【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 域。如果電子標(biāo)簽進(jìn)入到這個(gè)有效識(shí)別區(qū)域，就獲得能量而被激活，開始工作，電子標(biāo)簽將自身的編號(hào)信息通過自身攜帶的天線發(fā)送出去，閱讀器接收到電子標(biāo)簽的調(diào)制信號(hào)，并進(jìn)行解調(diào)，得到想要的信息，然后進(jìn)行相關(guān)的處理。 所謂的電感耦合實(shí)際上是從電子標(biāo)簽和閱讀器之間的通信及能量傳輸方式而言的。電感耦合依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，通過空間高頻交變磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)耦合。電感耦合方式的電子標(biāo)簽幾乎都是無 源的，電子標(biāo)簽工作的所有能量都是由閱讀器發(fā)送的電磁能量提供。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并輻射到線圈周圍的空間中，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到電磁場(chǎng)中時(shí)就發(fā)生電磁感應(yīng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽就獲得了工作的能量。如圖 所示。在識(shí)別的過程中，電子標(biāo)簽的調(diào)制模塊將自身的編碼信息調(diào)制到載波上，然后使用天線發(fā)送出去，此時(shí)閱讀器的天線通過電感耦合的方式將電子標(biāo)簽天線產(chǎn)生的電磁波接收下來，并進(jìn)行進(jìn)一步處理。通過這種耦合的方式，閱讀器可以對(duì)電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制 [1]。 8 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 電感耦合型 但是，電感耦合方式常常適 用于低頻和中頻的射頻識(shí)別系統(tǒng)，并且識(shí)別距離很近一般不大于 1 米。常見的作用距離是 1020cm。電感耦合的典型工作頻率是125KHZ、 225KHZ 和 。 負(fù)載調(diào)制原理 在電感耦合型射頻識(shí)別系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽的編碼信息需要調(diào)制以后，才能使用天線發(fā)射出去，負(fù)載調(diào)制是常用的一種調(diào)制方法。 負(fù)載調(diào)制簡(jiǎn)單的說，就是利用負(fù)載的變化來改變電源的電壓。下面通過舉一個(gè)例子來具體說明一下，如圖 所示。圖中的電路有兩級(jí)，兩級(jí)電路之間通過天線耦合。如果 V2 不工作的話，天線 1 上的振蕩信號(hào)是穩(wěn)定的如圖 所示。但是， 當(dāng) V2 工作的時(shí)候，三極管（在這個(gè)電路中相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)）就會(huì)周期性的導(dǎo)通，那么后一級(jí)電路的負(fù)載就會(huì)周期性變化。只要后一級(jí)的負(fù)載發(fā)生變化，天線 1 上的電壓就會(huì)發(fā)生變化，負(fù)載周期性變化，那么天線 1 上的電壓也是周期性變化。如圖 所示，電壓隨負(fù)載變化，但是頻率不變。上面的過程就是負(fù)載調(diào)制過程。對(duì)于負(fù)載調(diào)制的解調(diào)，一般要經(jīng)過檢波、放大、比較的過程，此過程將會(huì)在第四章中詳細(xì)說明。 第 二 章 射頻識(shí)別技術(shù)工作原理 9 圖 負(fù)載調(diào)制電路 圖 負(fù)載固定時(shí)閱讀器天線的波形 圖 負(fù)載變化時(shí)閱讀器天線的波形 射頻識(shí)別系 統(tǒng)的組成 射頻識(shí)別是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)至少包括閱讀器、天線和電子標(biāo)簽。如圖 所示。下面對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行說明。 10 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 射頻識(shí)別系統(tǒng)圖 天線 無論閱讀器還是電子標(biāo)簽的正常工作，都離不開天線或耦合線圈。對(duì)于電子標(biāo)簽和閱讀器而言，天線是它們之間的空間接口。其實(shí)，天線是一種能夠?qū)㈦姶挪ㄞD(zhuǎn)換成電流信號(hào)，也可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波的裝置。無線電發(fā)射模塊發(fā)射射頻信號(hào)，通過電纜輸送到天線上面，天線將射頻信號(hào)以電磁波的形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收點(diǎn)后，也是由天線接收 下來（但是天線所接收到的只是很小一部分），并通過電纜輸送到接收模塊。所以，天線是發(fā)射電磁波和接收電磁波的重要無線電設(shè)備，可以說沒有天線就沒有無線電通信 [1]。 電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)中，閱讀器的天線產(chǎn)生電磁波，并向電子標(biāo)簽提供工作能量，同時(shí)傳 遞信息。所以天線的設(shè)計(jì)和選擇要符合一定的條件：天線線圈的電流 達(dá)到最大，以便產(chǎn)生最大的磁通量；要有一定的帶寬，保證信號(hào)的調(diào)制不會(huì)互相干擾；功率匹配，這樣能夠最大限度利用磁通量。 天線有很多種形式和結(jié)構(gòu)，如平板天線、環(huán)形天線、螺旋天線等。在電感耦合 RFID 系統(tǒng)中主要使用環(huán)形天 線。環(huán)形天線主要用于中、低頻射頻識(shí)別系統(tǒng)中，用來實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的電磁耦合。 閱讀器 在無線射頻識(shí)別系統(tǒng)中，閱讀器是主要的組成部分之一。它在射頻識(shí)別系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過程中，通常由閱讀器在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)送射頻能量形成電磁場(chǎng)。電子標(biāo)簽通過這一區(qū)域時(shí)被觸發(fā)，發(fā)送存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，或根據(jù)閱讀器的指令來改寫存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。總結(jié)起來閱讀器的功能是：完成與電子標(biāo)簽之間的通信；對(duì)需要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、 第 二 章 射頻識(shí)別技術(shù)工作原理 11 解碼；對(duì)需要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽，要有防碰撞功能。閱讀器可以作為單獨(dú)的整體存在，也可以嵌入到其他的應(yīng)用系統(tǒng)中。它可以單獨(dú)具有讀寫、顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，也可以與其他的系統(tǒng)聯(lián)合使用來完成對(duì)電子標(biāo)簽的操作 [3]。 閱讀器工作的頻率決定整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率。閱讀器的功率 直接 影響射頻識(shí)別的距離。根據(jù)射頻識(shí)別體統(tǒng)的頻率不同，可以將閱讀器分為低頻閱讀器、高頻閱讀器和超高頻閱讀器。低頻和高頻閱讀器的發(fā)射功率較小，頻率較低，所以系統(tǒng)的識(shí)別距離就較小。但是低頻和高頻閱讀器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，體積也較小，價(jià)格也相對(duì)較低。超高頻的發(fā)射功率較大，頻率較高，所以系統(tǒng)的識(shí)別距離較大。但是超高頻閱讀器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，體積也相對(duì)較大。 閱讀器的組成、 雖然各種射頻識(shí)別系統(tǒng)在耦合方式、通信方式、數(shù)據(jù)傳輸方式以及工作頻率的選擇上存在著很大的區(qū)別，但是， RFID 閱讀器的組成基本相同。主要由兩大基本模塊組成：信號(hào)控制與處理模塊和高頻接口模塊。此外，閱讀器還需要發(fā)射電磁能量的天線。如圖 所示。信號(hào)控制和處理模塊通常采用 ASIC 組件和微處理器來實(shí)現(xiàn)其功能。信號(hào)控制和處理模塊的主要功能：控制電子標(biāo)簽的通 圖 閱讀器結(jié)構(gòu)圖 信過程；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和 解密 ；信號(hào)的編碼和解碼；對(duì)電子標(biāo)簽身份識(shí)別 。高12 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 頻接口模塊主要由發(fā)送器和接收器組成。通常高頻接口模塊又被稱作射頻模塊，它的主要功能是：產(chǎn)生一定頻率的射頻信號(hào)，發(fā)射射頻信號(hào)，激活電子標(biāo)簽并為其提供工作電壓；調(diào)制發(fā)射信號(hào)，對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行寫入操作：解調(diào)電子標(biāo)簽的射頻信號(hào) [2]。 對(duì)于電感耦合的 RFID 體統(tǒng)，因?yàn)楣ぷ黝l率較低，所以閱讀器的高頻接口部分電路比較簡(jiǎn)單。通常電感耦合的 RFID 系統(tǒng)閱讀器的高頻接口如圖 。 圖 電感耦合型 RFID 系統(tǒng)閱讀器的高頻接口部分 閱讀器的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能需求以及不同設(shè)備制造商的生產(chǎn)習(xí)慣，閱讀器有 不同的結(jié)構(gòu)與外觀形式。根據(jù)天線和閱讀器模塊是否分離，可以分為分離式閱讀器和集成式閱讀器。常見的分離式閱讀器有固定式閱讀器，而典型的集成式閱讀器有手持閱讀器。根據(jù)閱讀器的應(yīng)用場(chǎng)合，可以分為固定式閱讀器、 OEM（ Original Equipment Manufacturer 原始設(shè)備制造商）模塊、工業(yè)閱讀器、手持閱讀器和讀卡器。 電子標(biāo)簽 電子標(biāo)簽 （又稱應(yīng)答器） 作為射頻識(shí)別系統(tǒng)組成部分，它的作用也是不言而喻的。電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)了可用的信息，通過電感耦合可以將此信息傳輸?shù)叫畔⒉杉到y(tǒng)中。 電子標(biāo)簽的主要組 成部分是耦合天線和標(biāo)簽芯片如圖 。耦合線圈的作用就是接收閱讀器發(fā)射出來的電磁波同時(shí)將標(biāo)簽芯片的信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射出去。標(biāo)簽芯片的作用是，對(duì)天線接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼等處理，同時(shí)將自身的信息進(jìn)行編碼、調(diào)制。 第 二 章 射頻識(shí)別技術(shù)工作原理 13 圖 電子標(biāo)簽的組成 每個(gè)電子標(biāo)簽都具有唯一的編碼，這些編碼被存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊中。電子標(biāo)簽附著在物體對(duì)象上，就可以對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別。電子標(biāo)簽中的內(nèi)容可以被永久鎖定，也可以被修改?？?的 來說 對(duì) 電子標(biāo)簽要具有一定的基本要求：具有一定的存儲(chǔ)容量；一定的工作環(huán)境下，標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)可以被讀出也可以被寫 入 [4]。 由于各種識(shí)別系統(tǒng)的原理和應(yīng)用領(lǐng)域不同，電子標(biāo)簽的原理、結(jié)構(gòu)和外觀也有很大的區(qū)別。根據(jù)分類的方式不同，電子標(biāo)簽可以分為不同的類型。 按供電方式 （ 1）有源標(biāo)簽 有源電子標(biāo)簽是指電子標(biāo)簽內(nèi)部有電池提供標(biāo)簽工作的電壓。這種電子標(biāo)簽的工作距離相對(duì)較遠(yuǎn)，但是使用壽命較短、體積較大、成本較高、需要定期更換電池。此類標(biāo)簽的工作環(huán)境受到很大限制，很多惡劣的環(huán)境不適合使用。 （ 2）無源標(biāo)簽 無源電子標(biāo)簽就是指電子標(biāo)簽內(nèi)部沒有電池提供工作電壓。無源電子標(biāo)簽利用線圈耦合電磁波技術(shù)從閱讀器那得到能量，然后轉(zhuǎn)換成直流電源，為無源電子標(biāo)簽提供工作電壓。無源電子標(biāo)簽的使用壽命較長(zhǎng)、識(shí)別距離相對(duì)有源標(biāo)簽的要近。但是無源電子標(biāo)簽對(duì)工作環(huán)境要求很低。 按電子標(biāo)簽的工作頻率 （ 1）低頻標(biāo)簽 低頻標(biāo)簽的工作頻率較低，工作頻率范圍為 30KHZ 到 300KHZ，是型的電感耦合型標(biāo)簽，它的天線一般為線圈型天線。低頻標(biāo)簽一般為無源標(biāo)簽，工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射場(chǎng)中得到。其實(shí) RFID 技術(shù)首先是在低頻得 到廣泛應(yīng)用和推廣的。低頻電子標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)是：省電、價(jià)格低。缺點(diǎn)是：存儲(chǔ)數(shù)量較少、速度慢、識(shí)別距離近。 （ 2）高頻標(biāo)簽 高頻電子標(biāo)簽的工作頻率要比低頻標(biāo)簽的頻率要高，其工作頻率一般為 3 到14 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30MHZ。但是它的天線發(fā)射出的仍然是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無線電波，工作原理和低頻的標(biāo)簽完全相同，所以它同樣是電感耦合型的電子標(biāo)簽，它的工作天線同樣是線圈型的。高頻標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)是：速度快、識(shí)別距離較遠(yuǎn)。缺點(diǎn)是：價(jià)格太高。 （ 3）超高頻標(biāo)簽 超高頻電子標(biāo)簽的工作頻率遠(yuǎn)高于低頻和高頻標(biāo)簽， 工作波長(zhǎng)較短，所以超高頻電子標(biāo)簽的工作方式多采用 電磁反向散射耦合方式。 第 三 章 射頻識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 15 第三章 射頻識(shí)別系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本章的內(nèi)容是系統(tǒng)整體方案的選擇，以及調(diào)制方案和系統(tǒng)工作頻率的選取。 總體方案選擇 方案一：如圖 所示，在此方案中使用單片機(jī)。單片機(jī)用來編碼和解碼 ，并用數(shù)碼管來顯示電子標(biāo)簽的信息。閱讀器的主要組成部分：?jiǎn)纹瑱C(jī) 、接收電路等。電子標(biāo)簽的主要組成部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、 調(diào)制電路等。此識(shí)別系統(tǒng)的工作過程：電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的有效工作區(qū)域后被激活，并通過線圈耦合得到工作能量，電子標(biāo)簽中的單片機(jī)讀取撥碼開關(guān)的信息并發(fā)通過天線送出編碼信息，閱讀器接收到編碼信息后，對(duì)編 碼信息進(jìn)行解調(diào)，然后通過單片機(jī)對(duì)其解碼并顯示。 圖 方案一的電路結(jié)構(gòu) 方案二： 如圖 所示，此系統(tǒng)不采用單片機(jī)進(jìn)行編碼和解碼，而是采用通用的編碼芯片 PT2262 和解碼芯片 PT2272,，使用發(fā)光二極管來顯示電子標(biāo)簽的四位撥碼開關(guān)的信息 。此識(shí)別系統(tǒng)的工作過程：電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的有效工作區(qū)域后，通過線圈耦合得到工作能量，編碼芯片 PT2262 將撥碼開關(guān)的信息進(jìn)行編碼然后調(diào)制發(fā)送，閱讀器接收到編碼信息后，進(jìn)行解調(diào)，然后再解碼，最后使用四位發(fā)光二極管顯示。 16 RFID 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 方案二電路結(jié)構(gòu) 因?yàn)樵诖?次識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電子標(biāo)簽采用的是無源電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽的工作能量是通過耦合得到，這樣的能量很有限，不足以驅(qū)動(dòng)單片機(jī)這樣的芯片。但是 PT2262 和 PT2272 可以較好的完成四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的編碼和解碼，并且功耗低、價(jià)格低，對(duì)工作環(huán)境要求也比較低，非常適合能量供應(yīng)有限的場(chǎng)合。 調(diào)制方案選擇 方案一：直接調(diào)制 直接使用 FSK 或 ASK 調(diào)制，這樣的調(diào)制電路復(fù)雜，所以電路的功耗就會(huì)相對(duì)大一點(diǎn)，這對(duì)于無源電子標(biāo)簽來說，功耗太大是不行的。 方案二：負(fù)載調(diào)制 系統(tǒng)工作在低頻段，使用的是電感耦合，耦合部分可以使用變壓 器模型來進(jìn)行分析。電子標(biāo)簽的線圈可以等效到閱讀器的線圈上。當(dāng)電子標(biāo)簽線圈的負(fù)載大小發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)改變閱讀器線圈兩端的電壓。這就是負(fù)載調(diào)制。負(fù)載調(diào)制電路簡(jiǎn)單，功耗小。 經(jīng)上比較，選擇方案二的調(diào)制方法。 系統(tǒng)工作頻率 此系統(tǒng)的電子標(biāo)簽是無源的，所以功率較小，并且對(duì)識(shí)