【文章內(nèi)容簡介】 電子標簽成本不斷降低，規(guī)模應用行業(yè)擴大。RFID 技術(shù)的理論得到豐富和完善。單芯片電子標簽、電子標簽識讀、無線可讀可寫、無源電子標簽的遠距離識別、適應高速移動物體的 RFID 正在成為現(xiàn)實。從全球的范圍看，美國已經(jīng)在 RFID 標準的建立、相關軟硬件技術(shù)的開發(fā)及應用領域蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 1. 緒論 2 走在了世界的前列；在射頻識別技術(shù)的應用方面，歐洲與美國基本處于同一階段；日本雖然己經(jīng)提出 UID 標準，但主要得到的是本國廠商的支持，如要成為國際標準還有很長的路要走；在韓國 RFID 技術(shù)的重要性得到了加強，政府給予了高度重視。隨著 RFID 技術(shù)的重要性日益體現(xiàn)，我國政府也希望在這項技術(shù)上有所創(chuàng)新。1993年，我國提出“金卡工程” ，是一個以電子貨幣應用為重點的各類卡應用系統(tǒng)工程。2022年 2 月，我國國家標準化管理委員會宣布成立“電子標簽(RFID)”國家標準工作組，負責起草、指定我國有關“電子標簽”的國家標準。2022 年 6 月《中國射頻識別(RFID)技術(shù)政策白皮書》在北京發(fā)布，該白皮書為 RFID 技術(shù)與產(chǎn)業(yè)未來幾年的發(fā)展提供了系統(tǒng)性的指南。2022 年 10 月 863 計劃投入經(jīng)費一億兩千八百萬人民幣用于射頻識別技術(shù)與應用。 RFID技術(shù) 概念 RFID技術(shù)概念RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。 RFID 是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器(或閱讀器)和很多應答器(或標簽)組成。 RFID的分類RFID 按應用頻率的不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)，相對應的代表性頻率分別為：低頻 135KHz 以下、高頻 、超高頻 860M~960MHz、微波 。RFID 按照能源的供給方式分為無源 RFID，有源 RFID，以及半有源 RFID。無源RFID 讀寫距離近，價格低；有源 RFID 可以提供更遠的讀寫距離，但是需要電池供電，成本要更高一些，適用于遠距離讀寫的應用場合。 RFID技術(shù)的基本工作原理RFID 技術(shù)的基本工作原理并不復雜：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標簽或被動標簽） ，或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽） ，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。 一套完整的 RFID 系統(tǒng)， 是由閱讀器(Reader) 與電子標簽(TAG)也就是所謂的應答器(Transponder)及應用軟件 系統(tǒng)三個部份所組成， 其工作原理是 Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給 Transponder， 用以驅(qū)動 Transponder 電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時 Reader 便依序接收解讀數(shù)據(jù)， 送給應用程序做相應的處理。以 RFID 卡片閱讀器及電子標簽之間的通訊及能量感應方式來看大致上可以分成：感應耦合(Inductive Coupling) 及后向散射耦合(Backscatter Coupling)兩種。 一般低頻的 RFID 大都采用第一種式，而較高頻蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 1. 緒論 3 大多采用第二種方式。 閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是 RFID 系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應答器提供能量和時序。在實際應用中，可進一步通過 Ether 或 WLAN 等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。應答器是 RFID 系統(tǒng)的信息載體，目前應答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu) RFID系統(tǒng)組成RFID 系統(tǒng)在具體的應用過程中，根據(jù)不同的應用目的和應用環(huán)境，RFID 系統(tǒng)的組成會有所不同，但從 RFID 系統(tǒng)的工作原理來看，系統(tǒng)一般都由信號發(fā)射機、信號接收機、發(fā)射接收天線幾部分組成。 　?。?）信號發(fā)射機在 RFID 系統(tǒng)中，信號發(fā)射機為了不同的應用目的，會以不同的形式存在，典型的形式是標簽（TAG）。標簽相當于條碼技術(shù)中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔?，另外，與條碼不同的是，標簽必須能夠自動或在外力的作用下，把存儲的信息主動發(fā)射出去。標簽一般是帶有線圈、天線、存儲器與控制系統(tǒng)的低電集成電路。 　?。?）信號接收機在 RFID 系統(tǒng)中，信號接收機一般叫做閱讀器。根據(jù)支持的標簽類型不同與完成的功能不同，閱讀器的復雜程度是顯著不同的。閱讀器基本的功能就是提供與標簽進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。另外，閱讀器還提供相當復雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。標簽中除了存儲需要傳輸?shù)男畔⑼?，還必須含有一定的附加信息，如錯誤校驗信息等。識別數(shù)據(jù)信息和附加信息按照一定的結(jié)構(gòu)編制在一起，并按照特定的順序向外發(fā)送。閱讀器通過接收到的附加信息來控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送。一旦到達閱讀器的信息被正確的接收和譯解后，閱讀器通過特定的算法決定是否需要發(fā)射機對發(fā)送的信號重發(fā)一次，或者知道發(fā)射器停止發(fā)信號，這就是“命令響應協(xié)議”。使用這種協(xié)議，即便在很短的時間、很小的空間閱讀多個標簽，也可以有效地防止“欺騙問題”的產(chǎn)生。 　?。?）天線是標簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實際應用中，除了系統(tǒng)功率，天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收，需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進行設計、安裝。 RFID的工作流程　　閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 1. 緒論 4 器，閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。 　　在耦合方式(電感 電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法(負載調(diào)制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設計構(gòu)造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動射頻卡并提供能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡；接收并解調(diào)來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統(tǒng)的高頻接口設計具有一些差異。 論文的結(jié)構(gòu)安排基于此背景，本論文針對 MIFARE 射頻卡的特點，采用 Philips 公司支持lSO／IEC14443A 近耦合協(xié)議的最新通用射頻集成電路 MFRC500 設計了一款射頻卡讀寫器。共分為五章內(nèi)容，整體框架結(jié)構(gòu)安排如下：第一章是緒論，闡述了本課題研究的的背景和意義并介紹了 RFID 技術(shù)的基本工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第二章是 RFID 的相關理論，闡述了射頻卡的基本概念及理論，重點介紹了 MIFARE射頻卡的特點、工作原理、存儲結(jié)構(gòu)及存儲控制。第三章是 MFRC500 芯片，闡述了所采用的射頻接口芯片 MFRC500 的特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要引腳描述。第四章是讀寫器硬件系統(tǒng)設計與制作，提出了射頻卡讀寫器的核心部分的即硬件電路系統(tǒng)，包括 MCU 主控制模塊、射頻模塊、讀寫器天線、存儲模塊時鐘模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、通訊模塊及聲光報警模塊，并在其間簡單描述了鍵盤的通信協(xié)議。第五章是讀寫器軟件系統(tǒng)設計，給出了硬件相關模塊的軟件設計及操作方法，并著重闡述了讀寫器對射頻卡的軟件操作流程。最后對該論文做總結(jié)，給出結(jié)論、致謝、附錄及參考文獻。蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)論文 2. RFID 系統(tǒng)的相關理論 5 2．RFID系統(tǒng)的相關理論 MIFARE射頻卡概述及現(xiàn)狀MIFARE 卡 是 目 前 世 界 上 使 用 量 最 大 、 技 術(shù) 最 成 熟 、 性 能 最 穩(wěn) 定 、 內(nèi) 存 容 量 最 大的 一 種 感 應 式 智 能 IC 卡 。 而 傳 統(tǒng) 的 射頻卡則誕生于 20 世紀 90 年代，也叫非接觸式 IC卡是隨射頻識別技術(shù)與 IC 卡技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)的，自出現(xiàn)以來就成為這兩種技術(shù)的重要發(fā)展方向。當卡片靠近讀寫器表面時即可完成對卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作，成功地解決了無源和免接觸這一難題，是電子器件領域的一項重大突破。MIFARE 卡主要芯片有 Philips MIFARE1 S50、 S70 等。國內(nèi)目前出現(xiàn)了 MIFARE 卡的兼容產(chǎn)品，但性能稍遜一籌。 接觸式與非接觸式IC卡之比較項目 接觸式 IC 卡 非接觸式 IC 卡Memory 容量 大 多種選擇安全性 高 高Chip 來源 廣 廣本土化能力 已可 已量產(chǎn)成本 貴 非常貴一卡多用 無 用途非常廣泛Access 速度 較慢 快速 秒使用壽命 長 10 年表 21：接觸式與非接觸式 IC 卡之比 非接觸卡的優(yōu)點 與接觸式相比較,非接觸式卡具有以下優(yōu)點：（1）可靠性高 非接觸式與讀寫器之間無機械接觸,避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障，例如： 由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰塵或油污導致接觸不良造成的故障。 此外，非接觸式卡表面無裸露芯片，無須擔心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問題，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。（2）操作方便 由于非接觸通訊，讀寫器在 10CM 范圍內(nèi)就可以對卡片操作，所以不必插撥卡，非常方便用戶使用。非接觸式卡使用時沒有方向性，卡片可以在任意方向掠過讀寫器表面，既可完成操作，這大大提高了每次使用的速度。（3）防沖突 非接觸式卡中有快速防沖突機制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此，讀寫器可蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)論文 2. RFID 的相關理論 6 以“同時”處理多張非接觸式。這提高了應用的并行性，無形中提高系統(tǒng)工作速度。 （4）可以適合于多種應用 非接觸式卡的序列號是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化，不可再更改。非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制，即讀寫器驗證的合法性，同時也驗證讀寫器的合法性。非接觸式卡在處理前要與讀寫器之間進行三次相互認證，而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密。此外，卡中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 接觸式卡的存儲器結(jié)構(gòu)特點使它一卡多用,能運用于不同系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應用設定不同的密碼和訪問條件。 （5）加密性能好 非接觸式由 IC 芯片， 感應天線組成， 并完全密封在一個標準 PVC 卡片中， 無外露部分。非接觸式的讀寫過程，通常由非接觸型與讀寫器之間通過無線電波來完成讀寫操作。 非接觸型本身是無源體，當讀寫器對卡進行讀寫操作時， 讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的 L/C 產(chǎn)生諧振， 產(chǎn)生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲等，并返回給讀寫器。由非接觸式所形成的讀寫系統(tǒng)， 無論是硬件結(jié)構(gòu)， 還是操作過程都得到了很大的簡化，同時借助于先進的管理軟件，可脫機的操作方式， 都使數(shù)據(jù)讀寫過程更為簡單。 MIFARE非接觸式IC卡的標準長寬厚合乎國際信用卡規(guī)格 ISO10536 標準。記憶體 1024 bytes，分 16 軌，可針對需求規(guī)劃各軌用途，達到一卡多工的目的?？ㄆ瑝勖昊蛑貙懯f次。單位使用成本較其他接觸式卡片低廉。讀取距離依需求可分 CM、10 CM 兩種規(guī)格。每張卡片內(nèi)設單一序號，無法仿冒。作業(yè)環(huán)境：20℃～50℃。電源供應方式：無須電池，采無線電波供應式（passivetype） 。資料傳輸速度：106k bit/sec。內(nèi)建頻率 無線電訊天線。內(nèi)建記憶晶片（E2 EEPROM） 非接觸射頻卡的應用前景由于有比接觸式 IC 卡更多的優(yōu)點，在未來卡片應用市場發(fā)展性上，是非常樂觀的。目前非接觸式 IC 止的領導品牌是 Philips 的 MIFARE 系列產(chǎn)品，該項技術(shù)已授權(quán)給Siemens 等 34 家，如能藉由半導體制程的提升和大量使用，售價降價空間很大。非接觸蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 2. RFID 的相關理論 7 式 IC 卡大多應用在交通工具儲值卡或大型民營機構(gòu)內(nèi)部使用的儲值卡停車及門禁考勤管理和大型會議報到卡。 射頻卡的結(jié)構(gòu)MIFARE 射頻卡的核心是 Philips 公司推出的一種射頻／雙界面卡技術(shù)的 MIFARE 1