RFID硬件与软件

1、RFID的硬件和软件 1 读写器工作原理（王勋） 2 天线工作原理（赵韦） 3 电子标签的分类和封装（刘曙光） 4 标签产品介绍：TI标签、IDSIDE标签、Philips标签（曹萌萌） 5 RFID的中间件（郭芳）3电子标签的分类和封装阅读器概述 阅读器也称为读写器，是RFID系统构成的重要部件之一。我们通过计算机软件来读取或写入标签内的数据信息。由于标签是非接触式的，因此我们必须借助阅读器来实现标签和应用系统之间的数据通信。阅读器的主要功能 阅读器与标签之间的通信功能 阅读器可以通过标准接口与计算机网络连接，实现多阅读器的网络通信 能够在读写区域内实现多标签的同时识别，具备防冲撞功能 能够

2、校验读写过程中的错误信息 对于有源标签，能够识别标签电池相关信息阅读器的工作原理 阅读器和标签的所有行为均由应用软件来控制完成。在系统中，应用软件作为主动方对阅读器发出读写指令，而阅读器则作为从动方只对应用软件的读写指令做出回应。 阅读器接收到应用软件的动作指令后，回应的结果就是对电子标签作出相应的动作，建立某种通信关系。电子标签响应阅读器的指令，因此，相对于标签来讲，阅读器就是指令的主动方。 在RFID系统的工作程序中，应用软件向阅读器发出读取命令，作为响应，阅读器和标签之间就会建立特定的通信，阅读器触发标签工作，并对所触发的标签进行身份验证，然后标签开始传送所要求的数据。阅读器的基本组成阅

3、读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源标签提供能量和时序。RFID天线 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。 天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收。 。天线的基本原理 一根天线可以看作由许多首尾相接的电流元所组成，这些电流元又称基本振子。 基本振子是构成天线辐射的基本单元，只要求得基本振子的辐射场，利用叠加原理即可了解整个天线的辐射情况。 基本振子包括点辐射元、电振子元和磁振子元，由基本振子形成的电场和磁场的计算式可参

4、考书上。 点电流源天线的场如下所示：RFID上线圈天线的工作原理 当RFD的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中，RFID天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈由RFID的线圈天线形成的谐振回路如图所示： 它包括RFD天线的线圈电感L、寄生电容CP和并联电容C2，其谐振频率为： (式中C为CP，和C2 的并联等效电容)发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流 常用的ID-1型非接触式IC卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm X54.03 mm0.76 mm)，天线线圈谐振工作频率通常为13.56 MHz目前已研发出面积最

5、小为0.4mm0.4 mm线圈天线的短距离RFD应用系统 某些应用要求RFD天线线圈外形很小，且需一定的工作距离，如用于动物识别的RFID线圈外形即面积小的话，RFD与读写器间的天线线圈互感量M就明显不能满足实际使用通常在RFD的天线线圈内部插入具有高导磁率u的铁氧体材料，以增大互感量，从而补偿线圈横截面减小的问题RFID上线圈天线的工作原理RFID中常用天线的分类 磁场耦合式天线 磁场耦合式天线是低频和高频RFID应用中广泛采用的天线形式，其基本形式是由线圈绕制而成。当交变电流在线圈中流动时，就会在线圈周围产生较大的磁场，磁场穿过线圈的横截面和线圈周围空间，可以把读写器与传感器之间的电磁场简

6、化为交变磁场来研究。 电磁波后向散射式RFID天线 工作在超高频和微波波段 ，该波段的天线具有多种不同的形式。 RFID中常用天线的分类 微带天线 1.自20世纪70年代以来引起了广泛的重视和研究，已在100兆赫至5可0吉赫的宽广频域上获得多方面应用。其主要特点是剖面低、体积小、重量轻、造价低，可与微波集成电路一起集成，且易于制成共形天线等。从电性能上来说，它有便于获得园极化、容易实现多频段工作等优点。主要缺点是频带窄、辐射效率较低及功率容量有限。 2.主要有微带贴片天线、微带振子天线、微带阵列天线三种类型。几种典型的标签天线在超高频射频标签中,可选的几种标签天线如表所示： 尺寸小 标签要粘贴

7、在待识别物体表面,因此大多数情况下都要求标签体积小，另外许多标签还采用易折叠的材料制作。 方向图特性 一般要求标签天线具有全向或者半球覆盖的方向图，标签粘贴在任意位置都能与读写器通信，这也为多目标识别提供条件。 极化特性 待识别物品在各个方向,标签天线都能与读卡机天线的信号相匹配。 为标签芯片提供尽可能大的能量 大多数标签都是无源的,为了提高标签效率和读写距离,标签天线必须提供尽可能多的能量给标签芯片。 成本低 尽量使用结构简单、易于批量生产的天线结构。RFID标签天线的特点电子标签的分类（一） 射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频

8、系统和高频系统两大类（更详细的分为：低频、高频、超高频和微波）类（更详细的分为：低频、高频、超高频和微波） 1低频系统一般指其工作频率小于30MHz，典型的工作频率有：125KHz、225KHz、13.56M等。基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短（无源情况，典型阅读距离为10cm）、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等。 2高频系统一般指其工作频率大于400MHz，典型的工作频段有：915MHz、2450MHz、5800MHz等。高频系统的基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米至十几米）

9、，适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状、阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。 电子标签的分类（二）根据读取电子标签数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射根据读取电子标签数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类：调制式三大类： 1.广播发射式射频识别系统实现起来最简单。缺点是电子标签因须不停地向外发射信息，既费电，又对环境造成电磁污染，而且系统不具备安全保密性。 2.倍频式射频识别系统实现起来有一定难度。 一般情况下，阅读器发出射频查询信号，电子标签返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。这种工作模式对阅读器接收处理回波信号提供了便利，但是，对无源电

10、子标签来说，电子标签将接收的阅读器射频能量转换为倍频回波载频时，其能量转换效率较低，提高转换效率需要较高的微波技巧，这就意味着更高的电子标签成本。 3 射调制式射频识别系统实现起来要解决同频收发问题 反射回的信号强度较发射信号要弱得多，因此技术实现上的难点在于同频接收。 电子标签的分类（三）根据电子标签内是否装有电池为其供电，又可将其分为根据电子标签内是否装有电池为其供电，又可将其分为有源系统和无源系统及半无源三大类：有源系统和无源系统及半无源三大类： 1. 有源电子标签内装有电池，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池的寿命有限（310年）；无源电子标签内无电池，它接收到阅读器（读出装置）发

11、出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。 3. 半无源射频标签。半无源射频标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，本身耗电很少的标签电路供电。 电子标签的分类（四） 从电子标签内保存的信息注入的方式可将其为分集成电路从电子标签内保存的信息注入的方式可将其为分集成电路固化式、现场有线改写式和现场无线改写式三大类：固化式、现场有线改写式和现场无线改写式三大类： 1.集成固化式电子标签内的信息一般在集成电路生产时即将信息以 ROM工艺模式注入，其保存的信息是一成

12、不变的； 2.现场有线改写式电子标签一般将电子标签保存的信息写入其内部的E2 存贮区中改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程中必须为其供电； 3.现场无线改写式电子标签一般适用于有源类电子标签，具有特定的改写指令，电子标签内保存的信息也位于其中的E2存贮区。 电子标签的封装（一）封装方法封装方法 印刷天线与芯片的互连上,因RFID标签的工作频率高、芯片微小超薄,最适宜的方法是倒装芯片倒装芯片(FlipChip)技术技术,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点 . 为适应柔性基板材料,倒装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。柔性基板要实现大批量低成本的生产,以及为了更有效地降

13、低生产成本,采用新的方法进行天线与芯片的互连是目前国际国内研究的热点问题。 为了适应更小尺寸的RFID芯片,有效地降低生产成本,采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势. 电子标签的封装（二）封装工艺 RFID标签因不同的用途呈现多种封装形式,因而在天线制造、凸点形成、芯片键合互连等封装过程工艺也呈多样性。 (1)天线制造绕制天线基板(对应着引线键合封装)印刷天线基板(对应着倒装芯片导电胶封装)蚀刻天线基板(对应着引线键合封装或者模块铆接封装)(2)凸点的形成 目前RFID标签产品的特点是品种繁多,但并非每个品种的数量能形成规模。因此,采用柔性化制作凸点技术具有成本低廉

14、,封装效率高,使用方便,灵活,工艺控制简单,自动化程度高等特点。不仅可解决微电子工业中可变加工批量、高密度、低成本封装急需的难题,还为目前正蓬勃兴起的RFID标签的柔性化生产提供条件。(3)RFID芯片互连方法 倒装芯片凸点与柔性基板焊盘互连可采用三种方式:各向同性导电胶(ICA)加底部填充,各项异性导电胶(ACA,ACF),不导电胶(NCA)直接压合钉头凸点的方法。 电子标签的封装（三）RFID标签封装设备标签封装设备 目前RFID产品的封装设备只有国外一些厂商提供,柔性基板的标签均选用从卷到卷的生产方式,该生产线包括基板进料、上胶、芯片翻转贴装(倒装)、热压固化、测试、基板收料等工艺流程。

15、另一种生产方式为先制造RFID模块,然后将其与天线基板进行键合组装。该方法由独立的可精密定位的芯片转移设备将芯片置于载带构成芯片模块,再由芯片模块将芯片转移至天线基板,其优点是两次转移可独立并行执行,芯片翻转通过载带的盘卷方式实现,因而生产效率得以提高。 电子标签的封装（四）封装形式封装形式(1)卡片类(PVC、纸、其他) 层压式,有熔压和封压两种。 (2)标签类 粘贴式,成品可制成为人工或贴标机揭取的卷标形式,是应用中最多的主流产品,即商标背面附着电子标签,直接贴在被标识物上。如航空用行李标签,托盘用标签等。吊牌式,对应于服装、物品采用吊牌类产品,特点是尺寸紧凑,可以回收。(3)异形类 金属

16、表面设置型,大多数电子标签不同程度地会受到金属的影响而不能正常工作。这类标签经过特殊处理,可以设置在金属上并可以读写。用于压力容器、锅炉、消防器材等各类金属件的表面。4 标签产品 TI（Texas Instruments）即美国德州仪器公司，TI是全球最大的RFID产品集成制造商。结合半导体产品的开发和封装的优势，提供低频、高频与超高频的所有无源RFID技术平台，以及感应器、读写器、天线、评估套件、附件、软件下载等产品，并提供快速、低成本的RFID解决方案，以方便客户开发和使用RFID技术。TI标签 目前以Tag-it电子标签高频13.56MHZ为主 其标签本身不需要另加电源只需借由卡片阅读机

17、天线发射的电磁波即可感应产生能量，将其自身的ID Code及资料发射予卡片阅读机接收。 高频Tag-it电子标签为一具有独立ID Code与可重复读写内存的无线射频感应识别标签。 主要应用于特快专递、航空行李管理、电子门票、汽车防盗、商品防伪、无接触付费、供应链管理等诸多方面。Tag-it系列高频Tag-it电子标签主要特点 每张Tag-it皆有一无法修改独立的ID Code Tag-it可重复读写达100，000次以上。 可重复读写内存共2kbits，分为64页，每页32bits，每页皆可单独修改或锁死，一旦锁死该页即可只能读取而不能修改。 Tag-it的构成为一芯片与软性电路板，其复制难度

18、极高。6000系列产品 6000系列采用了高频阅读器，工作在13.56MHz频率下，该系列包含了一 个 阅 读 器 、 天 线 和 应 答 器 。 工作遵循“阅读器通话优先”原则，即收发机一直保持沉默，直到电子标签发出请求要收发机回答。阅读器能够迅速识别出天线工作范围内的大量电子标签，能够对其进行数据读写。多协议收发器芯片S6700 S6700芯片是TI公司开发的正对电子标签读写的多协议收发器，它能够支持的通信协议包括：Tag-it、ISOIEC 15693-2、 ISOIEC 14443-2(A类)。 从功能上可划分为发送器、接收器、电源供应部分、参考时钟和外部振荡器、串行通信接口等几部分。

19、 发射器由5V直流电源供电，射频输出功率最大为200mW，它提供给用户的接口为标准数字接口，类似于SPI口，面向用户的控制接口主要有3根。 基于S6700的电子标签读写器具有成本低廉，稳定性好等特点，完全支持ISOIEC 15693协议的全部命令，并且实现了同时识别，若设计出功率放大器，读写距离可以达到lm左右，可满足门禁、校园一卡通等非高速识别应用场合的需要，在低成本应用领域有较广阔的应用空间。INSIDE电子标签 法国INSIDE公司主要从事非接触式智能卡与电子标签的研究和生产，在交通、访问控制、支付、身份和电子识别等方面提供各种解决方案。 INSIDE电子标签有三种形式：PICOTAG,

20、PICOPASS,PICOCRYPTPICOTAG系列 存储器：有8个独立的页面，2kb的应用区，由不同的密钥保护，可以合并为一个16kb的页面。 使用门形天线时，最大通讯距离可达1.5m；使用独立天线时可达70cm。 具备出色的抗冲突能力，可以处理现场同时出现的多个标识电子标签，以较低成本达到远距离通讯效果。 提供了额外的加密安全功能，可以用于内部数据的保护和芯片认证。使用2个独立密钥来保护2个不同的应用程序，有效防止末授权用户读取和修改芯片内存，以及芯片复制和模拟。同时可管理一个安全储存的数据区域的借贷事务。PICOPASS 系列 是2002年6月6日Inside 公司在亚太市场上推出首批

21、、也是唯一一种获得专利的16 kb/s非接触式芯片。这种芯片也符合芯片双向通信标准，用这种芯片可以进行近程和超近距离操作。 由于具有加密安全功能、多应用程序结构和电子钱包的功能， PICOPASS足以填补基于芯片的昂贵微处理器和容量较低的非接触式存储芯片之间的空白。PICOPASS系列 对于交通业，可以通过使用近程通信和乘客流邻近跟踪进行收费； 对于那些注重安全性、身份识别和访问控制的公司来说， PICOPASS的大存储量可以通过密码授权来存储那些受保护的指纹、签名和图像信息。 拥有超近程和近程的综合优点，一张公司卡就可以对停车记录、建筑物的进入以及自动购物支付和PC机登录进行管理。 PICO

22、PASS主要技术特点： 具有16Kbit的存储容量，可以满足那些需要大存储容量的应用程序。 使用ISO/IEC 14443（B）标准对超近程（10cm）进行快速访问，速度可达到424K/S；使用ISO/IEC 15693标准可以以26K/S的速度，进行远程（大于1m）访问。 对同一个应用程序，可以自动侦测通信标准，从而可以启用混合通信模式。 灵活和可配置的文件结构，该文件结构可以个性化地映射8个独立的2K页面或者一张16K页面。Philips标签 Philips公司在射频识别领域的重要产品是Mifare系列产品，而ICODE（高频）系列产品是该公司最主要的智能电子标签产品。 ICODE主要针对

23、大流量物流应用设计，如零售供应链管理、租赁和资产管理等。其芯片能够存储独特的数据，可以起到产品确认和防伪的作用。 ICODE系列产品主要有4类： ICODE1、ICODE1-HC、ICODE SLI和ICODE HSL。ICODE SLI 从物品识别方面看，国际上很多商品如CD、DVD、录像带、DVD等，都采用了以ICODE SLI为基础的系统加上防盗标签。 放在智能货架上的化妆品和食品贴上标签后，可提供实时库存和保质期控制，及时更新销售数据。 顾客忠诚卡应用，是顾客获取信息和多媒体服务。ICODE HSL ICODE系列中第一个能在UHF和2.45GHz范围内工作的成员，最先符合GTAG计划

24、下的ISO/IEC18000-4和ISO/IEC18000-6标准。 课用在跟踪货盘和货箱等方面，以改进库存管理。由于能读取7m以内的信息，能够识别从配送中心到商场内的所有产品。5 RFID软件软件是RFID技术的重要组成部分，主要包括： 底层支撑软件 通信软件 RFID中间件 上位机软件底层支撑软件 底层支撑软件即基于硬件模块的初始化及驱动程序，一般采用C语言进行编程，其主要内容有： 读写数据模块初始化 射频通信模块初始化 串口初始化 键盘扫描模块初始化 LED显示模块初始化通信软件 通信软件实现了读写器与电子标签以及读写器与上位机之间的信息交换，是RFID技术十分重要的一部分。其中读写器与电子标签间的软件功能主要包括： 控制读写器与电子标签的通信过程，即读写数据 执行防碰撞算法，实现多标签识别 对读写器与标签间传送的数据进行加密和解密 进行读写器与标签间的身份验证通信软件 在通信过程中，RFID编码以及空中接口协议是最重要的两部分。 国际上目前还没有统一的RFID编码规则，其中欧美的EPC标准和日本的UID标准是当今影响力最大的两个标准。 例如EAN13编码6901010101098其中690代表我国EA