射频识别技术RFID

1、 RFID射频识别技术题 目： RFID射频识别技术姓 名： 马崟班 级：2013级自动化4班学 号：2013550413提交日期：2015年11月7日摘要 RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。射频识别技术RFID是一种利用无线读写数据，借以识别物品的技术，它是无线通讯技术与半导体技术相结合的产物，是当前应用最广泛的非接触式自动目标识别技术之一。识别系统由阅读器和电子标签组成，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。RFID技术具有很强的环境适应性，抗干扰能力强，可全天候使用，几乎不受污染与潮湿的影响

2、，同时还避免了机械磨损。RFID标签数据存储容量大、信息处理速度快、存储信息可以自由更改，存储数据可以加密，标签无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证机具的安全性。另外，还可以用一些加密算法实现信息的安全管理，读写器与标签之间也可相互认证，实现安全通信和存储。RFID 技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。随着芯片技术、天线技术和计算机技术的不断发展，RFID系统的体积、功耗越来越小，成本越来越低，功能日趋灵活，操作快捷方便，加上其擅长多目标识别、运动目标识别，方便物品跟踪和管理的突出特点，在各种生产生活领域中得

3、到广泛的应用。在物流系统、零售行业、身份识别、交通管理农牧行业和医药行业等许多领域，RFID识别技术已经成为21世纪最热门的技术之一。关 键 词:RFID 板级标签 FPGA 状态机 ISO180006C 目录. RFID技术的发展3.RFID的应用4(l)电子标签方面4(2)阅读器方面4(3)系统种类方面4(4)标准化方面43.RFID射频识别技术的优势5（1） 快速扫描5（2） 体积小型化、形状多样化5（3） 抗污染能力和耐久性5（4） 可重复使用5（5） 穿透性和无屏障阅读5（6） 数据的记忆容量大5（7） 安全性5.RFID射频识别系统简介6(1)标签(Tag)7(2)读写器(Read

4、er)7(3)天线(Antenna)8射频识别系统的基本工作流程10数据传输方式11RFID标准121. RFID标准简介122. ISO/IEC 1569标准12曼彻斯特编码模块15. RFID技术的发展RFID射频识别技术实际上是一项较早的技术，比条形码还要古老，虽然被称之为新技术。在20世纪70年代的时候，RFID射频识别技术的理论已经得到了很大的发展，并且开始了一些尝试性的应用。20世纪末，许多无线射频识别系统在全球开始扩展，无线射频识别卡、无线射频识别标签在全球得到使用。在20世纪90年代，被动标签迅速发展。被动标签的应用包括：门禁控制系统、航班行李识别、汽车防盗、动物识别、电子商品

5、监视、文件跟踪、电子付费及运动计时等。直到几年前，被动标签的大多数应用使用的是射频频谱范围的低频(LF，Low Frequency)和高频(HF，High Frequency)段。到了20世纪90年代末，超高频(UHF，Ultra High Frequency)被动标签的出现把标签的读取速度和读取范围结合得更好，并且以较低的价格使得被动标签能走出原来的限制。从2001年至今，RFID标准化问题日趋为人们所重视。RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到了发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业不断扩大，RFID技术的理论得到了丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标

6、签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。特别是世界头号零售商沃尔玛宣布大范围使用RFID和美国军方宣布军需物品均使用RFID来进行识别和跟踪，极大的推动了RFID的研究和应用。目前国际上 RFID 应用以 LF 和 HF 标签产品为主。由于需求量大，利润可观，各个厂商纷纷研制不同类别的 RFID 产品，在性能和成本上下功夫。RFID 已经成为目前新技术的主流，新一代“超级 RFID”也已经应运而生。"超级 RFID"是一种传感器网络。传感器网络不是被动的标签技术，它能够用来对环境进行监测并记录相关资料。在需要的时候还能够在某些

7、参数超过临界值时向人们发出警报。我国集成电路设计业和制造业在近几年中取得了长足发展。在 RFID 芯片设计方面，已基本实现自主设计。国内 RFID 芯片设计公司主要有上海复旦微电子公司、上海华虹集成电路设计公司、北京清华同方集成电路设计公司等，但相互之间技术不公开。在芯片制造方面，也涌现出了上海华虹、复旦微电子、上海贝岭等优势企业，具有大量生产 RFID 芯片的能力。中国已基本掌握 HF 芯片的设计技术，UHF 芯片也已经完成开发。我国微电子产业起步相对较晚，对 RFID 原理的研究还不够深入和透彻，自主开发的 RFID 产品也相对不成熟。目前公开的有关电子标签芯片设计实现技术资料很少，相互之

8、间技术保密现象比较严重。在 13.56MHz RFID 系统中，支持 ISO/IEC 14443 协议的设计实现较多，但支持疏耦合系统、读写距离可达 1 米左右的 ISO/IEC 15693 协议的相对很少。现正值国家大力发展 RFID 事业，研究设计出支持 ISO/IEC 15693 协议的且读写距离远、成本低、功耗低的 RFID 芯片具有很强的现实意义。.RFID的应用(l)电子标签方面电子标签芯片所需的功耗更低，无源标签、半无源标签技术更趋成熟;作用距离更远;无线可读写性能更加完善;适合高速移动物品识别;快速多标签读写功能;一致性更好;强场强下的自保护功能更完善;智能性更强;成本更低。(

9、2)阅读器方面多功能(与条码识读集成、无线数据传输、脱机工作等);智能多天线端口;多种数据接口(RS232， RS422/485，USB，红外，以太网口);多制式兼容(兼容读写多种标签类型);小型化、便携式、嵌入式、模块化;多频段兼容;成本更低。(3)系统种类方面低频近距离系统具有更高的智能、安全特性;高频远距离系统性能更加完善，成本更低;2.45GHz，5.SGHz系统更加完善;无芯片系统。(4)标准化方面标准化基础性研究更加深入、成熟:标准化为更多企业所接受;系统、模块可替换性更好、更为普及。3.RFID射频识别技术的优势（1） 快速扫描 条形码识别技术一次只能扫描一个条形码，而 RFID

10、 射频识别技术支持批量处理，可同时识别数个 RFID 电子标签。 （2） 体积小型化、形状多样化 RFID 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID 标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。 （3） 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但 RFID 对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID 卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。 （4） 可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID 标签则可以重复地新增、修改、删

11、除 RFID 卷标内储存的数据，方便信息的更新。 （5） 穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，RFID 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。 （6） 数据的记忆容量大 一维条形码的容量是 50bytes，二维条形码最大的容量可储存 2 至 3000 字符，RFID 最大的容量则有数 MBytes。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。 （7） 安全性 由于 RFID 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保

12、护，使其内容不易被伪造及变造。 RFID 为各行业实时、动态、可视化管理提供有效手段。RFID 电子标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点。RFID 比传统的识别技术的高明之处在于，RFID 芯片内部的数据是可以更改的，这意味着不同流程的操作人员可以对 RFID 添加记录，从而得到更加完整的信息。同时，RFID 芯片可以做得非常小巧，使其与物体集成时更加方便。按照工作频率的不同，RFID 标签分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波频段(MW)的标签。.RFID射频识别系统简介 一般来说，射频识别系统包含射频标签(Tag)、读写器(Reader)和数据管理系统三部分。射

13、频标签由天线及芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，射频标签一般粘贴在待识别物体的表面,电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；读写器是可非接触地读取和写入标签信息的设备，它通过网络计算机系统进行通信，从而完成对射频标签信息的获取、解码、识别和数据管理，可设计为手持式或固定式, 读写器又称为读出装置，扫描器、通讯器、阅读器；数据管理系统主要完成数据信息的存储和管理，并可以对标签进行读写控制。数据管理系统可以由简单的小型数据库担当，也可以是集成了RFID管理模块的大型ERP(企业资源规划)数据库管理软件。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的

14、空间（无接触）耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。 图2.1射频识别系统的基本模型 Fig.2.1The basic model of RFID system (1)标签(Tag)由耦合元件和芯片组成，每个标签有唯一的电子编码，附着在物体上识别目标对象；通常电子标签由耦合元件以及 RFID 芯片组成，RFID 芯片主要由射频接口模块、数字控制模块和存储系统三部分组成，其结构如图 所示： 图 RFID 芯片系统结构 射频接口主要由调制电路、解调电路、时钟产生及复位电路以和电源产生电路四个功能模块组成。调制电路和解调电路用于实现信息在电磁信号和电信号之间的转换；时序产生电

15、路是为数字控制逻辑服务的，通过时钟恢复获得时钟信号，并分频产生调制电路和存储电路所需要的时钟信号。电源产生电路从阅读器发射的电磁波中提取能量给芯片内部电路使用，解决了电子标签内电路正常工作所需要的能量问题，为整个数字电路和存储系统提供稳定的电压。 数字控制模块主要实现对阅读器发出的信息进行解调、解码、校验、判断，并对解码后的指令进行相应的处理。它由收发控制模块（编解码子模块、CRC 子模块、移位寄存器等）、映射模块、状态机等模块组成。状态机是 RFID 芯片工作流程的控制中心；编解码子模块实现了对阅读器发来的数据脉冲位置解码和对电子标签需要发送的数据的曼彻斯特编码；CRC 子模块保证了数据交换

16、过程的完整性；映射模块实质上是一些特殊的数据通道，它将状态机、收发移位寄存器和存储器分别对应连接起来，实现数据和命令的分离。(2)读写器(Reader)也称为阅读器，用于产生发射无线电射频信号并接收由标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可以写入标签信息的设备。读写器的收发距离可长可短，根据它本身输出功率和使用频率的不同，从几厘米到几十米不等。 图 射频识别阅读器结构图 阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编解码；为精简电子标签芯片控制电路设计还可以执行防冲突算法；对电子标签与阅读器间要传送的数

17、据进行加密和解密，以及进行电子标签和阅读器间的身份验证等附加功能。高频模块主要通过无线射频自动捕获电子标签中的数据，完成收发信号的调制与解调。(3)天线(Antenna)在标签和读写器之间传递射频信号，控制数据的获取和通信，一般而言，天线都会和读写器整合在一起，可设计为手持式或固定式。以常见的交通卡为例，卡内嵌有一个电子标签，公交车上的读卡器内置了一个读写器和一根天线，其读写距离为10厘米左右，属于低频产品，成本相对较低。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如图2-2所示。电磁反向散射耦合。雷达原理模型

18、，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，如图2-3所示。 图 电感耦合 图 电磁耦合电感耦合方式一般适用于中、低频工作的短距离射频识别系统。典型的工作频率有125kHz、225kHz和13.56MHz，识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020cm。电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz，识别作用距离大于1m，典型作用距离为310m。在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据的交换。因此，在RFID工作的空间通道中

19、存在三种事件模型：以能量提供为基础的事件模型，以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型，以数据交换为目的的事件模型。以能量提供为基础的事件模型读写器向电子标签提供工作能量。对于无源标签来讲，当标签离开读写器的工作范围以后，电子标签由于没有能量的激活而处于休眠状态，当电子标签进入读写器的工作范围以后，读写器发出来的能量激活电子标签，电子标签通过整流的方法将接收到的能量转换为电能存储在电子标签中的电容里，从而为电子标签的工作提供了能量，完成数据的交换。对于有源标签来讲，有源标签始终处于激活状态，处于主动工作状态，和读写器发射出的电磁波相互作用，具有较远的识读距离。以时序方式实现数据交换的事件模型时

20、序指的是读写器和电子标签的工作次序。通常有两种时序:一种是RTF(Reader Talks First, 读写器先发言);另一种是TTF（Tag Talks First, 标签先发言)，这是读写器的防冲突协议方式.在一般状态下，电子标签处于“等待”或“休眠”工作状态，当电子标签进入读写器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转到“接收”状态，接收读写器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读写器。这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的电子标签被称为RTF方式;与此相反，进入读写器的能量场就主动发送自身序列号的电子标签被称为TTF方式。为了实现多标签无冲撞同时识读，对于R

21、TF的方式，读写器先对一批电子标签发出隔离指令，使得读写器识读范围内的多个电子标签被隔离，最后只保留一个电子标签处于活动状态，与读写器建立无冲撞的通信联系;通信结束后，读写器发出指令使该电子标签进入休眠，指定一个新电子的标签执行无冲撞通信指令。如此重复，完成多标签同时识读。对于TTF的方式，电子标签随机地反复发送自己的识别ID，不同的电子标签可在不同的时间段被读写器正确读取，完成多标签的同时识读。以数据交换为目的的事件模型读写器和标签之间的数据通信包括读写器向电子标签的数据通信和电子标签向读写器的数据通信。在读写器向电子标签的数据通信中，又包括离线数据写入和在线数据写入。无论是只读电子标签还是

22、可读写的电子标签，都存在离线写入的情况。这是因为，对于任何一只电子标签，都具有唯一的ID号，这个ID号对于标签来讲，是不可更改的。这样的ID号码可以在标签制造时由工厂固化写入(工厂编程)。对于数据的在线写入来讲，指的是可写标签。电子标签的可写性能对于系统提出了很高的技术要求，要求具有较大的能量、较短的写入距离、较慢的写入速度、较复杂的写入校验过程等。对于标签向读头的数据通信过程，其工作方式包括以下两种：(1)标签收到读头的射频能量时，即被激活并向读头反射标签存储的数据信息；(2)标签被激活后，根据读头指令转入数据发送状态或体眠状态。在这两种工作方式中，前者属于单向通信，后者属于半双工双向通信。

23、电子标签与阅读器构成的射频识别系统是为应用服务的，应用的需求可能多种多样，各不相同。阅读器与应用系统之间的接口通常用一组可由应用系统开发工具调用的标准接口函数来表示。射频识别系统的基本工作流程(l)读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射;(2)当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活，接收读写器的操作指令，将自身信息的代码经天线发射出去;(3)系统的接收天线接收电子标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给读写器。读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器;(4)电脑控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作;

24、(5)执行机构按照电脑的指令动作;(6)通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，可以根据不同的项目设计不同的软件来完成要实现的功能。图 为一种无源RFID的原理示意图 图 无源RFID的原理示意图数据传输方式从读写器到射频标签方向的数据传输过程中，所有已知的数字调制方法都可以选用，但该过程与工作频率和耦合方式无关。常用的数据调制解调方式有：幅移键控(Amplitude Shift Keying，ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)和相移键控(Phase Shift Keying，PSK)等方式。为简化射频标签设计并降低成本，多数射频识别系

25、统采用ASK调制方式。数据编码一般又称为基带数据编码，RFID系统常用的数据编码方式有以下几种：双反向不归零码(NRZ)、曼彻斯特编码(Manchester)、单极性归零编码(UnipolarRz)、差动双相编码(DBR)、米勒编码(Miller)、差动编码、脉冲宽度编码(Pule Widthmodulation，PWM)和脉冲位置编码(Pule Position modulation，PPM)每种编码都有其适用场合。RFID标准1. RFID标准简介由于目前还没有正式的RFID产品(包括各个频段)国际标准，因此，各个厂家推出的RFID产品互不兼容，造成了RFID产品在不同市场和应用上的混乱和

26、孤立，这势必对未来的RFID产品互通和发展造成障碍。标准化是推动RFID产业化进程的必要措施。射频标签的通信标准是标签芯片设计的依据，目前国际上与RFID相关的通信标准主要有:ISO/IEC 18000标准（包括7个部分，涉及125KHz,13.56MHz,433MHz,860960MHz,2.45GHz等频段），ISO11785（低频），ISO/IEC 14443标准（13.56MHz），ISO/IEC 15693标准（13.56MHz），EPC标准（包括Class0,Class1和GEN2等三种协议,涉及HF和UHF两种频段）,DSRC标准（欧洲ETC标准，含5.8GHz）。目前电子标签芯

27、片的国际标准出现了融合的趋势，ISO/IEC 15693标准已经成为ISO18000-3标准的一部分，EPC GEN2标准也已经启动向ISO18000-6Part C标准的转化。2. ISO/IEC 1569标准 ISO/IEC 15693 标准主要由物理特性、通信接口和初始化、防冲突和传输协议三部分组成。ISO/IEC 15693 标准定义了电子标签和阅读器之间的双向通信协议，其基本通信模型如图 所示 图 RFID 基本通信模型 RFID 系统的通信模型分为三层，从下到上依次为：物理层、通信层和应用层。物理层即空中接口部分，主要关心的是电气信号问题，例如频道分配、物理载波等；通信层定义了阅读

28、器与电子标签 Tag 之间双向交换数据和指令的格式，其中最重要的一个问题就是解决多个电子标签同时访问一个阅读器时的冲突问题；应用层用于解决和最上层应用直接相关的内容，包括认证、识别以及应用层数据的表示、处理逻辑等。通信过程为：电子标签进入阅读器的有效场后被激活；电子标签等待阅读器的指令；阅读器发送指令给电子标签；电子标签发送响应给阅读器。电子标签在被阅读器的电磁场激活的1ms内，应该做好准备从阅读器接收指令，阅读器在发送指令给电子标签之后的300us内，应该做好准备从电子标签接收响应。 图 阅读器和电子标签的通信模型数据通信的流程是发送方将要发送的数据组成帧，然后选用相应的编码方式对帧数据进行编码，并且为帧数据加上帧头和帧尾，最后进行调制发送；在接收方，首先将收到的调制信号进行解调，然后对信号进行解码和去帧头帧尾，最后得到帧数据。在 ISO/IEC 15693 协议标准中规定：每一个查询和响应都包含在一个帧中，帧头（SOF）和帧尾（EOF）将在下面定义。 每一个查询都包含以下的域：标志位（flag）、命令代码、与特定命令相关的特定可选参数域、应用数据域、CRC。请求帧格式如表 所示 表 请求帧格式在一个请求帧中，“标志”域描述了 VICC 应该执行的操作，以及相应的域是否出现。该域包含了 8 个 bit。请求标志域通知电子标签哪些可选数据将出现在请求帧中，并且确定了电子标签如何进