电子标签课件

射频识别技术

RFIDTechnology第五章电子标签25.1电子标签简介5.1.1电子标签的特点与组成无线标签技术是一种非接触式的自动识别技术，它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，可工作于各种恶劣环境。无线标签技术可识别高速运动物体并可识别多个标签，操作快捷方便。RFID标签具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据量大、存储信息可以修改等优点。电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型小标签。标签中保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体表面。存储在芯片中的数据，由阅读器以无线电波的形式非接触的读取，并通过阅读器的处理器，进行信息解读并进行相关的管理。因此说，电子标签是一种非接触式的自动识别技术，是目前使用的条形码的无线版本。电子标签的应用将给零售、物流等产业带来革命性的变化。电子标签十分方便于大规模生产，并能够做到日常免维护。读写设备采用微波技术，同时收发电路成本低，性能可靠，是近距离自动识别技术实施的好方案。收发天线采用微带平板天线，便于各种场合安装且易于生产，天线环境适应性强，机械、电气性能好。RFID技术给零售、物流等产业带来了革命性的变化，因此条形码技术就受到了极大的冲击。条形码技术的主要突出问题和缺陷主要有：视距问题、信息容量小的问题、红外扫描识别带来的问题等。RFID技术关键在于可以让物品实现真正的自动化管理，不再像条形码那样需要逐个扫描。在RFID标签中存储着规范可互用的信息，通过无线数据通讯网络可以自动采集并连接到中央信息系统，RFID标签可以以任意形式附加在包装中，不需要像条形码那样占用固定空间。此外，RFID不需要人工识别标签，读卡器每250ms就可以从射频标签中读出位置和商品的信息。系统工作时，阅读器发出微波查询信号，电子标签收到微波查询能量信号后，将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制（ASK）后反射回阅读器。阅读器接收反射回的幅度调制信号，从中提取出的电子标签中保存的标识性数据信息。2组成电子标签与读写器之间通过电磁波进行通信，与其他通信系统一样，电子标签可以看做一个特殊的收发信机（Transceiver）。电子标签可以分为两个部分，即标签芯片和标签天线。标签天线的功能是收集阅读器发射到空间的电磁波，和将芯片本身发射的能量以电磁波的方式发射出去。标签芯片的功能是对标签接收的信号进行解调、解码等各种处理，并把电子标签需要返回的信号进行编码、调制等各种处理。5.1.2标签的技术参数RFID射频标签附着在待识别物体上，在RFID系统中，这是一种损耗件。在目前各个厂家制造的RFID系统中，除了个别厂家之外，绝大多数厂家的产品都互不兼容。对于较大的应用系统而言，标签的成本决定着整个系统的建设成本。射频电子标签由标签天线、芯片等采用特殊的封装工艺封装而成。根据射频标签的技术特征，针对标签的技术参数有：能量需求、读写速度、封装形式、内存、工作频率、传输速率和数据的安全性等。下面逐一介绍。（1）标签的能量需求标签的能量需求指激活标签芯片电路所需要的能量范围。在一定距离内的标签，激活能量太低就无法激活标签。（2）标签的传输速率标签的传输速率指的是标签向读写器反馈所携带的数据的传输速率及接收来自读写器的写入数据命令的速率。（3）标签的读写速度标签的读写速度由标签被读写器识别和写入的时间决定，一般为毫秒级，因此携带UHF标签的物体运动速度可以达到1~100m/s，即可以达到360km/h的速度。（4）标签的工作频率标签的工作频率指的是标签工作时采用的频率，即低频、中频、高频、超高频或微波等。（5）标签的容量标签的容量指的是射频标签携带的可供写入数据的内存量，一般可以达到1KB（1024Byte）的数据量。（6）标签的封装形式标签的封装形式主要取决于标签天线的形状，不同的天线可以封装成不同的标签形式，运用在不同的场合，并且具有不同的识别性能。表5-1射频识别系统的技术特征技术特征分类工作方式全双工系统/半双工系统/时序系统数据量大于1bit/电子标签可否编程读头/编程器数据载体EEPROM/FRAM/SRAM状态模式状态机/微处理器能量供应有源系统/无源系统（电池供电/射频场供电）频率范围低频/中高频/超高频/微波标签-读头数据传输方式次谐波/反向散射(负载调制)/其他标签应答频率n，1/n倍/1:1/多样化例1：有源双频系统工作原理：读头（阅读器）将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；双频标签进入低频的发射天线工作区域后被激活，同时将加密的载有目标识别码的高频加密载波信号经标签内的高频发射模块发射出去；接收天线接收到射频卡发来的载波信号，经读头接收处理后，提取出目标识别码送至计算机，完成预设的系统功能和自动识别，实现目标的自动化管理。1例2：无源双频系统iPico公司的专利产品无源双频系统，采用低频和高频两个频段进行工作，将两个频率特性集成到单一的双频标签和双频读头上，构成了双频无源系统。右图为一个门禁无源双频系统及天线。其体积小、系统紧凑，成本低廉，适用于会议签到、门禁控制、人员跟踪、人员管理等环境。人员可以通过佩戴胸卡或放置于衣袋中等形式的标签，无须刷卡系统就可以准确快速识别出标签，而且也具有良好的多目标识别能力。图5-2门禁无源双频系统2按工作频率分类（1）低频标签：典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。（2）高频标签：工作频率高于低频标签，无线电波较长（一般为几米），亦是典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。（3）超高频和微波标签：工作频率远高于低频和高频标签，工作波长较短（分米级或厘米量级），工作方式为电磁反向散射耦合方式。3按封装形式分类根据射频系统不同的应用场合及不同的技术性能参数，考虑到标签的成本、环境要求等，可以将射频识别标签封装成不同厚度、不同大小、不同形状的标签。此外，根据标签封装材质的不同，可以将标签制成以纸、PP、PET、PVC等材料形式。如，在物流管理中最好使用单面的不干胶标签；在门禁系统中最好使用ISO卡片形式的标签；在矿井安全管理中最好使用全封闭的塑料标签。下面进行详细介绍。4按照作用距离分类（1）密耦合标签：作用距离小于1cm的标签。（2）近耦合标签：作用距离约为15cm的标签。（3）疏耦合标签：作用距离约为1m的标签。（4）远距离标签：作用距离从1m到10m甚至更远的标签。5无芯片标签和SAW标签一般意义上的电子标签都包含有电子标签天线及标签电路。标签电路经过集成后，降低了电子标签的生产成本和整体功耗。以IC芯片为主要特征的电子标签不是唯一的电子标签形式。近年来，随着技术的发展，出现了无芯片标签。（1）声表面波SAW标签声表面波标签以声表面波器件为核心，克服了IC芯片工作时要求直流电源供电的缺陷，同样实现了电子标签的数据保存功能及无接触空间无限通信的功能。声表面波标签的工作原理：天线接收到的射频能量信号经SAW标签内部的变换器后形成激荡SAW存储数据条纹的脉冲，SAW激励神经脉冲经存储数据条纹图形反射后形成数据脉冲，数据脉冲再经过变换器体现为天线负载调制，阅读器经过解调反射的负载调制信号提取SAW电子标签的数据。例：RFSAWInc公司生产的SAW电子标签，采用铌化锂晶体作为声表面波器件的基地材料，适应射频读取的工作频率范围为1.7~2.5GHz。每个标签具有不可更改的唯一的标识UID。图5-3声表面波标签其主要特点有：

①成本比半导体RFIDIC芯片更低。②克服了半导体RFIDIC电子标签的成本、性能等限制。③具有可满足实用需要的足够长的电子标签识别代码UID。④具有足够远的阅读距离，具有取代条形码的优势。（2）无芯片电子标签无芯RFID标签指的是不含有IC芯片的射频识别标签。最具有前景的无芯标签的主要潜在优势在于其最终能以0.1美分的花费直接印在产品和包装上，才有可能在诸如包装消费品、邮递物品、药品和书籍等最大的RFID应用领域内全面实施，以更灵活可靠的特性取代每年十万亿使用量的条形码。无芯片电子标签最适宜使用的场合有物品管理（工厂名册、图书馆、洗衣店、药品、消费品、档案、邮件），大容量安全文档、空运包裹等高价值物流。无芯片电子标签的特点是超薄、低成本，存储数据量少。典型的实现技术有远程磁学技术（RemoteMagnetics）、层状非晶体管电路技术（LaminarTransistorlessCircuits）、层状晶体管电路技术等。因此，在选择天线的时候，必须考虑如下因素：（1）天线的类型。（2）天线的阻抗。（3）在应用到电子标签上时的射频性能。（4）在有其他的物品围绕标签物品时的射频性能。在实际应用中，标签的使用方式有两种，一种是标签移动，通过固定的阅读器进行识别；一种是标签不动，通过手持机等移动的阅读器来进行识别。在一个电子标签中，标签面积主要是由天线面积决定的。然而天线的物理尺寸受到工作频率电磁波波长的限制，如超高频（900MHz）的电磁波波长为30cm，因此应该在设计时考虑到天线的尺寸，一般设计为5~10cm的小天线。此外，考虑到天线的阻抗问题、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大功率进行传输数据，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗相匹配。因此在电子标签中应该使用方向性天线，而不是全向天线，方向性天线具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。

5.2.2电子标签天线的分类RFID电子标签主要有线圈型、微带贴片型和偶极子型三种。工作距离小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，工作在中、低频段。工作在1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子的RFID天线，工作在高频及微波频段。1线圈型某些应用要求RFID的线圈天线外形很小，且需要一定的工作距离，如动物识别。为了增大RFID与读写器之间的天线线圈互感量，通常在天线线圈内部插入具有高磁导率μ的铁氧体材料，来补偿线圈横截面小的问题。2微带贴片天线微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体构成的。微带贴片天线质量轻，体积小，剖面薄，其馈线方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源电路集成一体化等特点成为了印刷天线的主流。微带贴片天线适用于通信方向变化不大的RFID应用系统中。3偶极子天线在远距离耦合的RFID系统中，最常用的为偶极子天线。信号从偶极子天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁场。偶极子天线分为四种类型，分别为半波偶极子天线、双线折叠偶极子天线、三线折叠偶极子天线和双偶极子天线。半波偶极子三线折叠偶极子双偶极子双线折叠偶极子图5-4四种类型的偶极子天线5.3.2射频前端电子标签芯片的射频前端除了提供阅读器与电子标签数字模块的传输接口之外，还提供数字电路的电源，其主要功能有：（1）把由标签天线端输入的射频信号整流为供标签工作的直流能量。（2）对射频输入的AM调制信号进行包络检波，得到所需信号包络，供后级模拟端比较电路工作使用。（3）射频前端模块还需将数字基带送来的返回信号对天线端进行调制反射。5.3.3模拟前端电子标签芯片的模拟前端在射频前端和数字电路之间，包括稳压电路、偏置及时钟电路和包络信号迟滞比较电路。其主要功能有：（1）为芯片提供稳定的电压。（2）将射频输入端得到的包络信号进行检波，得到数字基带所需的信号。（3）为数字基带信号提供上电复位信号。（4）提供芯片的稳定偏置电流。（5）为数字基带提供稳定的时钟信号。5.3.4数字控制模块数字部分由PPM译码模块、命令处理模块、CRC模块、主状态机、编码模块、防碰撞控制、映射模块、通用寄存器、专用寄存器、EEPROM接口组成。其主要功能是处理模拟解调后的数据，负责与EEPROM及与阅读器的通信。图5-6数字基带的组成电子标签的状态转移：（1）未上电状态：当电子标签不能从阅读器处获得足够的能量来使它复位进入就绪状态时。（2）就绪状态：电子标签从阅读器处获得足够的能量使它提取足够的电源并复位后进入的状态，可以相应选择标志置“0”的请求。（3)休眠状态：电子标签处于该状态时，除了询问标志置“