无线射频识别(RFID)技术---第3章_RFID读写器

1、 willtg. All rights reserved.第第3章章 RFID读写器读写器 willtg. All rights reserved. 读写器是射频识别系统中又一个非常重要的组成部分，读写器是射频识别系统中又一个非常重要的组成部分，它负责连接电子标签和计算机通信网络，与标签进行双向它负责连接电子标签和计算机通信网络，与标签进行双向数据通信，读取标签中的数据，或者按照计算机的指令对数据通信，读取标签中的数据，或者按照计算机的指令对标签中的数据进行改写。读写器的工作频率决定了整个射标签中的数据进行改写。读写器的工作频率决定了整个射频识别系统的工作频率，读写器的功率大小决定了整个射频识

2、别系统的工作频率，读写器的功率大小决定了整个射频识别系统的工作距离。频识别系统的工作距离。 1、读写器的功能、读写器的功能 2、读写器的基本组成、读写器的基本组成 3、读写器的、读写器的I/O接口形式接口形式 4、读写器的工作方式、读写器的工作方式 5、读写器的种类、读写器的种类 6、读写器的发展趋势、读写器的发展趋势第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved. 读写器之所以非常重要，这是由它的功能所决定的，它读写器之所以非常重要，这是由它的功能所决定的，它的主要功能有以下几点：的主要功能有以下几点： 实现与电子标签的通讯：实现与电子标签的通讯：最常见的就是

3、对标签进行读最常见的就是对标签进行读数，这项功能需要有一个可靠的软件算法确保安全性、可数，这项功能需要有一个可靠的软件算法确保安全性、可靠性等。除了进行读数以外，有时还需要对标签进行写入，靠性等。除了进行读数以外，有时还需要对标签进行写入，这样就可以对标签批量生产，由用户按照自己需要对标签这样就可以对标签批量生产，由用户按照自己需要对标签进行写入；进行写入； 给标签供能给标签供能:在标签是被动式或者半被动式的情况下，在标签是被动式或者半被动式的情况下，需要读写器提供能量来激活射频场周围的电子标签；阅读需要读写器提供能量来激活射频场周围的电子标签；阅读器射频场所能达到的范围主要由天线的大小以及阅

4、读器的器射频场所能达到的范围主要由天线的大小以及阅读器的输出功率决定的。天线的大小主要是根据应用要求来考虑输出功率决定的。天线的大小主要是根据应用要求来考虑的，而输出功率在不同国家和地区，都有不同的规定。的，而输出功率在不同国家和地区，都有不同的规定。1、读写器的功能、读写器的功能第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.实现与计算机网络的通讯：实现与计算机网络的通讯：这一功能也很重要，读写器能够利这一功能也很重要，读写器能够利用一些接口实现与上位机的通讯，并能够给上位机提供一些必用一些接口实现与上位机的通讯，并能够给上位机提供一些必要的信息；要的信息；实

5、现多标签识别：实现多标签识别：读写器能够正确的识别其工作范围内的多个读写器能够正确的识别其工作范围内的多个标签；标签；实现移动目标识别：实现移动目标识别：读写器不但可以识别静止不动的物体，也读写器不但可以识别静止不动的物体，也可以识别移动的物体；可以识别移动的物体；实现错误信息提示：对于在识别过程中产生的一些错误，读写实现错误信息提示：对于在识别过程中产生的一些错误，读写器可以发出一些提示；器可以发出一些提示；对于有源标签，读写器能够读出有源标签的电池信息，如电池对于有源标签，读写器能够读出有源标签的电池信息，如电池的总电量、剩余电量等。的总电量、剩余电量等。1、读写器的功能、读写器的功能第3

6、章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.典型的读写器终端一般由典型的读写器终端一般由天线天线、射频接口模块射频接口模块和和逻辑控制模块逻辑控制模块三三部分构成，其结构图如下所示：部分构成，其结构图如下所示：2、读写器的基本组成、读写器的基本组成第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.（1）天线）天线读写器的天线是发射和接收射频载波信号的设备；读写器的天线是发射和接收射频载波信号的设备；它主要负责将读写器中的电流信号转换成射频载波信号并它主要负责将读写器中的电流信号转换成射频载波信号并发送给电子标签，或者接收标签发送过来

7、的射频载波信号发送给电子标签，或者接收标签发送过来的射频载波信号并将其转化为电流信号；并将其转化为电流信号；读写器的天线可以外置也可以内置；读写器的天线可以外置也可以内置；天线的设计对阅读器的工作性能来说非常重要，对于无源天线的设计对阅读器的工作性能来说非常重要，对于无源标签来说，它的工作能量全部由阅读器的天线提供。标签来说，它的工作能量全部由阅读器的天线提供。2、读写器的基本组成、读写器的基本组成第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.目前，目前，RFIDRFID读写器的天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型三种基读写器的天线主要有线圈型、微带贴片型、

8、偶极子型三种基本形式。其中小于本形式。其中小于1 1m m的近距离应用系统一般采用工艺简单、成本低的线的近距离应用系统一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要适合工作在中低频段。而在圈型天线，它们主要适合工作在中低频段。而在1 1m m以上远距离的应用系以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型天线，这些类型的天线工作在高频及统需要采用微带贴片型或偶极子型天线，这些类型的天线工作在高频及微波频段。微波频段。 读写器天线可以外置也可以内置：读写器天线可以外置也可以内置： 对于近距离对于近距离RFIDRFID系统（如系统（如13.5613.56MHzMHz小于小于1010cmcm的识别

9、系统），天线的识别系统），天线一般和读写器集成在一起；一般和读写器集成在一起； 对于远距离对于远距离RFIDRFID系统（如系统（如UHFUHF频段大于频段大于3 3m m的识别系统），天线和读的识别系统），天线和读写器常采取分离式结构，通过阻抗匹配的同轴电缆将读写器和天线连接写器常采取分离式结构，通过阻抗匹配的同轴电缆将读写器和天线连接到一起。到一起。 与电子标签不同的是，读写器天线一般无尺寸要求，可选择的种类与电子标签不同的是，读写器天线一般无尺寸要求，可选择的种类较多。较多。第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.（2）射频接口模块）射频接口模块读

10、写器的射频接口模块主要包括发射器、射频接收器、时钟读写器的射频接口模块主要包括发射器、射频接收器、时钟发生器和电压调节器等。该模块是读写器的射频前端，同时发生器和电压调节器等。该模块是读写器的射频前端，同时也是影响读写器成本的关键部位，主要负责射频信号的发射也是影响读写器成本的关键部位，主要负责射频信号的发射及接收。及接收。其中的调制电路负责将需要发送给电子标签的信号加以调其中的调制电路负责将需要发送给电子标签的信号加以调制，然后再发送；制，然后再发送；解调电路负责将解调标签送过来的信号并进行放大；解调电路负责将解调标签送过来的信号并进行放大；时钟发生器负责产生系统的正常工作时钟。时钟发生器负

11、责产生系统的正常工作时钟。2、读写器的基本组成、读写器的基本组成第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.读写器的发射相关电路主要由调制电路、可变增益放大器、振荡器等组读写器的发射相关电路主要由调制电路、可变增益放大器、振荡器等组成，如图所示，石英晶体振荡器产生系统载波频率，并馈送到由已经编成，如图所示，石英晶体振荡器产生系统载波频率，并馈送到由已经编码的基带信号控制的调制级，进行码的基带信号控制的调制级，进行ASKASK调制，然后根据控制单元的微处调制，然后根据控制单元的微处理器发出的控制信号来选择可变增益放大器的增益，以确保输出耦合到理器发出的控制信号

12、来选择可变增益放大器的增益，以确保输出耦合到天线上的磁场强度能够在各标准允许的范围内切换，最后根据实际天线天线上的磁场强度能够在各标准允许的范围内切换，最后根据实际天线使用情况，设计相应的匹配电路。使用情况，设计相应的匹配电路。第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.在读写器接收部分，从天线耦合的负载调制信号首先进入一个选择控在读写器接收部分，从天线耦合的负载调制信号首先进入一个选择控制电路，根据控制单元的微处理器发出的控制信号来选择下一步的带通制电路，根据控制单元的微处理器发出的控制信号来选择下一步的带通滤波器和解调器。最后，解调后的信号通过电压比较电

13、路后送入解码电滤波器和解调器。最后，解调后的信号通过电压比较电路后送入解码电路。路。第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.（3）逻辑控制模块）逻辑控制模块读写器的逻辑控制模块是整个读写器工作的控制中心、智能读写器的逻辑控制模块是整个读写器工作的控制中心、智能单元，是读写器的单元，是读写器的“大脑大脑”， 读写器在工作时由逻辑控制模读写器在工作时由逻辑控制模块发出指令，射频接口模块按照不同的指令做出不同的操作。块发出指令，射频接口模块按照不同的指令做出不同的操作。它主要包括它主要包括微控制器、存储单元和应用接口驱动电路微控制器、存储单元和应用接口驱动电路

14、等。等。微控制器可以完成信号的编解码、数据的加解密以及执行防微控制器可以完成信号的编解码、数据的加解密以及执行防碰撞算法；碰撞算法；存储单元负责存储一些程序和数据；存储单元负责存储一些程序和数据；应用接口负责与上位机进行输入或输出的通信。应用接口负责与上位机进行输入或输出的通信。2、读写器的基本组成、读写器的基本组成第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.逻辑控制模块实现如下功能：逻辑控制模块实现如下功能： 1 1）对读写器和电子标签的身份进行验证；）对读写器和电子标签的身份进行验证； 2 2）控制读写器与电子标签之间的通信过程；）控制读写器与电子标签之

15、间的通信过程； 3 3）对读写器与电子标签之间传送的数据进行）对读写器与电子标签之间传送的数据进行加加 密和解密；密和解密； 4 4）实现与后端应用程序之间的接口规范；）实现与后端应用程序之间的接口规范； 5 5）执行防碰撞算法，实现多标签识别功能。）执行防碰撞算法，实现多标签识别功能。 第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved. 人们越来越多地采用数字信号处理器（人们越来越多地采用数字信号处理器（DSPDSP）来）来设计读写器。以控制处理模块作为设计读写器。以控制处理模块作为DSPDSP核心，辅以核心，辅以必要的附属电路，将基带信号处理和控制软件化。必要

16、的附属电路，将基带信号处理和控制软件化。随着随着DSPDSP版本的升级，读写器还可以实现对不同协版本的升级，读写器还可以实现对不同协议电子标签的兼容。议电子标签的兼容。 读写器与后端应用系统之间的数据交换通道可采读写器与后端应用系统之间的数据交换通道可采用串口用串口RS-232RS-232或或RS-485RS-485，也可以采用以太网接口，也可以采用以太网接口，还可以采用还可以采用WLAN IEEE 802.11WLAN IEEE 802.11等无线接口。目前等无线接口。目前的趋势是集成多通信接口方式。的趋势是集成多通信接口方式。第3章 RFID读写器 willtg. All rights r

17、eserved.下面以下面以UHF频段读写器为例，详细介绍一下读写器的射频模频段读写器为例，详细介绍一下读写器的射频模块是如何工作的。射频模块又可以分为块是如何工作的。射频模块又可以分为发射发射和和接收接收两部分。两部分。读写器的发射电路部分主要由混频器读写器的发射电路部分主要由混频器(Mixer)、数模转换器、数模转换器(DAC)、衰减器、衰减器(Attenuator)、可变增益放大器、可变增益放大器(VGA)、功、功率分配器率分配器 (Power Splitter)、射频滤波器、射频滤波器(Filter)、以及射、以及射频功率放大器频功率放大器(PA)。发射部分的工作过程如下：发射部分的工

18、作过程如下：（1）阅读器控制压控振荡器，产生出频率为）阅读器控制压控振荡器，产生出频率为860-96OMHZ的载波信号，然后把这个信号传送给功分器的载波信号，然后把这个信号传送给功分器;2、读写器的基本组成、读写器的基本组成第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.（2）功率分配器把要发射的信号分成两部分，一部分发送）功率分配器把要发射的信号分成两部分，一部分发送到接收电路，作为接收信号进行混频时的信号源，另外一到接收电路，作为接收信号进行混频时的信号源，另外一路则先经过衰减器再送到路则先经过衰减器再送到Mixer；（3）通过混频，使阅读器的基带信号控制传

19、送过来的载波）通过混频，使阅读器的基带信号控制传送过来的载波信号的幅度相位变化，然后经过可变增益放大器（信号的幅度相位变化，然后经过可变增益放大器（VGA）和射频滤波器以后，传至功率放大器和射频滤波器以后，传至功率放大器;（4）阅读器根据实际情况，自动调节发射信号的增益，然）阅读器根据实际情况，自动调节发射信号的增益，然后经过射频功率放大器进行放大，最后再经过环行器传送后经过射频功率放大器进行放大，最后再经过环行器传送到阅读器天线准备发射。到阅读器天线准备发射。 这里环行器的作用就是将阅读器天线接收到的信号与发这里环行器的作用就是将阅读器天线接收到的信号与发送的信号隔离开来，避免出现同频干扰。

20、送的信号隔离开来，避免出现同频干扰。2、读写器的基本组成、读写器的基本组成第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.读写器的接收部分主要包括功率分配器、混频器、模数转换读写器的接收部分主要包括功率分配器、混频器、模数转换器器(ADC)以及射频滤波器，接收部分的工作流程是：以及射频滤波器，接收部分的工作流程是：（1）由标签通过反向散射传递过来的信号通常功率比较小，）由标签通过反向散射传递过来的信号通常功率比较小，它会首先进入环行器，以便与阅读器发射的载波信号分离，它会首先进入环行器，以便与阅读器发射的载波信号分离，避免出现同频干扰。在通过射频滤波器后，进入到

21、功率分避免出现同频干扰。在通过射频滤波器后，进入到功率分配器，从这里出来的信号又分成了两路配器，从这里出来的信号又分成了两路;（2）从发射线路过来的未调制载波作为接收线路的本振信）从发射线路过来的未调制载波作为接收线路的本振信号，产生两路参考信号，两路参考信号的相位相差号，产生两路参考信号，两路参考信号的相位相差90。（3）两路参考信号与从第一步功分器分离出来的两路信号）两路参考信号与从第一步功分器分离出来的两路信号进行混频，生成两路基带信号，然后分别经过各自的运算进行混频，生成两路基带信号，然后分别经过各自的运算放大器和低通滤波器以后，返回到阅读器的信号处理单元放大器和低通滤波器以后，返回到

22、阅读器的信号处理单元进行相关处理。进行相关处理。2、读写器的基本组成、读写器的基本组成第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.一般读写器的一般读写器的I/O接口形式主要有：接口形式主要有：RS-232串行接口：计算机普遍适用的标准串行接口，能串行接口：计算机普遍适用的标准串行接口，能够进行双向的数据信息传递。它的优势在于通用、标准，够进行双向的数据信息传递。它的优势在于通用、标准，缺点是传输距离不会达到很远，传输速度也不会很快。缺点是传输距离不会达到很远，传输速度也不会很快。RS-485串行接口：也是一类标准串行通信接口，数据传串行接口：也是一类标准串行

23、通信接口，数据传递运用差分模式，抵抗干扰能力较强，传输距离比递运用差分模式，抵抗干扰能力较强，传输距离比RS-232传输距离较远，传输速度与传输距离较远，传输速度与RS-232差不多。差不多。以太网接口以太网接口：阅读器可以通过该接口直接进入网络。：阅读器可以通过该接口直接进入网络。USB接口接口：也是一类标准串行通信接口，传输距离较短，：也是一类标准串行通信接口，传输距离较短，传输速度较高。传输速度较高。3、读写器的、读写器的I/O接口形式接口形式第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.读写器主要有两种工作方式，一种是读写器先发言方式读写器主要有两种工

24、作方式，一种是读写器先发言方式（Reader Talks First，RTF），另一种是标签先发言方式），另一种是标签先发言方式（Tag Talks First，TTF ）。）。在一般情况下，电子标签处于等待或休眠状态，当电子标签在一般情况下，电子标签处于等待或休眠状态，当电子标签进入读写器的作用范围被激活以后，便从休眠状态转为接收进入读写器的作用范围被激活以后，便从休眠状态转为接收状态，接受读写器发出的命令，进行相应的处理，并将结果状态，接受读写器发出的命令，进行相应的处理，并将结果返回给读写器。返回给读写器。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这类只有接收到读写器特殊命令才

25、发送数据的电子标签被称为为RTF方式；方式；与此相反，进入读写器的能量场即主动发送数据的电子标签与此相反，进入读写器的能量场即主动发送数据的电子标签被称为被称为TTF方式。方式。4、读写器的工作方式、读写器的工作方式第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved. 如图是如图是RTFRTF的一种工作方式。应用软件作为主动方，而读写器则作为的一种工作方式。应用软件作为主动方，而读写器则作为从动方对应用软件的指令做出响应。而相对于电子标签，此时的读从动方对应用软件的指令做出响应。而相对于电子标签，此时的读写器是主动方。读写器工作区域内的电子标签接收到命令信号之后，写

26、器是主动方。读写器工作区域内的电子标签接收到命令信号之后，标签内芯片对此信号进行解调解码处理，然后对命令请求、密码、标签内芯片对此信号进行解调解码处理，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读取命令，控制逻辑电路则从存储器中读取权限等进行判断。若为读取命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码以及调制后通过标签内的天线发送给读写有关信息，经加密、编码以及调制后通过标签内的天线发送给读写器；读写器对接收到的标签信号进行解调、解码以及解密后送至计器；读写器对接收到的标签信号进行解调、解码以及解密后送至计算机处理。算机处理。第3章 RFID读写器 willtg. All right

27、s reserved.根据使用用途，各种读写器在结构上及制造形式上也是千差根据使用用途，各种读写器在结构上及制造形式上也是千差万别的。大致可以将读写器划分为以下几类：万别的。大致可以将读写器划分为以下几类：固定式读写器固定式读写器、OEM读写器、工业读写器、便携式读写器以及大量特殊读写器、工业读写器、便携式读写器以及大量特殊结构的读写器结构的读写器。（1）固定式读写器）固定式读写器固定式读写器是最常见的一种读写器。它是将射频控制器和固定式读写器是最常见的一种读写器。它是将射频控制器和高频接口封装在一个固定的外壳中构成的。有时，为了减少高频接口封装在一个固定的外壳中构成的。有时，为了减少设备尺寸

28、，降低成本，便于运输，也可以将天线和射频模块设备尺寸，降低成本，便于运输，也可以将天线和射频模块封装在一个外壳单元中，这样就构成了集成式读写器或者一封装在一个外壳单元中，这样就构成了集成式读写器或者一体化读写器。体化读写器。5、读写器的种类、读写器的种类第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.（2）OEM读写器读写器为了将读写器集成到用户自己的数据操作终端、为了将读写器集成到用户自己的数据操作终端、BDE终端、终端、出入控制系统、收款系统及自动装置等，需要采用出入控制系统、收款系统及自动装置等，需要采用OEM读读写器。写器。OEM读写器是装在一个屏蔽的白

29、铁皮外壳中向用户供货的，读写器是装在一个屏蔽的白铁皮外壳中向用户供货的，或者也可以是以无外壳的插件板的方式供货。或者也可以是以无外壳的插件板的方式供货。电子连接的形式大致有焊接端子、插接端子或螺丝旋接端子电子连接的形式大致有焊接端子、插接端子或螺丝旋接端子等。等。5、读写器的种类、读写器的种类第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.（3）工业读写器）工业读写器对于在安装或生产设备中的应用，需要采用工业读写器。对于在安装或生产设备中的应用，需要采用工业读写器。工业读写器大多具备标准的现场总线接口，以便容易集成到工业读写器大多具备标准的现场总线接口，以便容易

30、集成到现有设备中，它主要应用在矿井、畜牧、自动化生产等领域现有设备中，它主要应用在矿井、畜牧、自动化生产等领域。此外，这类读写器还满足多种不同的防护需要，现在即使。此外，这类读写器还满足多种不同的防护需要，现在即使是带有防爆保护的读写器也能买到。是带有防爆保护的读写器也能买到。（4）发卡机）发卡机发卡机也叫读卡器、发卡器等，主要用来对电子标签进行具发卡机也叫读卡器、发卡器等，主要用来对电子标签进行具体内容的操作，包括建立档案呢、消费纠正、挂失、补卡、体内容的操作，包括建立档案呢、消费纠正、挂失、补卡、信息纠正等，经常与计算机放在一起。从本质上说，发卡机信息纠正等，经常与计算机放在一起。从本质上

31、说，发卡机实际上是小型的射频读写器。实际上是小型的射频读写器。5、读写器的种类、读写器的种类第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved.（5）便携式读写器）便携式读写器便携式读写器是适合于用户手持使用的一类射频电子标签读便携式读写器是适合于用户手持使用的一类射频电子标签读写设备，其工作原理与其他形式的读写器完全一样。写设备，其工作原理与其他形式的读写器完全一样。便携式读写器主要用于动物识别，主要作为检查设备、付款便携式读写器主要用于动物识别，主要作为检查设备、付款往来的设备、服务及测试工作中的辅助设备。往来的设备、服务及测试工作中的辅助设备。便携式读写器一般

32、带有便携式读写器一般带有LCD显示屏，并且带有键盘面板以便显示屏，并且带有键盘面板以便于操作或输入数据。于操作或输入数据。通常可以选用通常可以选用RS-232接口来实现便携式读写器与接口来实现便携式读写器与PC机之间机之间的数据交换。的数据交换。除了在实验室中用于系统评估工作的最简单的便携式读写器除了在实验室中用于系统评估工作的最简单的便携式读写器以外，还有用于恶劣环境中的特别耐用并且带有防水保护的以外，还有用于恶劣环境中的特别耐用并且带有防水保护的便携式读写器。便携式读写器。5、读写器的种类、读写器的种类第3章 RFID读写器 willtg. All rights reserved. 随着随

33、着RFID技术的不断发展，未来的读写器也将朝着多功技术的不断发展，未来的读写器也将朝着多功能、多制式兼容、多频段兼容、小型化、多数据接口、便能、多制式兼容、多频段兼容、小型化、多数据接口、便携式、多智能天线端口、嵌入式和模块化的方向发展，而携式、多智能天线端口、嵌入式和模块化的方向发展，而且成本也将越来越低。且成本也将越来越低。（1）多功能）多功能 为了适应市场对射频识别系统多样性和多功能的要求，为了适应市场对射频识别系统多样性和多功能的要求，读写器将集成更多更加方便实用的功能。另外，为了适应读写器将集成更多更加方便实用的功能。另外，为了适应某些应用的方便，读写器将具有更多的智能性，具有一定某些应用的方便，读写器将具有更多的智能性，具有一定的数据处理能力，可以按照一定的规则将应用系统处理程的数据处理能力，可以按照一定的规则将应用系统处理程序下载到读写器中。这样，读写器就可以脱离中央处理计序下载到