一种RFID系统还可以满足多用途的要求，可以实现多目标识别。系统可靠性高，操作方便快捷。正因为RFID系统的这些优点，使它具有美好的应用前景。1.3 研究内容本论文介绍了一些常见的自动识别技术，详细介绍了射频识别技术的概念和原理。实现了射频识别系统的设计。下面是论文的章节安排第一章 主要介绍一些常见的自动识别技术，详细说明了射频识别技术的原理、发展及现状、应用和特点。第二章 介绍射频识别系统的工作原理以及系统的组成。第三章 射频识别系统的整体设计，包括整体方案的选择、调制方案的选取、天线的选择、工作频率的选择。第四章 射频识别系统的具体实现，包括电子标签和阅读器的详细实现过程。第五章 对射

11、频识别系统进行调试和测试，包括系统的线圈耦合的调试和正确率、最大识别距离的测量。第二章 射频识别技术工作原理本章的主要内容是介绍电感耦合型射频识别的工作原理和识别系统的组成。2.1 电感耦合RFID系统工作原理电感耦合原理电子标签与阅读器之间通过天线架起空间电磁波传输的通道。电子标签与阅读器（也称读写器）之间的电磁耦合包含两种情况，即近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合。在本次设计中使用的是电感耦合。电感耦合的模型可以看作是变压器模型，阅读器的天线相当于变压器的初级线圈，电子标签相当于变压器的次级线圈，它们的耦合介质是空间磁场。电感耦合RFID系统的工作原理：由阅读器的发射电路通过天线发射某一特

12、定频率的射频信号，形成阅读器的有效识别区域。如果电子标签进入到这个有效识别区域，就获得能量而被激活，开始工作，电子标签将自身的编号信息通过自身携带的天线发送出去，阅读器接收到电子标签的调制信号，并进行解调，得到想要的信息，然后进行相关的处理。图2.1电感耦合型但是，电感耦合方式常常适用于低频和中频的射频识别系统，并且识别距离很近一般不大于1米。常见的作用距离是10-20cm。电感耦合的典型工作频率是125KHZ、225KHZ和13.56MHZ。负载调制原理在电感耦合型射频识别系统中，电子标签的编码信息需要调制以后，才能使用天线发射出去，负载调制是常用的一种调制方法。负载调制简单的说，就是利用负

13、载的变化来改变电源的电压。下面通过举一个例子来具体说明一下，如图2.2所示。图 2.2负载调制电路2.2 射频识别系统的组成射频识别是一种非接触的自动识别技术，一个射频识别系统至少包括阅读器、天线和电子标签。如图2.3所示。下面对系统的各个组成部分进行说明。图 2.3 射频识别系统图2.2.1 天线无论阅读器还是电子标签的正常工作，都离不开天线或耦合线圈。对于电子标签和阅读器而言，天线是它们之间的空间接口。其实，天线是一种能够将电磁波转换成电流信号，也可以将电流信号转换成电磁波的装置。无线电发射模块发射射频信号，通过电缆输送到天线上面，天线将射频信号以电磁波的形式辐射出去。电磁波到达接收点后，

14、也是由天线接收下来（但是天线所接收到的只是很小一部分），并通过电缆输送到接收模块。所以，天线是发射电磁波和接收电磁波的重要无线电设备，可以说没有天线就没有无线电通信1。2.2.2 阅读器在无线射频识别系统中，阅读器是主要的组成部分之一。它在射频识别系统中起到了举足轻重的作用。在射频识别系统工作过程中，通常由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场。但是超高频阅读器的设计比较复杂，体积也相对较大虽然各种射频识别系统在耦合方式、通信方式、数据传输方式以及工作频率的选择上存在着很大的区别，但是，RFID阅读器的组成基本相同。主要由两大基本模块组成：信号控制与处理模块和高频接口模块。此外，阅读器还需要

15、发射电磁能量的天线。如图2.4所示。信号控制和处理模块通常采用ASIC组件和微处理器来实现其功能。信号控制和处理模块的主要功能：控制电子标签 图 2.4 阅读器结构图信过程；对数据进行加密和解密；信号的编码和解码；对电子标签身份识别。高频接口模块主要由发送器和接收器组成。通常高频接口模块又被称作射频模块，它的主要功能是：产生一定频率的射频信号，发射射频信号，激活电子标签并为其提供工作电压；调制发射信号，对电子标签进行写入操作：解调电子标签的射频信号2。对于电感耦合的RFID体统，因为工作频率较低，所以阅读器的高频接口部分电路比较简单。通常电感耦合的RFID系统阅读器的高频接口如图2.5。图 2

16、.5 电感耦合型RFID系统阅读器的高频接口部分阅读器的结构形式根据数据管理系统的功能需求以及不同设备制造商的生产习惯，阅读器有不同的结构与外观形式。根据天线和阅读器模块是否分离，可以分为分离式阅读器和集成式阅读器。常见的分离式阅读器有固定式阅读器，而典型的集成式阅读器有手持阅读器。根据阅读器的应用场合，可以分为固定式阅读器、OEM（Original Equipment Manufacturer原始设备制造商）模块、工业阅读器、手持阅读器和读卡器。2.2.3 电子标签电子标签（又称应答器）作为射频识别系统组成部分，它的作用也是不言而喻的。电子标签中存储了可用的信息，通过电感耦合可以将此信息传输

17、到信息采集系统中。电子标签的主要组成部分是耦合天线和标签芯片如图2.6。耦合线圈的作用就是接收阅读器发射出来的电磁波同时将标签芯片的信号以电磁波的形式发射出去。标签芯片的作用是，对天线接收的信号进行解调和解码等处理，同时将自身的信息进行编码、调制。图 2.6 电子标签的组成由于各种识别系统的原理和应用领域不同，电子标签的原理、结构和外观也有很大的区别。根据分类的方式不同，电子标签可以分为不同的类型。1、按供电方式（1）有源标签有源电子标签是指电子标签内部有电池提供标签工作的电压。这种电子标签的工作距离相对较远，但是使用寿命较短、体积较大、成本较高、需要定期更换电池。此类标签的工作环境受到很大限

18、制，很多恶劣的环境不适合使用。（2）无源标签无源电子标签就是指电子标签内部没有电池提供工作电压。无源电子标签利用线圈耦合电磁波技术从阅读器那得到能量，然后转换成直流电源，为无源电子标签提供工作电压。无源电子标签的使用寿命较长、识别距离相对有源标签的要近。但是无源电子标签对工作环境要求很低。2、按电子标签的工作频率（1）低频标签低频标签的工作频率较低，工作频率范围为30KHZ到300KHZ，是型的电感耦合型标签，它的天线一般为线圈型天线。低频标签一般为无源标签，工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射场中得到。其实RFID技术首先是在低频得到广泛应用和推广的。（2）高频标签高频电子标签的工

19、作频率要比低频标签的频率要高，其工作频率一般为3到30MHZ。高频标签的优点是：速度快、识别距离较远。缺点是：价格太高。 （3）超高频标签超高频电子标签的工作频率远高于低频和高频标签， 工作波长较短，所以超高频电子标签的工作方式多采用电磁反向散射耦合方式。第三章 射频识别系统总体设计本章的内容是系统整体方案的选择，以及调制方案和系统工作频率的选取。3.1 总体方案选择方案一：如图3.1所示，在此方案中使用单片机。单片机用来编码和解码，并用数码管来显示电子标签的信息。阅读器的主要组成部分：单片机、接收电路等。电子标签的主要组成部分：单片机、调制电路等。此识别系统的工作过程：电子标签进入阅读器的有

20、效工作区域后被激活，并通过线圈耦合得到工作能量，电子标签中的单片机读取拨码开关的信息并发通过天线送出编码信息，阅读器接收到编码信息后，对编码信息进行解调，然后通过单片机对其解码并显示。图3.1 方案一的电路结构方案二： 如图3.2所示，此系统不采用单片机进行编码和解码，而是采用通用的编码芯片PT2262和解码芯片PT2272,，使用发光二极管来显示电子标签的四位拨码开关的信息。此识别系统的工作过程：电子标签进入阅读器的有效工作区域后，通过线圈耦合得到工作能量，编码芯片PT2262将拨码开关的信息进行编码然后调制发送，阅读器接收到编码信息后，进行解调，然后再解码，最后使用四位发光二极管显示。图

21、3.2 方案二电路结构因为在此次识别系统的设计中，电子标签采用的是无源电子标签，电子标签的工作能量是通过耦合得到，这样的能量很有限，不足以驱动单片机这样的芯片。但是PT2262和PT2272可以较好的完成四位二进制数据的编码和解码，并且功耗低、价格低，对工作环境要求也比较低，非常适合能量供应有限的场合。3.2 调制方案选择方案一：直接调制直接使用FSK或ASK调制，这样的调制电路复杂，所以电路的功耗就会相对大一点，这对于无源电子标签来说，功耗太大是不行的。方案二：负载调制系统工作在低频段，使用的是电感耦合，耦合部分可以使用变压器模型来进行分析。电子标签的线圈可以等效到阅读器的线圈上。当电子标签

22、线圈的负载大小发生变化时，就会改变阅读器线圈两端的电压。这就是负载调制。负载调制电路简单，功耗小。经上比较，选择方案二的调制方法。3.3系统工作频率此系统的电子标签是无源的，所以功率较小，并且对识别距离也没有特别的要求。如果选取频率较高，电路就会相对复杂，并且功耗就大。并且，如果频率选择较高，那么与之谐振的电容则可能非常小，由于分布电容的存在，调试将十分困难，要实现的话难度较大。所以最终选择系统工作在低频段，低频系统的典型工作频率是125KHZ、225KHZ和13.56MHZ，我们选取工作频率为125KHZ。3.4 天线选择系统工作在低频段，所以使用电感耦合方式，电感耦合的天线是环形的。我们可

23、以使用直径不大于1mm的漆包线或带有绝缘皮的导线密绕10圈制成，天线的直径可以选择6.5CM左右，绕成空心的。阅读器与电子标签的天线之间的介质是空气。3.5 系统的整体结构 阅读器的组成：振荡电路、放大电路、解调电路、解码电路等。电子标签的组成：整流电路、编码电路、调制电路等。第四章 系统实现 本章内容是系统的详细实现，包括电子标签和阅读器的具体设计。4.1 主要芯片介绍555芯片简介555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制

24、电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。内部电路如图4.1所示图 4.1 LM555内部结构图 555芯片有8个引脚，双列直插型的。其中6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端

25、(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc)，可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。其中工作电压为5v-18v。4.2 耦合线圈谐振计算电子标签的能量是通过电感耦合从阅读器得到的，电磁场由阅读器的天线线圈产生，这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间，因为使用的频率较低，所以电磁波的波长比阅读器和电子标签之间的距离大的多，可以把阅读器和电子标签之间的磁场看作是交变磁场。电子标签的线圈必须要和电容构成谐振回路，如果两个线圈不能谐振，电子标签就不能得到足够的能量来工作。阅读器的发射输出端采用发射线圈和电容并联构成谐振回路。4.3 电子标签设计电子标签由整流电路、调制

26、电路和编码电路组成。4.3.1 电源模块 电子标签采用的是无源的，工作电压是通过电感耦合的方式从阅读器得到。通过线圈耦合过来的是交流电压。一个简单的方法就是将二极管和电子标签的天线串联，结果就是只有在一个方向上有电流流过二极管，然后再加一个电容来储存这个电流，通过电容的周期性的放电，就可以提供直流电流了。如图4.2所示（电阻R为负载）。但是，图 4.2 简单的整流电流模型上图的整流模型不足以提供稳定的直流电压，并且电压值也不够要求。为了得到更高更稳定的直流电压，一种常见的整流电流就是使用整流桥。在T1的正半周期内，二极管D1和D3加上了正向电压，此时D1和D3导通，而对于D2和D4相当于加了一

27、个反向的电压，此时D2和D4截止，电路构成了T1、D1 、R1和D3 的导通回路。在此射频识别系统中，我们就采用桥式整流电路来进行整流。具体电路如图 4.4所示。电容的后面并联了一个5V的稳压二极管，这样就将直流电压稳定在了5v。因为电子标签的工作电压就设计为5V。4.3.2 编码电路在此射频识别系统中，我们采用专用的编码芯片PT2262来进行数据编码。四位的数据通过四位拨码开关来进行输入。我们仅仅是识别数据，所以对于地址码可以悬空不接。因为此识别系统的工作频率在125KHz左右，所以编码宽度要相对大一些，这样在调制好以后，更容易解调。最终选择振荡电阻为4.7M。编码芯片电路如图4.5A所示。

28、其中Dout就是编码芯片的输出，它是一串高低电平。当拨码开关的数值为1101时，Dout的输出波形如图4.5B所示图 4.5A 编码芯片电路。图 4.5B PT2262编码波形4.3.3 调制电路编码芯片的输出需要调制才能够通过天线发送出去。本识别系统采用负载调制。负载调制的原理是：利用负载的大小变化来改变电压的变化。在此系统中使用的是电感耦合，电感耦合可以看成是变压器模型，阅读器的天线可以看作是变压器的初级线圈，电子标签的天线可以看作是变压器的次级线圈。次级线圈的负载可以等效到初级线圈上，通过改变次级线圈的负载就可以等效改变了初级线圈上的负载了，就能引起初级线圈上电压的变化。我们可以使用模拟

29、开关的方法来改变次级线圈两端的负载。而模拟开关就有编码信号来控制负载调制的具体电路如图4.5所示。S8050的集电极接整流桥的正端，发射极接的是地，而基极接的是编码芯片PT2262的输出。通过编码来控制模拟开关的通断。图 4.5 电子标签部分电路，4.4 阅读器的设计阅读器由发射模块、解调电路和解码电路组成。其中发射模块包括振荡电路和放大电路。4.4.1 发射模块的设计发射模块的主要部分就是振荡电路，振荡电路可以使用有源晶振产生也可以使用LC振荡电路来产生。如果是用有源晶振实现的话，振荡电路比较简单，但是产生的频率固定不变，在电路设计好以后还要对系统进行调试，调试过程中，有可能需要微系统的工作

30、频率。所以使用有源晶振构成的振荡电路不合适。4.4.2 解调电路电子标签的调制方式选用的是负载调制，使用编码信号来控制三极管的通断来改变电子标签的负载，也就相当于改变了阅读器天线的负载，改变了阅读器天线上的电压。图中的LM358作为放大芯片使用，可以提供两级放大，LM311是比较器芯片。二极管D3为IN60作检波使用。D1和D2为IN4148二极管，它们的作用是限幅。D1直接接到阅读器的天线上。当PT2262不工作的时候，阅读器天线上的波形如图4.9A所示，是一个稳定的正弦波。但是，当PT2262工作以后，它就会有输出，而它的输出就可以改变阅读器天线的负载。PT2262开始工作以后，阅读器天线

31、上的波形变为图4.9B所示。最后进入到LM311比较器中进行比较得到PT2262的编码信号。4.4.3 解码电路的设计在阅读器电路设计中，采用专用的解码芯片进行解码。由于PT2272需要和PT2262配对才能使用，在电子标签电路中，我们将PT2262的1脚到8脚都悬空没接，所以解码芯片PT2272在接入电路的时候要注意这一点，也要将PT2272的1脚到8脚悬空。PT2262芯片接入的振荡电路的电阻大小是4.7M，与之对应在PT2272中要接入820K的电阻，如果接入其它的电阻，那么PT2272就不能工作。因为PT2262的编码数据是四位的，在解码芯片中使用四位的发光二极管来显示编码值。具体电路

32、如图4.10所示。图 4.10 芯片PT2272构造的解码电路第五章 射频识别系统的调试和测试本章内容是系统的调试与测试，包括线圈耦合调试和系统最大识别距离的测量，并且在一定距离下，系统识别正确率的测量。5.1 线圈耦合调试电路在电路板上连接好以后，受电路板、导线等因素的影响，电路的一些初始参数可能就不能使用了。在此系统中的线圈耦合部分很容易受到这种因素的干扰，所以电路连接好以后，还需要微调系统的工作频率。通过调节振荡电路中的可变电阻R2（如图4.6）来改变系统的工作频率。调试完成后测得系统工作的频率为117KHZ。5.2 系统识别距离的测量将阅读器加上工作电压，让其工作。然后将电子标签从远处慢慢靠近阅读器的天线，当阅读器的二极管显示电子标签的值时，停止电子标签的移动，此时测量阅读器的天线和电子标签天线之间的距离记做D，D就是此射频识别系统的最大识别距离。经多次测量得D=3cm。5.3 系统识别正确率的测量阅读器加上正常的工作电压，将阅读器线圈和电子标签线圈之间的距离设置为2cm，改变电子标签的拨码开关的值，观察阅读器的显示结果。具体的结果如表5-1所示。表 5-1 识别距离：2cm测试次数电子标签编码阅读器识别结果1000000002000100013001000104001100