【文章內(nèi)容簡介】 １３４．２ＫＨｚ。該頻段的波長大約為２５００ｍ；２．除了金屬材料影響外，一般能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離；３．工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制；４．低頻產(chǎn)品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價(jià)格太貴，但是有１０年以上的使用壽命；５．雖然該頻率的磁場(chǎng)區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對(duì)均勻的讀寫區(qū)域；６．相對(duì)于其他頻段的ＲＦＩＤ產(chǎn)品，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢；７．感應(yīng)器的價(jià)格相對(duì)與其他頻段來說要貴。高頻系統(tǒng)的工作頻率提升到１３．５６ＭＨｚ，感應(yīng)器一般通過負(fù)載調(diào)制的方式進(jìn)行工作。也就是通過感應(yīng)器上的負(fù)載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)用遠(yuǎn)距離感應(yīng)器對(duì)天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。如果通過數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和斷開，那么這些數(shù)據(jù)就能夠從感應(yīng)器傳輸?shù)阶x寫器。高頻系統(tǒng)的特性：１．工作頻率為１３．５６ＭＨｚ，該頻率的波長大概為２２ｍ；２．除了金屬材料外，該頻率的波長可以穿過大多數(shù)的材料，但是往往會(huì)降低讀取距離。感應(yīng)器需要離開金屬一段距離；３．該頻段在全球都得到認(rèn)可并沒有特殊的限制；４．感應(yīng)器一般是電子標(biāo)簽的形式；５．雖然該頻率的磁場(chǎng)區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對(duì)均勻的讀寫區(qū)域；６．該系統(tǒng)具有防沖撞特性，可以同時(shí)讀取多個(gè)電子標(biāo)簽；７．可以把某些數(shù)據(jù)信息寫入標(biāo)簽中；８．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率比低頻要快，價(jià)格不是很貴。超高頻系統(tǒng)的工作頻率為８６０ＭＨｚ到９６０ＭＨｚ之間，超高頻系統(tǒng)通過電場(chǎng)來傳輸能量。電場(chǎng)的能量下降不是很快，但是讀取的區(qū)域不是很好進(jìn)行定義。該頻段讀取距離比較遠(yuǎn)，無源可達(dá)１０ｍ左右。特性為：１．在該頻段，全球的定義不是很相同一一歐洲和部分亞洲定義的頻率為８６８ＭＨｚ，北美定義的頻段為９０２到９０５ＭＨｚ之間，在Ｒ本建議的頻段為９５０到９５６１ｌ電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文之間。該頻段的波長大概為３０ｃｒｎ左右；２．目前，該頻段功率輸出目前統(tǒng)一的定義（美國定義為４Ｗ，歐洲定義為５００ｍＷ），可能歐洲限制會(huì)上升到２ＷＥＩＲＰ；３．超高頻頻段的電波不能通過許多材料，特別是水，灰塵，霧等懸浮顆粒物資；４．電子標(biāo)簽的天線一般是長條和標(biāo)簽狀，天線有線性和圓極化兩種設(shè)計(jì)，滿足不同應(yīng)用的需求；５．該頻段有好的讀取距離，但是對(duì)讀取區(qū)域很難進(jìn)行定義；６．有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在很短的時(shí)間可以讀取大量的電子標(biāo)簽。ＲＦＩＤ的另一個(gè)重要特征是ＲＦＩＤ標(biāo)簽的供電。有源標(biāo)簽的內(nèi)部裝有電池，為微芯片的工作提供能量。當(dāng)ＲＦＩＤ閱讀器和標(biāo)簽相距較遠(yuǎn)時(shí)，閱讀器也能讀取標(biāo)簽發(fā)出的數(shù)據(jù)，不足之處是電池壽命有限，需更換，并且會(huì)占用標(biāo)簽的一定空間。而無源標(biāo)簽工作所需的能量全部來自于閱讀器的電磁場(chǎng)中，標(biāo)簽芯片的設(shè)計(jì)需要包含這一供電環(huán)節(jié)。另外，ＲＦＩＤ系統(tǒng)還可以按照能否寫入標(biāo)簽數(shù)據(jù)來分類。一個(gè)能對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作的ＲＦＩＤ閱讀器，稱之為ＲＦＩＤ讀寫器更為貼切，不過習(xí)慣上我們還是使用閱讀器這個(gè)說法。另外標(biāo)簽本身能否讀寫主要取決于標(biāo)簽芯片所攜帶的數(shù)據(jù)記錄載體，如固化不可再寫入的標(biāo)簽芯片一般在集成電路生產(chǎn)時(shí)就將信息以ＲＯＭ工藝模式注入，而可重復(fù)擦寫的標(biāo)簽芯片一般采用ＥＥＰＲＯＭ或者ＦＲＡＭ作為數(shù)據(jù)載體【１０１。２．３ＲＦＩＤ讀寫器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)２．３．１ＲＦＩＤ讀寫器的硬件構(gòu)成和各部分功能ＲＦＩＤ閱讀器的功能是啟動(dòng)射頻標(biāo)簽，并與標(biāo)簽建立通信與交互數(shù)據(jù)。一個(gè)經(jīng)典的ＲＦＩＤ系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖２．４所示：１２第二章砒Ｄ基本原理和ＩｕＦⅢ閱讀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖２－４ＲＦＩＤ系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖可以看出，要完整的實(shí)現(xiàn)ＲＦＤ閱讀器的功能，一個(gè)閱讀器系統(tǒng)至少需要包含四個(gè)模塊，即天線、射頻前端、控制模塊和接口部分。按照信號(hào)類型劃分，我們通常將天線和射頻模塊統(tǒng)一起來劃分到模擬部分，而控制和處理的模塊劃分到數(shù)字部分。同時(shí)，如果讀寫器本身要求實(shí)現(xiàn)一些應(yīng)用上的功能，它還應(yīng)該集成一定的應(yīng)用模塊在其中。在功能上講，模擬部分負(fù)責(zé)和標(biāo)簽之間的通信，而數(shù)字部分需要控制整個(gè)通信過程以及處理來往的數(shù)據(jù)，下面分別介紹模擬部分和數(shù)字部分的硬件構(gòu)成以及它們的主要功能。２．３．１．１模擬部分根據(jù)閱讀器和標(biāo)簽之間能量和數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，閱讀器的模擬部分又可以分為電感耦合系統(tǒng)、微波表面波系統(tǒng)和時(shí)序系統(tǒng)。但閱讀器的原理相似，下面以電感耦合系統(tǒng)為例進(jìn)行討論。模擬部分的發(fā)送、接收過程及功能模塊構(gòu)成如圖２－５所示：電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圈圈圓圈因圍圍……回…￡蛩圖２－５ＲＦＩＤ閱讀器模擬部分發(fā)送接收方框圖模擬部分的功能有：１．產(chǎn)生高頻的發(fā)送功率，啟動(dòng)標(biāo)簽并為它提供能量；２．對(duì)發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標(biāo)簽；３．接收并解調(diào)來自標(biāo)簽的高頻信號(hào)。對(duì)于發(fā)送部分，首先由頻率穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生所需的工作頻率，震蕩信號(hào)被饋送到由信號(hào)編碼的基帶信號(hào)控制調(diào)制器。對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行ＡＳＫ或ＦＳＫ調(diào)制，變?yōu)椋停幔睿悖瑁澹螅簦澹?、Ｍｉｌｌｅｒ或者ＮＰ，Ｚ碼。同時(shí)發(fā)送部分將此基帶信號(hào)送到頻率合成器，經(jīng)功率放大輸出使調(diào)制后的信號(hào)達(dá)到所需電平，耦合到震蕩線圈輸出。接收端則采用隔開的信號(hào)信道接收震蕩線圈上收到的微弱信號(hào)，將此微弱信號(hào)放大、濾除雜波，經(jīng)過混頻提取出基帶信號(hào)，然后經(jīng)過ＡＳＫ或ＦＳＫ的解調(diào)后可以得到來自標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息?？梢钥闯觯M部分的硬件構(gòu)成其實(shí)是一個(gè)發(fā)送、接收機(jī)系統(tǒng)，不同于其他發(fā)送、接收機(jī)的一點(diǎn)是它需要向其通信對(duì)象提供工作所需能量。２．３．１．２數(shù)字部分從功能上來看，ＲＦＩＤ閱讀器的數(shù)字部分因該是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，必然包括處理器、存儲(chǔ)器、控制端口和數(shù)據(jù)端口這幾個(gè)組成部分。圖２－６是一個(gè)典型的數(shù)字部分的示意圖，任何一個(gè)ＲＦＩＤ閱讀器，其數(shù)字部分都應(yīng)至少包含圖中所示的這些模塊。１４第二章ＲＦＩＤ基本原理和ＲＦＩＤ閱讀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入圖２－６ＲＦＩＤ閱讀器數(shù)字部分構(gòu)成數(shù)字部分主要完成的任務(wù)有：１．與系統(tǒng)軟件通信，執(zhí)行系統(tǒng)軟件命令；２．控制與應(yīng)答器的通信；３．信號(hào)的編碼與解碼；４．執(zhí)行反碰撞算法；５．?dāng)?shù)據(jù)的加密與解密；６．進(jìn)行應(yīng)答器與閱讀器的身份驗(yàn)證。通過上述分析可以得出，數(shù)字部分可以是一個(gè)ＰＣ系統(tǒng)，也可以是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，甚至可以簡化成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)上，怎樣構(gòu)建一個(gè)ＲＦｌＤ閱讀器的數(shù)字部分，主要取決于與模擬部分的接口匹配問題、處理和控制能力問題以及系統(tǒng)特征和功能上的要求。２．３．２ＲＦＩＤ閱讀器的軟件部分及其功能對(duì)于一個(gè)ＲＦＩＤ閱讀器來說，無論是ＰＣ系統(tǒng)、嵌入式平臺(tái)或是單片機(jī)系統(tǒng)，都必然需要相應(yīng)的軟件來與硬件系統(tǒng)配合，才能實(shí)現(xiàn)閱讀器所需的功能。而軟件的復(fù)雜程度，取決于使用者對(duì)控制和應(yīng)用功能的需求。按照層次劃分的ＲＦＩＤ閱讀器軟件構(gòu)成如圖２．７所示：１５電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文用戶界面應(yīng)用程序硬件控制和驅(qū)動(dòng)程序操作系統(tǒng)圖２－７閱讀器軟件構(gòu)成對(duì)于任何軟件工程來說，操作系統(tǒng)和平臺(tái)的選擇和構(gòu)建都是至關(guān)重要的。ＲＦＩＤ閱讀器的軟件，最簡單的可以簡化到只有控制數(shù)據(jù)接收解碼然后傳送給上位機(jī)，復(fù)雜的可能需要涉及實(shí)時(shí)控制、顯示、報(bào)警、通訊和組網(wǎng)等各種功能。所以，操作系統(tǒng)的選取和構(gòu)建除了需要適合硬件平臺(tái)之外，還需要考慮使用功能上的要求。對(duì)于ＰＣ平臺(tái)，常用的Ｗｉｎｄｏｗｓ和Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)可以適應(yīng)絕大多數(shù)的硬件平臺(tái)，功能上也可以有相當(dāng)豐富的資源和開發(fā)工具。然而ＰＣ系統(tǒng)的體積和功耗制約了其在ＲＦＩＤ閱讀器領(lǐng)域的發(fā)展。通常的ＲＦＩＤ閱讀器是以單片機(jī)、ＡＲＭ等微處理器構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)。這樣一來，承載ＲＦＩＤ閱讀器軟件的一般是一些嵌入式操作系統(tǒng)如Ｌｉｎｕｘ、ＷｉｎＣＥ等。一些簡單的閱讀器也可能采用無操作系統(tǒng)的模式。在操作系統(tǒng)之上，控制和驅(qū)動(dòng)程序是軟件和硬件相接口的部分，此部分軟件的設(shè)計(jì)，需要詳細(xì)了解所針對(duì)硬件的接口標(biāo)準(zhǔn)和控制端口的信息。此層面的軟件把上層應(yīng)用軟件的控制命令下發(fā)到硬件，同時(shí)接收發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后上傳給需要數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)處理來自用戶的控制要求并下發(fā)，同接收下層傳回的數(shù)據(jù)并反饋給用戶。同時(shí)針對(duì)不同功能的應(yīng)用程序之間需要協(xié)商處理器和存儲(chǔ)器資源的分配以及彼此交換所需的數(shù)據(jù)。用戶界面主要是為用戶提供一個(gè)操作和顯示反饋信息的平臺(tái)。２．４基于不同頻段的ＲＦｌＤ閱讀器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上的不同點(diǎn)比較由于工作在低頻、高頻和超高頻下的ＲＦＩＤ系統(tǒng)，其耦合方式、數(shù)據(jù)速率、操１６第二章ＲＦＩＤ基本原理和ＲＦＩＤ閱讀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作距離等方面都有比較顯著的差異，所以在進(jìn)行不同頻段的ＲＦＩＤ讀寫器的設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)各部分都會(huì)存在或多或少的不同，下面分別說明。１．模擬部分比較首先是天線設(shè)計(jì)上存在很大差異：采用電感耦合方式的低頻和高頻ＲＦＩＤ閱讀器，在讀寫器線圈和感應(yīng)器線圈間存在著變壓器耦合作用。通過讀寫器交變場(chǎng)的作用在感應(yīng)器天線中感應(yīng)的電壓被整流，可作供電電壓使用。此類天線一般為電感量較大的線圈，對(duì)電感量和Ｑ值有一定的要求。對(duì)于低頻閱讀器，傳統(tǒng)上一般采用繞制的方式，如果須印制在ＰＣＢ上，須占用較多ＰＣＢ信號(hào)層和電路板面積。而使用電磁反向散射耦合方式的ＵＨＦ閱讀器天線，其對(duì)射頻特性的要求較高，主要考慮天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題，但此類天線普遍面積不大，可以方便的制作在ＰＣＢ上。此類天線必須滿足：１）足夠的小以至于能夠放置到較小的空間；２）有全向或半球覆蓋的方向性；３）提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；除天線之外，模擬部分還要完成編碼、調(diào)制、濾波、功率檢測(cè)等任務(wù)，本文后面將介紹一款成熟的１２５ｋＨｚ頻率ＲＦＩＤ模擬前端芯片ＥＭ４０９５的電路和驅(qū)動(dòng)。此類的模擬前端芯片，能夠完成天線上的模擬信號(hào)和數(shù)字部分基帶信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)換的全部工作，實(shí)際應(yīng)用中使用非常廣泛。２．?dāng)?shù)字部分比較：相較于模擬部分，ＲＦＩＤ閱讀器的數(shù)字部分在對(duì)應(yīng)不同頻率的模擬前端時(shí)，其差異要小一些。在與模擬前端相匹配時(shí)，數(shù)字部分需要能滿足處理速度、數(shù)據(jù)傳輸速度、接口標(biāo)準(zhǔn)匹配等問題。另外，數(shù)字部分的設(shè)計(jì)也需要考慮實(shí)際的使用和其他接口及功能的要求。２．５完整的ＲＦＩＤ閱讀器設(shè)計(jì)思路和步驟通過對(duì)ＲＦＩＤ閱讀器構(gòu)成和功能的詳細(xì)分析，下面提出一系列關(guān)于ＲＦＩＤ閱讀器設(shè)計(jì)的思路和步驟。在設(shè)計(jì)之前，首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，即弄清楚需要實(shí)現(xiàn)哪些功能，１７電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文達(dá)到怎樣的指標(biāo)，這樣，才可能在選擇硬件電路和軟件平臺(tái)時(shí)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)和方向。然后需要對(duì)系統(tǒng)的其他一些需求如功耗、體積和成本等進(jìn)行分析，這主要關(guān)乎到硬件的設(shè)計(jì)。結(jié)合前面的功能需求分析，來選取合適的硬件平臺(tái)。模擬部分的設(shè)計(jì)：在條件允許的前提下，這部分可以自行設(shè)計(jì)，包括天線和發(fā)送接收機(jī)的設(shè)計(jì)，這樣做的不足之處在于需要的設(shè)計(jì)時(shí)間較長，因?yàn)樾枰獓?yán)格按照所需讀取的標(biāo)簽所使用的ＲＦＩＤ標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)閱讀器和標(biāo)簽芯片之間的匹配，設(shè)計(jì)和調(diào)試都比較耗時(shí)。另一個(gè)方法是使用成熟的模擬前端芯片，并按照其要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的天線即可。數(shù)字部分的設(shè)計(jì)：數(shù)字部分通常圍繞一顆微處理器芯片來構(gòu)建，所以選擇一塊合適的處理核心是此部分首要任務(wù)。在經(jīng)過功耗、成本和開發(fā)環(huán)境等考慮的前提下，選擇ＭＣＵ時(shí)，主要考慮的因素還有：處理速度和能力、ＩＯ口的數(shù)目、總線和接口資源、集成的模塊和功能等。選定ＭＣＵ后，再選取匹配的儲(chǔ)存器并設(shè)計(jì)電路，這樣就構(gòu)成了數(shù)字部分的核心，此后按照功能的要求設(shè)計(jì)其他模塊，如對(duì)外的接口、顯示和按鍵枯奇。除了處理能力、系統(tǒng)功能和接口方面的考慮，還需要思考的一個(gè)問題是開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建，因?yàn)闊o論是何種的硬件構(gòu)成，都需要一個(gè)完整可靠的開發(fā)和調(diào)試平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行硬件電路的調(diào)試以及軟件系統(tǒng)的構(gòu)建和開發(fā)。最好選擇比較成熟，具有完善開發(fā)和調(diào)試工具的平臺(tái)。硬件設(shè)計(jì)完成后，首先要做的是控制和驅(qū)動(dòng)程序的編寫與調(diào)試，因?yàn)闊o論以什么操作系統(tǒng)為平臺(tái)，能否打通軟件和硬件之間的接口都是一個(gè)關(guān)鍵。在無操作系統(tǒng)的狀態(tài)下，能夠驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)行正常的工作，才有可能做接下來的工作。在這個(gè)過程中，同時(shí)可以檢查硬件設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤和不足，為修改和完善做準(zhǔn)備。確認(rèn)所有硬件功能模塊都工作無誤后，最后要完成軟件部分的設(shè)計(jì)。這部分要考慮對(duì)硬件資源的分配和利用，調(diào)度和協(xié)調(diào)各硬件部分之間的配合工作并且向用戶提供清晰的指示信息以及方便的操作平臺(tái)。１８第三章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)第三章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)從本章開始，在第三章、第四章和第五章總共３個(gè)章節(jié)中，將結(jié)合本論文課題來源的工程項(xiàng)目具體介紹一個(gè)基于ＡＲＭ嵌入式平臺(tái)的ＬＦ頻段便攜式ＲＦＩＤ閱讀器的開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)例。本章重點(diǎn)介紹系統(tǒng)級(jí)的功能需求和特點(diǎn)分析、方案設(shè)計(jì)、功能模塊劃分和開發(fā)流程規(guī)劃等總體設(shè)計(jì)思路方面的內(nèi)容；第四章會(huì)集中詳細(xì)介紹硬件電路的設(shè)計(jì)和相關(guān)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)；第五章將簡單介紹軟件平臺(tái)的構(gòu)建和驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序的開發(fā)。３．１功能需求和特點(diǎn)分析３．１．１核心功能和性能指標(biāo)針對(duì)項(xiàng)目的要求，本設(shè)計(jì)中需要完成的一些重要技術(shù)指標(biāo)有：１．系統(tǒng)頻率：本ＲＦＩＤ系統(tǒng)工作在低頻，對(duì)讀取距離要求較低，在５ｅｒａ－ｌＯｏｍ范圍即可。僅支持一次單個(gè)標(biāo)簽的讀取，不涉及防碰撞的問題；２．系統(tǒng)類型：便攜化的手持式系統(tǒng)，要求所設(shè)計(jì)的ＲＦＩＤ讀寫器可以手持移動(dòng)使用，需具有使用靈活性和使用方便性的特點(diǎn)；３．用戶界面：盯ＴＬＣＤ彩色顯示，要求具有可視化功能菜單界面，能夠顯示彩色圖片和動(dòng)畫；４．?dāng)?shù)據(jù)傳輸：高密度大數(shù)量的閱讀器組網(wǎng)，所有數(shù)據(jù)由上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理；５．具有產(chǎn)品化的特征：可升級(jí)和擴(kuò)展的功能，良好的外觀、軟件界面和可操作性。３．１．２系統(tǒng)特點(diǎn)分析通過分析上面的系統(tǒng)核心技術(shù)指標(biāo)，不難總結(jié)出系統(tǒng)的兩個(gè)特點(diǎn)：１．便攜性：要求能夠手持移動(dòng)使用；２．復(fù)雜性：功能要求多，各項(xiàng)功能要求高，系統(tǒng)比較復(fù)雜。１９電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文下面針對(duì)這兩個(gè)特點(diǎn)，對(duì)本閱讀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作一個(gè)整體上的指導(dǎo)思路的規(guī)劃。３．１．２．１便攜式的意義和設(shè)計(jì)要點(diǎn)從ＲＦＩＤ主要應(yīng)用于大型物流領(lǐng)域發(fā)展至今，ＲＦＩＤ的應(yīng)用已經(jīng)深入到生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，固化式的ＲＦＩＤ閱讀器已經(jīng)很難滿足應(yīng)用上的要求。在ＲＦＩＤ標(biāo)簽日趨微型化的今天，ＲＦＩＤ閱讀器便攜化的意義也是顯而易見的：首先來說，ＲＦＩＤ閱讀器識(shí)別標(biāo)簽的距離是有限的，特別是頻率較低的閱讀器，