射頻識別系統(tǒng)組成與工作原理

1、射頻識別系統(tǒng)組成與工作原理1射頻識別技術的簡介射頻識別系統(tǒng)的分類2射頻識別系統(tǒng)組成2.1標簽的組成%閱讀器的組成 3射頻識別系統(tǒng)工作原理3.1耦合方式3. 2通信流程3. 3標簽到閱讀器的數據傳輸方法1射頻識別技術的簡介射頻識別技術(Radio Frequency Identification , RFID),射頻識別技術 是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，射頻識別技術是一項利用射頻信號通 過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術?；镜腞FID系統(tǒng)至少包含閱讀器(Reader)和標簽(Tag)。RFID標簽由芯片與天線組成，每個標簽具有

2、唯一的電子編碼。標簽附著在物體上以標識目標對象。RFID閱讀器的主要任務是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接受標簽的應答，對標簽的識別信息進行處理。由于RFID技術巨大的應用前景，許多企業(yè)爭先研發(fā)。目前，RFIDB成為IT業(yè)界的熱點。各大軟硬件廠商，包括 IBM、MotorolaX Philips、Tl、OarcleK Sun、BEA、SAP在內的各家企業(yè)都對RFID技術及其應用表現出濃厚的興趣，相繼投 入大量的研發(fā)經費，推出各自的軟件和硬件產品機系統(tǒng)應用解決方案。在應用領域，以Wal-mart. UPS、Gielltte等為代表的大批企業(yè)己經開始準備采用RFID 技術對實際系統(tǒng)進行改造，以

3、提高企業(yè)的工作效率并為客戶提供各種增值業(yè)務。1.1射頻識別系統(tǒng)的分類RFID系統(tǒng)按照不同的原則有多種分類方法。依其采用的頻率不同可分為低頻系 統(tǒng)、中頻系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)三大類；根據標簽內是否裝有電池為標簽通信提供能量，又可將 其分為有源系統(tǒng)和無源系統(tǒng)兩大類；從標簽內保存的信息注入的方式可為分集成電路固化式、現場有線改寫式和現場無線改寫式三大類；根據讀取電子標簽數據的技術實現手段，可將其分為廣播發(fā)射式、倍頻式和反射調制式三大類。另 外還可依據標簽的材質、系統(tǒng)工作距離和閱讀器的工作狀態(tài)等方面對RFID系統(tǒng)進行分 類。以下是各主要分類方法的簡單描述:低頻系統(tǒng)，一般是指工作頻率在100-500kHz之間的

4、系統(tǒng)。典型的工作頻率 有： 125KHzs 134.2 KHz和225KHz等。其基本特點是標簽的成本較低、標簽內保存的數 據量較少、標簽外形多樣（卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀距離較短且速度較 慢、閱讀天線方向性不強等。其主要應用于門禁系統(tǒng)、家畜識別和資產管理等場合。中頻系統(tǒng)，一般是指工作頻率在1015MHz之間的系統(tǒng)。典型的工作頻段有： 13.56MHz=中頻系統(tǒng)的基本特點是標簽及閱讀器成本較高、標簽內保存的數據量較大、 閱讀距離較遠且具有中等閱讀速度、外形一般為卡狀、閱讀天線方向性不強。其主要應 用于門禁系統(tǒng)和智能卡的場合。高頻系統(tǒng)，一般是指工作頻率在850-950MHZ和2.4-5.

5、8 GHz之間的系統(tǒng)。典型 的工作頻段有：915MHz、2.4 5GHz和508GHz。高頻系統(tǒng)的基本特點是標簽內數據量 大、閱讀距離遠且具有高速閱讀速度、適應物體高速運性能好，但標 簽及閱讀器成本 較高且閱讀器與標簽工作時多為視距（line of sight）讀取問題。另夕卜，高頻系統(tǒng)較中、 低頻系統(tǒng)仍沒有較為統(tǒng)一的國際標準，因此在實施推廣方面還有許多工作要做。高頻系 統(tǒng)大多為采用軟襯底的標簽形狀，其主要應用在火車車皮監(jiān)視和零售系統(tǒng)等場合。有源系統(tǒng)，一般指標簽內裝有電池的RFID系統(tǒng)。有源系統(tǒng)一般具有較遠的閱讀距 離，不足之處是電池的壽命有限（310年）。無源系統(tǒng)，一般是指標簽中無內嵌電池

6、的RFID系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，標簽所需的能量由閱讀器發(fā)射的電磁波轉化而來。因此， 無源系統(tǒng)一般可做到免維護，但在閱讀距離及適應物體運速度方面無源系統(tǒng)較有源系統(tǒng) 略有限制。集成固化式標簽，其內的信息一般在集成電路生產時即將信息以R0MT藝模式注 入，其保存的信息是一成不變的。現場有線改寫式一般將標簽保存的信息，寫入其內部的 存貯區(qū)中，信息需改寫時要專用的編程器或寫入器，且改寫過程中必須為其供電?，F場 無線改寫式一般適用于有源類標簽，具有特定的改寫指令，標簽內保存的信息也位于其中 的存貯區(qū)。一般情況下改寫數據所需時間遠大于讀取數據所需時間。通常，改寫所需時 間為秒級，閱讀時間為毫秒級。廣播發(fā)射式系統(tǒng)

7、，實現起來最簡單。標簽必須采用有源方式工作，并實時將其貯 存的標識信息向外廣播，閱讀器相當于一個只收不發(fā)的接收機。這種系統(tǒng)的缺點是電子 標簽因須不停地向外發(fā)射信息，既費電，又對環(huán)境造成電磁污染，而且系統(tǒng)不具備安 全保密性。倍頻式系統(tǒng)，實現起來有一定難度。一般情況下，閱讀器發(fā)出射頻查詢信號，標 簽返回的信號載頻為閱讀器發(fā)出射頻的倍頻。這種工作模式對閱讀器接收處理回波信號 提供了便利，但是對無源系統(tǒng)來說，標簽將接收的閱讀器射頻信號轉換為倍頻回波載頻 時，其能量轉換效率較低。而提高轉換效率需要較高的微波技術，這就意味著更高的電子 標簽成本，同時這種系統(tǒng)工作須占用兩個工作頻點，一般 較難獲得無線電頻率

8、管理委員 會的產品應用許可。反射調制式系統(tǒng)，實現起來要解決同頻收發(fā)問題。系統(tǒng)工作時，閱讀器發(fā)出微波查詢（能量）信號，標簽（無源）將部分接收到的微波查詢能量信號整流為直流電供其內 部的電路工作，另一部分微波能量信號被標簽內保存的數據信息調制（ASK）后反射回 閱讀器。閱讀器接收到反射回的幅度調制信號后，從中解析出標 識性數據信息。系統(tǒng)工 作過程中，閱讀器發(fā)出微波信號與接收反射回的幅度調制 信號是同時進行的。反射回的信 號強度較發(fā)射信號要弱得多，因此技術實現上的難點在于同頻接收。2射頻識別系統(tǒng)組成如圖1所示，典型的RFID系統(tǒng)由標簽、閱讀器以及數據交換和管理系統(tǒng)組 成。對 于無源系統(tǒng)，閱讀器通過耦

9、合元件發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入該區(qū)域時通過耦合元件從中獲得能量以驅動后級芯片與閱讀器進行通信。閱讀器讀取標簽的自身編碼等信息并解碼后送至數據交換、管理系統(tǒng)處理。而對于有源系統(tǒng)， 標簽進入閱讀器工作區(qū)域后，由自身內嵌的電池為后級芯片供電以完成與閱讀器間的相應 通信過程。閱讀器應答器耦合元件（線圈微波大線）數據交換和管理系統(tǒng)圖1無源RFID系統(tǒng)原理圖2.1標簽的組成作為RFID系統(tǒng)中真正的數據載體，由耦合元件和后級芯片構成的標簽又可以分為 具有簡單存儲功能的數據載體和可編程微處理器的數據載體。前者是用狀 態(tài)機在芯片上實現尋址和安全邏輯，而后者則是用微處理器代替了標簽中不夠靈活的狀態(tài)機。

10、因此在功能模塊劃分的意義上二者是相同的。即電子數據載體的標 簽主要由 存放信息的存儲器、用于能量供應及與閱讀器通信的高頻接口、實現尋址和安全邏輯的 狀態(tài)機或是微處理器。電子數據載體標簽結構如圖2所示。1 高頻界面高頻界面在從閱讀器到標簽的模擬傳輸通路與標簽的數字電路間形成了模數轉換接 口。從這個意義上來說，高頻界面就如同數字終端與模擬通信鏈路間說一樣，如圖3所7J o咼頻界面地址和安全邏輯褲調器數據輸幾整流昂圖2電子數據載體標簽結構框圖時鐘彙統(tǒng)時鐘數據輸出ASK負載謖制駆圖3負載調制的電感耦合標簽高頻界面框圖從閱讀器發(fā)出的調制高頻信號，經解調器解調后輸出串行數據流以供地址和安全邏輯 電路進一步

11、加工。另外，時鐘脈沖電路從高頻場的載波頻率中產生用于后級電路工作的系 統(tǒng)時鐘。為了將數據載體的信息返回到閱讀器，高頻界面需包含有由傳送的數字信息控制的后 向散射調制器或是倍頻器等調制模塊。對于無源系統(tǒng)來說，標簽在與閱讀器通信過程中，是由閱讀器的高頻場為其提供所需 的能量。為此，高頻界面從前端耦合元件獲取電流，經整流穩(wěn)壓后作為電源供應芯片工 作。2、地址和安全邏輯地址和安全邏輯是數據載體的心臟，控制著芯片上的所有過程。圖4是地址和安全邏輯電路的基本功能模塊劃分圖。在標簽進入閱讀器高頻場并獲得足夠的工作能量時，通過上電初始化邏輯電路使得數據載體處于規(guī)定的狀態(tài)。 通 過I/O寄存器標簽與閱讀器進行數

12、據交換。加密模塊是可選的，其主要完成鑒別、數據加 密和密鑰管理的功能。數據存儲器則經過芯片內部總線與地址和安全邏輯電路相連。Vcc電源接通數據輸I/O寄存器數據輸岀加密部件專高頻界面系統(tǒng)時鐘ROM狀數據EEPROM態(tài)FERAM地址SRAM圖4地址和安全邏輯電路框圖標簽通過狀態(tài)機對所有的通信過程進行控制。狀態(tài)機是一種具有存儲變量狀態(tài)能力、執(zhí)行邏輯操作的自動裝置，其“程序化的過程”是通過芯片設計實現的。但芯片一旦制作 成型，狀態(tài)機的執(zhí)行過程便隨之確定。因此，此種地址和安全邏 輯設計多用在大量且固定 應用場合。3、存儲器結構對于電子數據載體而言，存儲器是存放標識信息的媒質。由于射頻識別技術的不斷進步

13、和應用范圍的不斷增加，出于不同的應用需求存儲器的結構也是品目眾多。以下是在RFID系統(tǒng)中應用較為典型的存儲器結構的簡單介紹。(1)只讀標簽只讀標簽構成RFID系統(tǒng)數據載體的低檔和低成本部分。當只讀標簽進入閱讀器的 工作范圍，標簽就輸出其自身的標識信息。一般來說，這個標識信息就是個簡單的序列 號。該序列號在芯片生產過程中已由廠家唯一置入。用戶既不能改 變其序列號，也不能對 芯片再寫入任何數據。(2)可寫入的標簽可寫入標簽的存儲量從I個字節(jié)到數千字節(jié)不等。但閱讀器對標簽的寫入和 讀出操作 大多是按組進行的。一般字組是事先規(guī)定好數目的字節(jié)組成。自組結構使得閱讀器對芯片 中存儲器的尋址更加簡單。為了修

14、改一個單獨的字節(jié)的數據，必須首先從標簽中讀出整個 字組，然后將包含修改字節(jié)的同一字組重新寫回標簽。除此之外，還有具有密碼功能的標簽、分段存儲器等等各種不同的標簽。2.2閱讀器的組成雖然所有RFID系統(tǒng)的閱讀器均可以簡化為兩個基本的功能塊：控制系統(tǒng)和由發(fā)送器 及接收器組成的高頻接口 （如圖5），但由于眾多的非接觸傳輸方法的存在使得閱讀器內 部的結構存在較大區(qū)別同。因此本文僅就閱讀器中的兩個基本模 塊的功能實現方面對閱讀 器的組成進行簡單的介紹。圖5閱讀器功能模塊圖數據載體1 高頻接口閱讀器的高頻接口主要完成如下任務：產生高頻的發(fā)射功率，以啟動標簽并為其提供 能量；對發(fā)射信號進行調制，用于將數據傳

15、送給標簽；接收并調制來自標簽的咼頻信號。 在咼頻接口中有兩個分隔開的信號通道，分別用于標簽兩個方向上的數據流。傳送到標簽 去的數據流通過發(fā)送器分支，而來自標簽的數據通過 接收器分支。不同的非接觸傳輸方 法，這兩個信號通道的具體實現有所不同。2、 控制單元閱讀器的控制單元擔負如下任務：與應用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應用系統(tǒng)軟件發(fā) 來的命令、控制與標簽的通信過程、信號的編碼與解碼。對于復雜系統(tǒng)，控制單元還可能具 有以下功能：1、執(zhí)行防沖突算法；2、對標簽與閱讀器之間要傳送的數據進行加密和解密；3、進行標簽與閱讀器之間的身份驗證等。4、應用系統(tǒng)軟件與閱讀器間的數據交換是通過RS232或RS485串口

16、進行的，而 閱讀器中的高頻接口與控制單元間的接口將高頻借口的狀態(tài)以二進制的形式表示出來。3射頻識別系統(tǒng)工作原理作為無線自動識別技術，RFID技術有許多非接觸的信息傳輸方法，主要從 耦合方式（能量或信號的傳輸方式）、標簽到閱讀器的數據傳輸方法和通信流程進 行分析比較。其中主要講述RFID系統(tǒng)閱讀器與標簽間耦合方式的工作原理3.1耦合方式1、電容耦合電容耦合方式，閱讀器與標簽間互相絕緣的耦合元件工作時構成一組平板電容。當標簽入時，標簽的耦合平面同閱讀器的耦合平面間相互平行（如圖6所示）電容耦合合只用于密耦合（工作距離小于1cm）的RFID系統(tǒng)中。ISO10536中就規(guī) 定了使用該耦合方法的密耦合I

17、C卡的機械性能和電氣性能。2、磁耦合磁耦合是現在使用的中、低頻RFID系統(tǒng)中最為廣泛的耦合方法，其中以13.56 MHz無源系統(tǒng)最為典型。閱讀器的線圈生成一個磁場，該磁場在標簽的線圈內感應出電壓 從而為標簽提供能量。這與變壓器的工作原理正好完全一樣，因此磁耦合也稱作電感耦 合。與高頻RFID系統(tǒng)不同的是，磁耦合RFID系統(tǒng)的工作區(qū)域是閱讀器傳輸天 線的“近 場區(qū)” o 一般說來，在單天線RFID系統(tǒng)中，系統(tǒng)的操作距離近似為傳輸天線的直徑。對 于距離大于天線直徑的點，其場強將以距離的3次方衰減。那就意味著如仍保持原有場強 的話，發(fā)射功率就需以6次方的速率增加。因此，此耦合主要用于密耦合或是遙耦合

18、（操 作距離小于Im）的RFID系統(tǒng)中。3、電磁耦合電磁輻射是作用距離在I m以上的遠距離RFID系統(tǒng)的耦合方法。在電磁輻 射場中， 閱讀器天線向空中發(fā)射電磁波，其時電磁波以球面波的形式向外傳播。置于工作區(qū)中的標 簽處于閱讀器發(fā)射出的電磁波之中并在電磁波通過時收集其中的部分能量。場中某點的可 獲得能量的大小取決于該點與發(fā)射天線之間的距離，同時能量的大小與該距離的平方成反 比。對于遠距離系統(tǒng)而一言，其工作頻率主要在UHF頻段甚至更高。從而閱讀器與標簽 之間的耦合元件也就從較為龐大且復雜的金屬平板或是線圈變成了一些簡單形式的天線， 如半波振子天線。這樣一來，遠距離RFID系統(tǒng)體積更小，結構更簡單。3.2通彳言流程在電子數據載體上，存儲的數據量可達到數千字節(jié)。為了讀出或寫入數 據，必須在標簽和閱讀器間進行通信。這里主要有三種通信流程系統(tǒng)：半雙工系統(tǒng)、全雙 工系統(tǒng)和時序系統(tǒng)。在半雙工法（HDX）中，從標簽到閱讀器的數據傳輸與從閱讀器到標簽的數據傳輸 交替進行。當頻率在30MHz以下時常常使用負載調制的半雙工法。在全雙工法（HDX）中，數據在標簽和閱讀器間的雙向傳輸是同時進行的。其中， 標簽發(fā)送數據所用的頻率為閱讀器發(fā)送頻率的幾分之一，即采用“分諧波",或是用一個 完全獨立的“非諧波”頻率。