【文章內(nèi)容簡介】 照讀寫器和標(biāo)簽的合距離將射頻識別系統(tǒng)分為密耦合、遙耦合和遠(yuǎn)耦合三種。這三種分類的標(biāo)準(zhǔn)如下： 密耦合： 典型工作 距離處于 0～ lcm之間。 遙耦合： 典型工作 距離處于 I～ 100cm之間。 遠(yuǎn)距離： 典型工 作 距離在 lm以上。 三、按標(biāo)簽供電方式分 RFID 標(biāo)簽依據(jù)發(fā)送射頻信號的方式不同，分為有源標(biāo)簽 (Active Tag)和無源標(biāo)簽 (Passive Tag)兩種。有源標(biāo)簽由內(nèi)置電池供電 ，其工作時(shí)有的主動向讀**大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 寫器發(fā)送射頻信號以建立通信，有的內(nèi)置電池僅為控制器供電，射頻信號的能量還是由讀寫器 產(chǎn)生的電磁波 提供 ；無源標(biāo)簽不帶電池，在接收到 讀寫器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量，供 其發(fā)射電 路及內(nèi)部處理模塊 。無源標(biāo)簽表 是兩種標(biāo)簽特性的比較。 表 有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽的比較 無源 有源 能量來源 從讀寫器獲取 自帶電池 工作距離 較近 遠(yuǎn) 價(jià)格 低 高 使用壽命 長 通常 14 年 存儲容量 較小 較大 第四節(jié) RFID 標(biāo)準(zhǔn)概述 標(biāo)準(zhǔn)是 RFID 技術(shù) 的重要環(huán)節(jié)，而 RFID 的標(biāo)準(zhǔn)眾多，且與行業(yè)應(yīng)用關(guān)系密切，如非接觸式 IC 卡標(biāo)準(zhǔn)（ ISO/IEC14443， ISO/IEC15693）、動物識別標(biāo)準(zhǔn)（ ISO/IEC11784 ， ISO/IEC14223 ）、 集裝 箱識別 標(biāo)準(zhǔn) （ ISO/IEC10374 ，ISO/IEC18185）、集裝箱識別標(biāo)準(zhǔn)（ ISO/IEC18000， ISO/IEC18001）。本節(jié)將簡要介紹非接觸式 IC 卡標(biāo)準(zhǔn) ISO/IEC14443 主要內(nèi)容。 ISO/IEC14443 是近耦合非接觸式 IC 卡的國際標(biāo)準(zhǔn)，可用于身份證和各種智能卡、存儲卡。 ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)由四部份組成，即 ISO/IEC144431/2/3/4。 ① ISO/IEC144431 物理特性 第一部分物理特性規(guī)定了非接觸式 IC 卡的機(jī)械特性。如其尺寸應(yīng)滿足ISO7810 中的規(guī)范。此外還規(guī)定了對彎曲和扭曲實(shí)驗(yàn)的附加說明等。 ② ISO/IEC144432 射頻能量和信號接口 第二部分規(guī)定了射頻能量和 信號接口：讀寫器應(yīng)產(chǎn)生耦合到應(yīng)答器的射頻電磁場已傳輸能量和調(diào)制信號；射頻頻率為 177。 7KHz；讀寫器產(chǎn)生的非調(diào)制磁場強(qiáng)度有效值為 ～ ；信號接口分成 A 和 B 兩種類型。以及他們的比特率、調(diào)制方式等。 ③ ISO/IEC144433 初始化和反碰撞 第三部分初始化和反碰撞主要內(nèi)容有，輪詢進(jìn)入讀寫器區(qū)域的應(yīng)答器。閱**大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 讀器和應(yīng)答器通信的字格式、幀、和時(shí)序。初始化請求和應(yīng)答命令內(nèi)容。碰撞檢測和反碰撞的實(shí)現(xiàn)。以及初始化通信需要的其他參數(shù)。 ④ ISO/IEC144434 傳輸協(xié)議 第四部分 傳輸協(xié)議主要描述滿足非接觸環(huán)境的半雙工傳輸協(xié)議和定義激活、去激活序列；這部分結(jié)合協(xié)議的其他部分并適用于 A 和 B 兩種類型的近耦合卡。 第 五 節(jié) 常見標(biāo)簽天線比較 常見的 RFID 標(biāo)簽天線有線圈天線、微帶貼片天線和偶極子天線三種基本形式。中低頻段的標(biāo)簽天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，其作用距離較近，一般小于 1 米。而遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)就需要采用微帶貼片天線或偶極子天線，它們適用于甚高頻及微波頻段。下面就簡述他們各自的特點(diǎn)。 一、線圈天線 線圈天線本質(zhì)上是耦合電感，讀寫器和標(biāo)簽之間的耦合關(guān)系可用電感耦合模型分 析，如下圖所示 L 1 L 2DC 1 C 2 C 3R 1R LA CM1i 2v 圖 天線耦合示意圖 L1 為讀寫器線圈電感， L2 為標(biāo)簽天線電感， M 為閱讀器線圈和標(biāo)簽天線間的互感。標(biāo)簽線圈上的電壓 dtdiMv 12 ?? 2/322 2210 )(2 ra SaNNuM ?? 其中： 1i 為閱讀器線圈電流， 1N 為閱讀器線圈匝數(shù)， 2N 為標(biāo)簽線圈匝數(shù)，a 為閱讀器線圈半徑， S 為標(biāo)簽線圈面積， r 為閱讀器線圈和標(biāo)簽線圈間距離。 可見要使作用距離變遠(yuǎn)，需增大互感。 二、偶極子天線 在遠(yuǎn)距離耦合的射頻識別系統(tǒng)中最常見的是偶極子天線（或稱對稱振子天**大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 線）。典型的偶極子天線由兩端相同的的直導(dǎo)線組成。信號從中間饋點(diǎn)進(jìn)入，在偶極子的兩臂上就產(chǎn)生特定的電流分布，從而在周圍空間激發(fā)電磁場。 偶極子天線具有輻射能力較強(qiáng)、成本低和制造簡單等優(yōu)點(diǎn)。其類型可分為直線行和變形偶極 子。 三、微帶天線 常用的微帶天線是在薄介質(zhì)基片上的一面附上金屬薄層作為接地板，另一面做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針進(jìn)行饋電。當(dāng)金屬貼片是一面積單元時(shí)，它被稱作微帶天線；若貼片是一細(xì)長條，則又稱作微帶振子天線；若把接地板刻出窗口，而另一面印出微帶線對縫隙饋電，則又稱作微帶縫隙天線。 與普通微波天線相比，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)有：剖面薄、體積小、重量輕，具有平面結(jié)構(gòu)；饋電網(wǎng)絡(luò)可以和天線一起制造，成本低，適合批量生產(chǎn)；比較容易制成雙頻工作的天線。但他也有一些缺點(diǎn)：帶寬小，不宜做成寬頻帶天線；有介質(zhì)損耗和導(dǎo) 體損耗，增益不高；多數(shù)微帶天線只向半空間輻射； 第 六 節(jié) 本章小結(jié) 本章首先簡要介紹了 RFID 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然后 RFID 系統(tǒng)的組成，并介紹了標(biāo)簽、讀寫器、高層的作用。在此基礎(chǔ)上，介紹了 RFID 系統(tǒng)的幾種常見分類，并簡要對比了各類 RFID 系統(tǒng)的特點(diǎn)。簡述了眾多 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的ISO/IEC14443 協(xié)議。最后參考相應(yīng)文獻(xiàn)資料，簡要敘述了常用的線圈天線、微帶貼片天線和偶極子天線各自的特點(diǎn)。 **大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第二章 RFID 讀寫器硬件電路設(shè)計(jì) 第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì) 讀寫器是 對標(biāo)簽進(jìn)行 讀取或?qū)懭?的 設(shè)備。讀寫器可以是 單獨(dú)的整體，也可以作為部件的 以模塊的形式 嵌入到其他系統(tǒng)中去。 對于獨(dú)立的應(yīng)用，可以 僅由讀寫器 完成應(yīng)用的需求，如公交車上的 讀寫器 。但是對于多 讀寫器 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的信息系統(tǒng)，高層是必不可少的。 高層將各個(gè) 讀寫器 連接起來，并配合相應(yīng)的應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫等，構(gòu)成復(fù)雜而強(qiáng)大的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，通用的 讀寫器應(yīng)包含與高層通信的功能。故通用 讀寫器 應(yīng) 有讀寫、顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，也可以與計(jì)算機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合，完成對射頻標(biāo)簽的操作。 而 讀寫器的頻率決定了射頻識別系統(tǒng)的工作頻段，同時(shí)，讀寫器的頻段 和 功率直接影響了識別的距離。 由前一章 可知，目前技術(shù)較成熟、成本也較低廉、應(yīng)用較廣泛的是 13MHz的 RFID 系統(tǒng)。故本設(shè)計(jì)選擇頻率為 13MHz 的無源 RFID 系統(tǒng) 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 。 主 控 制 器P CT F T 液 晶按 鍵射 頻 模 塊 匹 配 電 路 天 線電 源 圖 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖 各部分的主要功能如下。 主控制 器 ： 與射頻模塊通信，以 識別應(yīng)答器的 ID 號 。 控制與應(yīng)答器的通信， 射頻 信號的編碼與解碼 。 執(zhí)行 用戶 輸入的命令；控制 TFT 液晶 顯示界面，完成人際交互。 執(zhí)行防沖突算法， 當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入射頻場時(shí)只操作一個(gè)標(biāo)簽。對應(yīng)答器與讀寫器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密 ， 保障數(shù)據(jù)安全?？刂粕?*大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 頻模塊 進(jìn)行應(yīng)答器與讀寫器之間雙向的身份驗(yàn)證。 與 PC（高層）建立通信，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的系統(tǒng)功能。 射頻模塊：產(chǎn)生射頻信號，為應(yīng)答器提供能量并激活應(yīng)答器 ；對需發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并 對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，將數(shù)據(jù) 信息 傳送給應(yīng)答器 ； 接收并解調(diào) 和解碼 來自應(yīng)答器返回的射頻信號 ；通過相應(yīng)接口與主控制器通信 。 而為了發(fā)送、接收穩(wěn)定的高頻信號，射頻讀寫芯片要通過高頻濾波電路 和天線匹配電路 與天線部分連接。 匹配電路：對天線和射頻模塊進(jìn)行阻抗匹配，確保天線能獲取最大的能量。這是讀寫模塊實(shí)現(xiàn)射頻通信必不可少的一部分。 讀寫模塊要依靠天線產(chǎn)生的磁通量為 RFID 卡提供電源、在讀寫模塊與 RFID 卡之間傳送信息。為使天線正常工作，天線線圈要通過無源的匹配電路連接射頻讀寫芯片的天線引腳。 電源：為各個(gè)模塊供電。 第 二 節(jié) 射頻讀寫模塊 本設(shè)計(jì)選用 NXP（ philips）的 13MHz 射頻讀寫芯片 MFRC522，其簡單框圖如圖所示。 圖 MRFC522 框圖 參考 MFRC522 數(shù)據(jù)手冊，其主要特性包括： 高度集成的模擬調(diào)制解調(diào)電路； 帶緩沖的輸出驅(qū)動， 采用少量外部元件，即可將輸出驅(qū)動級接天線； 支持 ISO 14443 TypeA 和 Mifare174。通信協(xié)議 ； CRC 協(xié)處理器，其 16 位長的 CRC 計(jì)算多項(xiàng)式固定為： x16+x12+x5+1，符合 ISO14443 和 CCITT 協(xié)議； 在讀寫模式中， 支持 MIFARE Classic 加密； **大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 支持 Mifare 信號輸入輸出； ～ 。 支持 ISO 14443 212kbit/s 和 424kbit/s 的更高傳輸速率的通信； 支持防碰撞操作； 靈活的數(shù)字接口。 支持 3 種與主機(jī)通訊接口： － 最高 10Mbit/s 的 SPI 接口 －速率為 400kbit/s 的 I2C 接口，高速模式的速率為 3400kbit/s －傳輸速率高達(dá) ，幀取決于 RS232 接口，電壓電平取決于提供的管腳電壓 64 字節(jié)的發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū)； 靈活的中斷 模式：發(fā)送結(jié)束中斷、接收接收中斷、命令執(zhí)行完畢中斷等； 低功耗的硬件復(fù)位； 可編程定時(shí)器； 內(nèi)部振蕩器，連接 的外部晶體振蕩器； 具備硬件掉電、軟件掉電和發(fā)送器掉電 3 種節(jié)電模式； 內(nèi)部自測電路； 采用 相互獨(dú)立的多組電源供電，以避免模塊間相互干擾，提高工作的穩(wěn)定性 。 作為閱讀器， MFRC522 在向卡片發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用調(diào)制指數(shù)為 100%的幅度調(diào)制方式，基帶信號采用彌勒碼?？ㄆ祷氐臄?shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼。通信信息速率在 106kbit/s 至 848kbit/s 之間可選。 MFRC522 與符合 ISO14443A 協(xié)議的卡片通信模式如圖 所示 M F R C 5 2 2I S O 1 4 4 4 3 A 卡1 0 0 % A S K 米 勒 編 碼副 載 波 調(diào) 制 曼 徹 斯 特 編 碼碼 率 1 0 6 至 8 4 8 k b i t / s 圖 MFRC522 與符合 ISO14443A 協(xié)議的卡片通信模式圖 MFRC522 引腳圖如圖 所示，引腳描述見表 。 **大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 MFRC522 引腳圖 表 MFRC522 引腳描述 引腳名 引腳序號 類型 描述 II2C 1 I II2C 使能端 PVDD 2 PWR 電源 DVDD 3 PWR 數(shù)字電源 DVSS 4 PWR 數(shù)字電源地 PVSS 5 PWR 接地端 NRSTPD 6 I 當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)，輸入隔離，振蕩器停振 MFIN 7 I 調(diào)制信號輸入 MFOUT 8 O 調(diào)制信號輸出 SVDD 9 PWR 調(diào)制信號電源 TVSS 10,14 P 發(fā)射電源地 **大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 WR TX1 11 O 信號發(fā)射引腳 TVDD 12 PWR 信號發(fā)射電源 TX2 13 O 信號發(fā)射引腳 TVSS 10,14 PWR 發(fā)射信號地 AVDD 15 PWR 模擬供電 VMID 16 PWR 內(nèi)部參考電壓 RX 17 I 射頻輸入 AVSS 18 PWR 模擬地 AUX1 19 O 輔助輸出，測試用 AUX2 20 O OSCIN 21 I 振蕩器輸入 OSCOUT 22 O 振蕩器輸出 IRQ 23 O 中斷信號輸出 SDA 24 I 串行數(shù)據(jù)線 D1 D7 25 31 I/O 數(shù)據(jù)口 EA 32 I IIC 地址 MFRC522 有靈活的數(shù)字接口， 支持 UART、 SPI 和 IIC 三 種與主機(jī)通訊接口 。 MFRC522 與主機(jī)接口描述見下表。 表 MFRC522 與主機(jī)接口描述 MFRC522 引腳 串行接口方式 UART SPI IIC SDA RX NSS SDA IIC 0 0 1 EA 0 1 EA D7 TX MISO SCL **大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 D6 MX MOSI ADR_0 D5 DTRQ SCK ADR_1 D4 —— —— ADR_2 D3 —— —— ADR_3 D2 —— —— ADR_4 D1 —— —— ADR_5 引腳行為