2020年射頻識別技術(shù)RFID精品版

1、精選文檔1研究背景關(guān) 鍵 詞:RFID板級標簽FPGA狀態(tài)機ISO18000-6CRFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標簽。射頻 識別技術(shù)RFID是一種利用無線讀寫數(shù)據(jù)，借以識別物品的技術(shù)，它是無線通訊 技術(shù)與半導體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物， 是當前應用最廣泛的非接觸式自動目標識別技 術(shù)之一。識別系統(tǒng)由閱讀器和電子標簽組成， 通過射頻信號自動識別目標對象并 獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預。 RFID技術(shù)具有很強的環(huán)境適應性，抗 干擾能力強， 可全天候使用， 幾乎不受污染與潮濕的影響， 同時還避免了機械磨 損。RFID標簽數(shù)據(jù)存儲容量大、

2、信息處理速度快、存儲信息可以自由更改，存 儲數(shù)據(jù)可以加密， 標簽無直接對最終用戶開放的物理接口， 能更好地保證機具的 安全性。另外， 還可以用一些加密算法實現(xiàn)信息的安全管理， 讀寫器與標簽之間 也可相互認證，實現(xiàn)安全通信和存儲。 RFID 技術(shù)涉及信息、制造、材料等諸多 高技術(shù)領(lǐng)域，涵蓋芯片設(shè)計與制造、天線設(shè)計與制造、標簽封裝、系統(tǒng)集成、信 息安全等技術(shù)。隨著芯片技術(shù)、天線技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，RFID系統(tǒng)的體積、功耗越來越小，成本越來越低，功能日趨靈活，操作快捷方便，加上其 擅長多目標識別、 運動目標識別， 方便物品跟蹤和管理的突出特點， 在各種生產(chǎn) 生活領(lǐng)域中得到廣泛的應用。在物流系

3、統(tǒng)、零售行業(yè)、身份識別、交通管理農(nóng)牧 行業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)等許多領(lǐng)域，RFID識別技術(shù)已經(jīng)成為21世紀最熱門的技術(shù)之一。Radio Frequency Identification System RFID contains the electronic tags, readers and applications of three parts. Preservation of electronic tags in general agreement with the format of the data, in practice, the electronic tags attached to th

4、e surface of the object to be identified. Reader can be read without contact and identify the tag in the electronic data stored, so as to achieve the purpose of automatic identification of objects. Applications collect, process and remote transfer object identification information through computers

5、and computer networks.The carrier frequency of the RFID system which meets the ISO/IEC15693 standard is 13.56MHz between the electronic tag and reader. Design a data transmission encoder corresponding four load modulation (high data rate single carrier, high data rate dual-carrier, low- single-carri

6、er data rate, low data rate two-carrier) according to the agreement on ISO15693 RFID on transmitting data to the reader . Reader send data to the electronic tag through the pulse position coding method and electronic tag send Manchester encoded data to the reader. This paper will elaborate the desig

7、n of the Manchester encoding module based o n thistan dard. In accordance with the details of function and interface description, and then the sub-module by module design and analysis, hardware Description language used to implement VerilogHDL module function; VerilogHDL of each module testbench sou

8、rce code written test file, then use the ModelSim SE 6.0 functional simulation module; functional verification is correct, the source code input Synopsys Design Compiler, the specified technology library, the preparation of binding document on the design of logic synthesis and optimization. Paper gi

9、ves the correct functional simulation results obtained show that completing the front-end designed to meet the functional and timing requirements. Logic synthesis has satisfactory result can be successful Manchester encoding.1. Describe each module in accordance with the details of function and inte

10、rface, divide the modules into sub-modules, design and analysis, and then implement the function of modules with Verilog hardware Description language; write testbench test file of each Verilog source code, then simulate the modules; put the source code into Synopsys Design Compiler when the functio

11、nal verification is correct. Assign the specified technology library, writing constraint files, synthesize and optimize the design. This Paper will show the correct functional simulation results to illustrate that the front-end design have meet the functional and timing requirements. Logic synthesis

12、 also show satisfactory result to us that Manchester encoding can be done successful ..2. RFID技術(shù)的發(fā)展RFID 射頻識別技術(shù)實際上是一項較早的技術(shù)，比條形碼還要古老，雖然被稱之為新技 術(shù)。在20世紀70年代的時候，RFID射頻識別技術(shù)的理論已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，并且開 始了一些嘗試性的應用。 20 世紀末，許多無線射頻識別系統(tǒng)在全球開始擴展，無線射頻識 別卡、無線射頻識別標簽在全球得到使用。 在 20 世紀 90 年代，被動標簽迅速發(fā)展。被動標 簽的應用包括：門禁控制系統(tǒng)、航班行李識別

13、、汽車防盜、動物識別、電子商品監(jiān)視、文件 跟蹤、 電子付費及運動計時等。直到幾年前， 被動標簽的大多數(shù)應用使用的是射頻頻譜范圍的低頻(LF, Low Frequency)和高頻(HF, High Frequency)段。到了 20世紀90年代末，超高頻 (UHF, Ultra High Frequency)被動標簽的出現(xiàn)把標簽的讀取速度和讀取范圍結(jié)合得更好，并且以較低的價格使得被動標簽能走出原來的限制。從2001年至今，RFID標準化問題日趨為人們所重視。 RFID 產(chǎn)品種類更加豐富,有源電子標簽、無源電子標簽及半無源電子標簽均得 到了發(fā)展,電子標簽成本不斷降低,規(guī)模應用行業(yè)不斷擴大,RFID

14、 技術(shù)的理論得到了豐富和完善。單芯片電子標簽、多電子標簽識讀、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。特別是世界頭號零售商沃爾瑪宣布大范圍使用 RFID和美國軍方宣布軍需物品均使用RFID來進行識別和跟蹤，極大的推動了 RFID的研究和應用。目前國際上 RFID 應用以 LF 和 HF 標簽產(chǎn)品為主。由于需求量大,利潤可觀,各個廠 商紛紛研制不同類別的 RFID 產(chǎn)品,在性能和成本上下功夫。 RFID 已經(jīng)成為目前新技術(shù)的 主流，新一代“超級 RFID'也已經(jīng)應運而生。"超級RFID"是一種傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò) 不是被

15、動的標簽技術(shù), 它能夠用來對環(huán)境進行監(jiān)測并記錄相關(guān)資料。 在需要的時候還能夠在 某些參數(shù)超過臨界值時向人們發(fā)出警報。我國集成電路設(shè)計業(yè)和制造業(yè)在近幾年中取得了長足發(fā)展。在 RFID 芯片設(shè)計方面, 已基本實現(xiàn)自主設(shè)計。 國內(nèi) RFID 芯片設(shè)計公司主要有上海復旦微電子公司、 上海華虹集成電 路設(shè)計公司、 北京清華同方集成電路設(shè)計公司等, 但相互之間技術(shù)不公開。 在芯片制造方面, 也涌現(xiàn)出了上海華虹、 復旦微電子、上海貝嶺等優(yōu)勢企業(yè), 具有大量生產(chǎn) RFID 芯片的能力。 中國已基本掌握 HF 芯片的設(shè)計技術(shù), UHF 芯片也已經(jīng)完成開發(fā)。我國微電子產(chǎn)業(yè)起步相 對較晚,對 RFID 原理的研究還

16、不夠深入和透徹,自主開發(fā)的 RFID 產(chǎn)品也相對不成熟。目 前公開的有關(guān)電子標簽芯片設(shè)計實現(xiàn)技術(shù)資料很少,相互之間技術(shù)保密現(xiàn)象比較嚴重。在 13.56MHz RFID 系統(tǒng)中,支持 ISO/IEC 14443 協(xié)議的設(shè)計實現(xiàn)較多,但支持疏耦合系統(tǒng)、讀 寫距離可達 1 米左右的 ISO/IEC 15693 協(xié)議的相對很少?，F(xiàn)正值國家大力發(fā)展 RFID 事業(yè), 研究設(shè)計出支持 ISO/IEC 15693 協(xié)議的且讀寫距離遠、成本低、功耗低的 RFID 芯片具有很 強的現(xiàn)實意義。RFID技術(shù)的發(fā)展將會在電子標簽、閱讀器、系統(tǒng)種類、標準化等方面取得新的進展。(I) 電子標簽方面電子標簽芯片所需的功耗更

17、低，無源標簽、半無源標簽技術(shù)更趨成熟;作用距離更遠 ;無線可讀寫性能更加完善 ;適合高速移動物品識別 ;快速多標簽讀寫功能 ;一致性更好 ;強場強下 的自保護功能更完善 ;智能性更強 ;成本更低。（2）閱讀器方面多功能 （與條碼識讀集成、無線數(shù)據(jù)傳輸、脫機工作等）;智能多天線端口 ;多種數(shù)據(jù)接口（RS232, RS422/485, USB,紅外，以太網(wǎng)口 ）；多制式兼容（兼容讀寫多種標簽類型）；小型化、 便攜式、嵌入式、模塊化 ;多頻段兼容 ;成本更低。（3）系統(tǒng)種類方面低頻近距離系統(tǒng)具有更高的智能、安全特性 ； 高頻遠距離系統(tǒng)性能更加完善,成本更低;2.45GHz，5.SGHZ系統(tǒng)更加完善；

18、無芯片系統(tǒng)。（4）標準化方面標準化基礎(chǔ)性研究更加深入、成熟:標準化為更多企業(yè)所接受 ;系統(tǒng)、模塊可替換性更好、更為普及。3.RFID射頻識別技術(shù)的優(yōu)勢RFID 射頻識別技術(shù)和傳統(tǒng)識別技術(shù)相比,具有以下七大明顯優(yōu)勢：（1）快速掃描條形碼識別技術(shù)一次只能掃描一個條形碼, 而 RFID 射頻識別技術(shù)支持批量處理, 可同時識 別數(shù)個 RFID 電子標簽。（2）體積小型化、形狀多樣化RFID 在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制,不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和 印刷品質(zhì)。此外, RFID 標簽更可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展,以應用于不同產(chǎn)品。（3）抗污染能力和耐久性傳統(tǒng)條形碼的載體是紙張,因此容易受到

19、污染,但 RFID 對水、油和化學藥品等物質(zhì)具有很 強抵抗性。此外,由于條形碼是附于塑料袋或外包裝紙箱上,所以特別容易受到折損；RFID卷標是將數(shù)據(jù)存在芯片中,因此可以免受污損。（4）可重復使用現(xiàn)今的條形碼印刷上去之后就無法更改, RFID 標簽則可以重復地新增、 修改、刪除 RFID 卷 標內(nèi)儲存的數(shù)據(jù),方便信息的更新。（5）穿透性和無屏障閱讀在被覆蓋的情況下, RFID 能夠穿透紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì),并能夠進 行穿透性通信。 而條形碼掃描機必須在近距離而且沒有物體阻擋的情況下,才可以辨讀條形碼。（6）數(shù)據(jù)的記憶容量大一維條形碼的容量是50bytes，二維條形碼最大的容量可

20、儲存2至3000字符，RFID最大的容量則有數(shù) MBytes。隨著記憶載體的發(fā)展，數(shù)據(jù)容量也有不斷擴大的趨勢。未來物品所 需攜帶的資料量會越來越大,對卷標所能擴充容量的需求也相應增加。（7）安全性由于 RFID 承載的是電子式信息, 其數(shù)據(jù)內(nèi)容可經(jīng)由密碼保護, 使其內(nèi)容不易被偽造及變造。RFID 為各行業(yè)實時、 動態(tài)、可視化管理提供有效手段。 RFID 電子標簽具有體積小、 容量大、 壽命長、可重復使用等特點。 RFID 比傳統(tǒng)的識別技術(shù)的高明之處在于, RFID 芯片內(nèi)部的數(shù) 據(jù)是可以更改的, 這意味著不同流程的操作人員可以對 RFID 添加記錄, 從而得到更加完整 的信息。同時, RFID

21、 芯片可以做得非常小巧,使其與物體集成時更加方便。按照工作頻率的不同，RFID標簽分為低頻（LF）高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波頻段（MW）的標簽。RFID射頻識別系統(tǒng)簡介一般來說，射頻識別系統(tǒng)包含射頻標簽（Tag）讀寫器（Reader）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分。射頻標簽由天線及芯片組成， 每個芯片都含有唯一的識別碼，一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實際應用中，射頻標簽一般粘貼在待識別物體的表面，電子標簽又稱為射頻標簽、應答器、數(shù)據(jù)載體；讀寫器是可非接觸地讀取和寫入標簽信息的設(shè)備，它通過網(wǎng)絡(luò)計算機系統(tǒng)進行通信，從而完成對射頻標簽信息的獲取、解碼、識別和數(shù)據(jù)管理，可設(shè)計為手持式或固定式，讀寫器

22、又稱為讀出裝置，掃描器、通訊器、閱讀器；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲和管理，并可以對標簽進行讀寫控制。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以由簡單的小型數(shù)據(jù)庫擔當，也可以是集成了 RFID管理模塊的大型 ERP企業(yè)資源規(guī)劃）數(shù)據(jù)庫管理軟件。電子標簽與閱讀器之間通 過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量 的傳遞和數(shù)據(jù)的交換。數(shù)掲輸入 裁很輸出射頻訓別標簽圖2.1射頻識別系統(tǒng)的基本模型Fig.2.1The basic model of RFID system（1）標簽（Tag）由耦合元件和芯片組成，每個標簽有唯一的電子編碼，附著在物體上識別目標對象；通常電子標簽由耦合元件

23、以及RFID芯片組成，RFID芯片主要由射頻接口模塊、數(shù)字控制模塊和存儲系統(tǒng)三部分組成，其 結(jié)構(gòu)如圖所示：圖 RFID芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)射頻接口主要由調(diào)制電路、 解調(diào)電路、時鐘產(chǎn)生及復位電路以和電源產(chǎn)生電路四個功能 模塊組成。調(diào)制電路和解調(diào)電路用于實現(xiàn)信息在電磁信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換；時序產(chǎn)生電路是為數(shù)字控制邏輯服務(wù)的，通過時鐘恢復獲得時鐘信號，并分頻產(chǎn)生調(diào)制電路和存儲電路所需要的時鐘信號。電源產(chǎn)生電路從閱讀器發(fā)射的電磁波中提取能量給芯片內(nèi)部電路使用， 解決了電子標簽內(nèi)電路正常工作所需要的能量問題，為整個數(shù)字電路和存儲系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。數(shù)字控制模塊主要實現(xiàn)對閱讀器發(fā)出的信息進行解調(diào)、解碼、校驗、判

24、斷，并對解碼后的指令進行相應的處理。它由收發(fā)控制模塊(編解碼子模塊、CRC子模塊、移位寄存器等)、 映射模塊、狀態(tài)機等模塊組成。狀態(tài)機是RFID芯片工作流程的控制中心；編解碼子模塊實現(xiàn)了對閱讀器發(fā)來的數(shù)據(jù)脈沖位置解碼和對電子標簽需要發(fā)送的數(shù)據(jù)的曼徹斯特編碼；CRC子模塊保證了數(shù)據(jù)交換過程的完整性；映射模塊實質(zhì)上是一些特殊的數(shù)據(jù)通道，它將狀態(tài)機、收發(fā)移位寄存器和存儲器分別對應連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的分離。讀寫器(Reader)也稱為閱讀器，用于產(chǎn)生發(fā)射無線電射頻信號并接收由標簽反射回的無線電射頻信號， 經(jīng)處 理后獲取標簽數(shù)據(jù)信息，有時還可以寫入標簽信息的設(shè)備。 讀寫器的收發(fā)距離可長可短，根 據(jù)

25、它本身輸出功率和使用頻率的不同，從幾厘米到幾十米不等。圖射頻識別閱讀器結(jié)構(gòu)圖閱讀器的控制單元的功能包括：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；控制與電子標簽的通信過程；信號的編解碼；為精簡電子標簽芯片控制電路設(shè)計還可以執(zhí)行防沖突算法；對電子標簽與閱讀器間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密，以及進行電子標簽和閱讀器間的身份驗證等附加功能。高頻模塊主要通過無線射頻自動捕獲電子標簽中的數(shù)據(jù)，完成收發(fā)信號的調(diào)制與解調(diào)。(3)天線(Antenna)在標簽和讀寫器之間傳遞射頻信號，控制數(shù)據(jù)的獲取和通信，一般而言，天線都會和讀寫器整合在一起，可設(shè)計為手持式或固定式。以常見的交通卡為例，卡內(nèi)嵌有一個電

26、子標簽，公交車上的讀卡器內(nèi)置了一個讀寫器和一根天線，其讀寫距離為10厘米左右，屬于低頻產(chǎn)品，成本相對較低。發(fā)生在閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種：(1 )電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應定律， 如圖2-2所示。(2) 電磁反向散射耦合。雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標后反射，同時攜帶 回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律，如圖2-3 所示。圖 電磁耦合圖電感耦合電感耦合方式一般適用于中、低頻工作的短距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有125kHz、225kHz和13.56MHz，識別作用距離小于 1m，典型作用距離為 1020cm。電

27、磁反向散射耦合方式一般適用于高頻、 微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。 典型的工作 頻率有：433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz,識別作用距離大于 1m ,典型作用距離為 3 10m。在射頻識別系統(tǒng)的工作過程中，始終以能量為基礎(chǔ)，通過一定的時序方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 交換。因此，在RFID工作的空間通道中存在三種事件模型：以能量提供為基礎(chǔ)的事件模型，以時序方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)形式事件模型，以數(shù)據(jù)交換為目的的事件模型。 以能量提供為基礎(chǔ)的事件模型讀寫器向電子標簽提供工作能量。對于無源標簽來講，當標簽離開讀寫器的工作范圍以后，電子標簽由于沒有能量的激活而處于休眠狀態(tài)，當電子標簽進入讀寫

28、器的工作范圍以后，讀寫器發(fā)出來的能量激活電子標簽，電子標簽通過整流的方法將接收到的能量轉(zhuǎn)換為電能存儲在電子標簽中的電容里，從而為電子標簽的工作提供了能量，完成數(shù)據(jù)的交換。對于有源標簽來講，有源標簽始終處于激活狀態(tài)，處于主動工作狀態(tài)，和讀寫器發(fā)射出的電磁波相互作用，具有較遠的識讀距離。 以時序方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的事件模型時序指的是讀寫器和電子標簽的工作次序。通常有兩種時序：一種是RTF（Reader TalksFirst，讀寫器先發(fā)言）;另一種是TTF （ Tag Talks First,標簽先發(fā)言），這是讀寫器的防沖突協(xié) 議方式在一般狀態(tài)下，電子標簽處于“等待”或“休眠”工作狀態(tài)，當電子標簽進入

29、讀寫 器的作用范圍時，檢測到一定特征的射頻信號，便從“休眠”狀態(tài)轉(zhuǎn)到“接收”狀態(tài)，接收 讀寫器發(fā)出的命令后，進行相應的處理，并將結(jié)果返回讀寫器。這類只有接收到讀寫器特殊 命令才發(fā)送數(shù)據(jù)的電子標簽被稱為RTF方式;與此相反，進入讀寫器的能量場就主動發(fā)送自身序列號的電子標簽被稱為TTF方式。為了實現(xiàn)多標簽無沖撞同時識讀，對于RTF的方式，讀寫器先對一批電子標簽發(fā)出隔離指令，使得讀寫器識讀范圍內(nèi)的多個電子標簽被隔離，最后只保留一個電子標簽處于活動狀態(tài)，與讀寫器建立無沖撞的通信聯(lián)系；通信結(jié)束后，讀寫器發(fā)出指令使該電子標簽進入休眠， 指定一個新電子的標簽執(zhí)行無沖撞通信指令。如此重復，完成多標簽同時識讀。

30、對于TTF的方式，電子標簽隨機地反復發(fā)送自己的識別ID,不同的電子標簽可在不同的時間段被讀寫器正確讀取，完成多標簽的同時識讀。 以數(shù)據(jù)交換為目的的事件模型讀寫器和標簽之間的數(shù)據(jù)通信包括讀寫器向電子標簽的數(shù)據(jù)通信和電子標簽向讀寫器的數(shù)據(jù)通信。在讀寫器向電子標簽的數(shù)據(jù)通信中，又包括離線數(shù)據(jù)寫入和在線數(shù)據(jù)寫入。無論是只讀電子標簽還是可讀寫的電子標簽，都存在離線寫入的情況。 這是因為，對于任何一只電子標簽，都具有唯一的ID號，這個ID號對于標簽來講，是不可更改的。這樣的 ID號碼可以在 標簽制造時由工廠固化寫入 (工廠編程)。對于數(shù)據(jù)的在線寫入來講，指的是可寫標簽。電子 標簽的可寫性能對于系統(tǒng)提出了很

31、高的技術(shù)要求，要求具有較大的能量、較短的寫入距離、 較慢的寫入速度、較復雜的寫入校驗過程等。對于標簽向讀頭的數(shù)據(jù)通信過程，其工作方式包括以下兩種：(1) 標簽收到讀頭的射頻能量時，即被激活并向讀頭反射標簽存儲的數(shù)據(jù)信息；(2) 標簽被激活后，根據(jù)讀頭指令轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)或體眠狀態(tài)。在這兩種工作方式中，前者屬于單向通信，后者屬于半雙工雙向通信。電子標簽與閱讀 器構(gòu)成的射頻識別系統(tǒng)是為應用服務(wù)的， 應用的需求可能多種多樣， 各不相同。閱讀器與應 用系統(tǒng)之間的接口通常用一組可由應用系統(tǒng)開發(fā)工具調(diào)用的標準接口函數(shù)來表示。射頻識別系統(tǒng)的基本工作流程如下：(1) 讀寫器將無線電載波信號經(jīng)過發(fā)射天線向外發(fā)射

32、；(2) 當電子標簽進入發(fā)射天線的工作區(qū)時，電子標簽被激活，接收讀寫器的操作指令，將自身信息的代碼經(jīng)天線發(fā)射出去；(3) 系統(tǒng)的接收天線接收電子標簽發(fā)出的載波信號，經(jīng)天線的調(diào)節(jié)器傳輸給讀寫器。讀寫器對接收到的信號進行解調(diào)解碼，送往后臺的電腦控制器；(4) 電腦控制器根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設(shè)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)的動作；(5) 執(zhí)行機構(gòu)按照電腦的指令動作 ；(6) 通過計算機通信網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)控點連接起來，構(gòu)成總控信息平臺，可以根據(jù)不同的 項目設(shè)計不同的軟件來完成要實現(xiàn)的功能。圖為一種無源RFID的原理示意圖工號疫wtL,1關(guān)制與佶芋筑圖 無源RFID

33、的原理示意圖數(shù)據(jù)傳輸方式從讀寫器到射頻標簽方向的數(shù)據(jù)傳輸過程中，所有已知的數(shù)字調(diào)制方法都可以選用，但該過程與工作頻率和耦合方式無關(guān)。常用的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方式有：幅移鍵控(Amplitude ShiftKeying, ASK）、頻移鍵控（Frequency Shift Keying , FSK和相移鍵控（Phase Shift Keying, PSK等 方式。為簡化射頻標簽設(shè)計并降低成本，多數(shù)射頻識別系統(tǒng)采用ASK調(diào)制方式。數(shù)據(jù)編碼一般又稱為基帶數(shù)據(jù)編碼，RFID系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)編碼方式有以下幾種：雙反向不歸零碼（NRZ卜曼徹斯特編碼（Manchester）、單極性歸零編碼（UnipolarRz）、

34、差動雙相編碼 （DBR）米勒編碼（Miller）、差動編碼、脈沖寬度編碼 （Pule Widthmodulation，PWM）和脈沖位 置編碼（Pule Position modulation ， PPM）每種編碼都有其適用場合。RFID標準1. RFID標準簡介由于目前還沒有正式的RFID產(chǎn)品（包括各個頻段）國際標準，因此，各個廠家推出的RFID產(chǎn)品互不兼容，造成了 RFID產(chǎn)品在不同市場和應用上的混亂和孤立，這勢必對未來的RFID產(chǎn)品互通和發(fā)展造成障礙。標準化是推動RFID產(chǎn)業(yè)化進程的必要措施。射頻標簽的通信標準是標簽芯片設(shè)計的依據(jù)，目前國際上與RFID相關(guān)的通信標準主要有：ISO/IEC

35、 18000標準（包括 7 個部分，涉及 125KHz,13.56MHz,433MHz,860 960MHz,2.45GHz 等頻段）,ISO11785 （低 頻），ISO/IEC 14443 標準（13.56MHz）, ISO/IEC 15693 標準（13.56MHz） , EPC標準（包括Class0,Class1和GEN2等三種協(xié)議 涉及HF和UHF兩種頻段），DSRC標準（歐洲ETC標準，含 5.8GHz）。目前電子標簽芯片的國際標準出現(xiàn)了融合的趨勢，ISO/IEC 15693標準已經(jīng)成為ISO18000-3標準的一部分， EPC GEN2標準也已經(jīng)啟動向 ISO18000-6Par

36、t C標準的轉(zhuǎn)化。2. ISO/IEC 1569 標準ISO/IEC 15693標準主要由物理特性、 通信接口和初始化、防沖突和傳輸協(xié)議三部分組成。ISO/IEC 15693標準定義了電子標簽和閱讀器之間的雙向通信協(xié)議，其基本通信模型如圖所示電子標簽T略閱讀器應用層識別認證協(xié)議應用層嗎1通信層-數(shù)據(jù)指令、防沖究算法通信層物理層空屮接口Nfa物理層圖RFID基本通信模型RFID系統(tǒng)的通信模型分為三層，從下到上依次為：物理層、通信層和應用層。物理 層即空中接口部分，主要關(guān)心的是電氣信號問題，例如頻道分配、物理載波等；通信層定義了閱讀器與電子標簽Tag之間雙向交換數(shù)據(jù)和指令的格式，其中最重要的一個問

37、題就是解決多個電子標簽同時訪問一個閱讀器時的沖突問題；應用層用于解決和最上層應用直接相關(guān)的內(nèi)容，包括認證、識別以及應用層數(shù)據(jù)的表示、處理邏輯等。通信過程為： 電子標簽進入閱讀器的有效場后被激活； 電子標簽等待閱讀器的指令； 閱讀器發(fā)送指令給電子標簽；電子標簽發(fā)送響應給閱讀器。電子標簽在被閱讀器的電磁場激活的1ms內(nèi)，應該做好準備從閱讀器接收指令，閱讀器在發(fā)送指令給電子標簽之后的300us內(nèi)，應該做好準備從電子標簽接收響應。圖閱讀器和電子標簽的通信模型數(shù)據(jù)通信的流程是發(fā)送方將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組成幀，然后選用相應的編碼方式對幀數(shù)據(jù)進行編碼，并且為幀數(shù)據(jù)加上幀頭和幀尾，最后進行調(diào)制發(fā)送； 在接收方，首先

38、將收到的調(diào)制信號進行解調(diào)，然后對信號進行解碼和去幀頭幀尾，最后得到幀數(shù)據(jù)。在ISO/IEC 15693協(xié)議標準中規(guī)定：每一個查詢和響應都包含在一個幀中，幀頭(SOF和幀尾(EOF將在下面定義。 每一個查詢都包含以下的域：標志位(flag)、命令代碼、與特定命令相關(guān)的特定可選 參數(shù)域、應用數(shù)據(jù)域、CRC請求幀格式如表 所示表 請求幀格式幀頭(SOF”標志位(FLAG) 一命令代碼|命令參數(shù)麗數(shù)思域|云幀尼EOF) 在一個請求幀中，“標志”域描述了 vice應該執(zhí)行的操作，以及相應的域是否出現(xiàn)。 該域包含了 8個bit。請求標志域通知電子標簽哪些可選數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在請求幀中，并且確定了電子標簽如何進行

39、響應。每一個響應包含下列的域：標志位、與特定命令相關(guān)的特定可選參數(shù)域、應用數(shù)據(jù)域、CRC響應幀格式如表所示：表響應幀格式幀頭(SOF)標志位(FLAG)命令參數(shù)應用數(shù)據(jù)域CRC幀尾(EOF)協(xié)議是面向位的。在一幀中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位是8的整數(shù)倍。單個字節(jié)的傳輸都是從最低位開始的。多個字節(jié)的傳輸從最低字節(jié)開始，每一個字節(jié)從最低位開始。 標志位的設(shè)定表明可選域的存在。當標志位被設(shè)為1該域出現(xiàn)；否則該域不出現(xiàn)。 RFU標準應該設(shè)定為 0。電子標簽在被閱讀器的電磁場激活的1ms內(nèi)，應該做好準備從閱讀器接收指令，閱讀器在發(fā)送指令給電子標簽之后的300us內(nèi)，應該做好準備從電子標簽接收響應。曼徹斯特編碼模塊曼

40、徹斯特碼由于其特殊的性能，被廣泛應用數(shù)字通信的編碼方式。根據(jù)ISO/IEC 15693協(xié)議標準描述，從電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)要進行曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼是串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要的編碼方式。它的最大的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)和同步時鐘統(tǒng)一編碼。曼徹斯特碼中含有 豐富的時鐘信號，直流分量基本為零，這使得解碼方能夠較容易恢復同步時鐘，并同步解出數(shù)據(jù)，具有很好的抗干擾性能。數(shù)宇倍號0數(shù)字信號1曼越睛円0r曼飭新特甲1圖曼徹斯特編碼方式在曼徹斯特編碼中，整個時鐘周期內(nèi)電平由高向低變化表示0,電平由低向高電平變化表示1. RFID系統(tǒng)遵循“閱讀器先說”的原則，閱讀器發(fā)送請求信號給電子標簽，電子標簽的數(shù) 字部分對請

41、求信號進行相應的處理，并發(fā)出回復信息給閱讀器。電子標簽的數(shù)字部分框架如圖1所示。PPM解碼模塊接收模擬部分發(fā)送過來的信號，將脈沖位置編碼方式的數(shù)據(jù)解碼成電子標簽數(shù)字部分可識別的二進制數(shù)據(jù)，并將此二進制數(shù)據(jù)發(fā)送到CRC校驗模塊和狀態(tài)機模塊。CRC校驗模塊確認信號傳輸無誤后，狀態(tài)機對請求信號進行處理并發(fā)出回復信號給CRC編碼模塊產(chǎn)生 CRC校驗碼，最后由曼徹斯特編碼模塊將回復信號以及CRC校驗碼一并以特定的脈沖形式發(fā)送給模擬部分進行處理。為了防止信息受干擾或相互碰撞，防止對某些信號特性的蓄意改變，曼徹斯特編碼要對標簽回復的信息提供某種程度的保護?？梢?，曼徹斯特編碼模塊對整個數(shù)字部分起著非常重要的作

42、用。如果編碼不正確或者抗干擾能力不強，閱讀器無法接收到正確的回復信號，從而導致電子標簽與閱讀器的通信失敗。因此，為了準確實現(xiàn)編碼的功能，需要在充分理解標準的基礎(chǔ)上，嚴格定義該模塊與狀態(tài)機之間的接口時序。圖 數(shù)字部分框架各個子模塊的功能描述如下：PPM解碼：對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行解碼，得到從閱讀器發(fā)送過來的幀數(shù)據(jù)。CRC模塊：對收到的數(shù)據(jù)進行 CRC校驗，出錯時電子標簽不做響應；在發(fā)送數(shù)據(jù)時用來產(chǎn)生CRC校驗碼。狀態(tài)機：控制整個電子標簽系統(tǒng)的所有操作。對接收的指令和數(shù)據(jù)進行處理，控制電子標簽的狀態(tài)，根據(jù)指令要求對EEPROM進行讀寫。Manchester編碼模塊：對要發(fā)送的比特流進行曼徹斯特編碼。從

43、RF模塊過來的解調(diào)后的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過PPM解碼，解碼后得到幀數(shù)據(jù)，前兩個字節(jié)是Flag和CMD,存入相應的專用寄存器中，其他的數(shù)據(jù)在通用移位寄存器中進行存儲，存儲 的同時把數(shù)據(jù)送到 CRC模塊進行校驗。如果 CRC錯誤，電子標簽不做任何響應；沒有發(fā)現(xiàn) 錯誤的話電子標簽讀取幀數(shù)據(jù)來進行相應的操作。電子標簽要發(fā)送響應時，首先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入通用移位寄存器，當計時器完成計時準許發(fā)送，數(shù)據(jù)串行進入數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，并同時送到CRC模塊進行CRC計算，在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊為數(shù)據(jù)加上SOF CRC和EOF,最后通過對比特流進行曼徹斯特編碼和第一次調(diào)制后， 送入RF模塊進行第二次調(diào)制和發(fā)送。數(shù)據(jù)調(diào)制方式從電子標簽向閱

44、讀器傳輸數(shù)據(jù)時，使用負載調(diào)制副載波，電阻或者電容調(diào)制阻抗在副載波頻率fs的時鐘中連通或者斷開?？梢愿鶕?jù)數(shù)據(jù)傳輸方式使用1種或者2種副載波，這是由閱讀器決定的。 當使用一種副載波時，副載波頻率fs1應該是fc/32 (423.75kHz)。當使用兩種副載波時， 副載波頻率fs1、 fs2分別應該是fc/32( 423.75kHz)和fc/28( 484.28kHz)，這時兩者之間應該存在連續(xù)相位 關(guān)系。電子標簽支持兩種調(diào)制方式，即ASK和FSK( Frenquency Shift Keying：頻移鍵控)調(diào)制。在使用單副載波時， 進行ASK調(diào)制，使用雙副載波時進行 FSK調(diào)制。同時電子標簽支持兩

45、種 傳輸速率，即低傳輸速率和高傳輸速率，兩種傳輸速率的選擇是由閱讀器決定的。電子標簽各種情況下的傳輸速率 如表 所示ASKFSKI副載波頻率423. FKm423, 75KHz/4S4. 28KHz '低傳輸速率6. 62kbits/耳5. oTkbits/s高存輸速率26. 48kbits/s26.69kbits/s表電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸速率(1) 單載波的輸出框圖為 如圖 所示，該波形輸出模塊由計數(shù)器和八分頻電路構(gòu)成。計數(shù)器控制分頻電路的使能信號。 波形未調(diào)制期，八分頻電路的使能信號為 0,輸出0; 波形為脈沖時，使能信號有效。clk8f圖單載波的輸出框圖咼速單副載波的位編碼，起始幀

46、及結(jié)束幀邏輯0由8個頻率為423.75kHz（ fc/32 ）的脈沖和18.88us（ 256/fc）未調(diào)波組成。 如圖 所示mjwww37,76 MBI圖單副載波邏輯0模塊名：on ecou ntO輸入：使能信號 en, fc/4的時鐘信號。協(xié)議中 fc為13.56Mhz。輸出：單一輸出，單載波的邏輯 0波形 功能：當en為0時，輸出為0當en為1時，輸出如圖2的上側(cè)波形。邏輯 0由8個頻率為Fc/32的脈沖開始，然 后是一段長度為18.88卩s的未調(diào)制時間；代碼為'timescale 1n s/100psmodule on eco un t0（e n,clk,out）;in put

47、 en, clk;output out;reg6:0 count;reg out;always(posedge clk)if(!e n)coun t<=7'b0000000;else if(cou nt=7'b1111111)coun t<=7'b0000000;elsecoun t<=cou nt+7'b0000001;always(co unt or en)if(!e n)out<=0;else if(e n)&&(cou nt<=7'b0111111) out<=1;elseout<=0;e

48、n dmodule測試模塊為'timescale 1n s/100psmodule on e0(e n, clk,out);in put en, clk;output out;wire out;wire outl;/計數(shù)模塊onecount0 u1(.en(en),.clk(clk),.out(out1);/分頻模塊clk8f u2(.clk(clk),.e n(out1),.out(out);en dmodule邏輯1由18.88us( 256/fc)未調(diào)波形和8個頻率為423.75kHz (fc/32 )的脈沖組成，如圖 所示圖 單副載波邏輯1模塊名：on ecou nt1輸入：使

49、能信號en, fc/4的時鐘信號輸出：單一輸出，單載波的邏輯 1波形功能：當en為0時，輸出為0當en為1時，輸出如圖2的下側(cè)波形。邏輯1則由一段長度為18.88卩s的未調(diào)制時37.76 i s。間開始，然后是 8 個頻率為 Fc/32 的脈沖。編碼一位數(shù)據(jù)所用的時間為 代碼為'timescale 1n s/100psmodule onecount1(en,clk,out);input en,clk;output out;reg6:0 count;reg out;always(posedge clk)if(!en)count<=7'b0000000;else if(cou

50、nt=7'b1111111) count<=7'b0000000;else count<=count+7'b0000001;always(count or en)if(!en)out<=0;else if(en)&&(count>=7'b1000000)out<=1;elseout<=0;endmodule測試模塊為'timescale 1ns/100psmodule one1(en,clk,out);input en,clk;output out;wire out;wire out1;/計數(shù)模塊one

51、count1 u1(.en(en),.clk(clk),.out(out1);/分頻模塊clk8f u2(.clk(clk),.en(out1),.out(out);endmodule閱讀器和電子標簽的對話以幀的形式進行，幀的起始標志是SO（ Start of Frame）SOF包含三個部分：56.64US的未調(diào)波形（768/fc）24個頻率為423.75kHz（fc/32 ）的脈沖邏輯1:由18.88us（ 256/fc）未調(diào)波形和 8個頻率為423.75kHz（ fc/32 ）的脈沖組成。地甘4 us56t64L 我76卩5 -1ALk圖使用單載波的SOF模塊名：on eco un tso

52、f輸入：使能信號en,fc/4的時鐘信號輸出：單一輸出，單載波的sof波形功能：當en為0時，輸出為0當en為1時，輸出如圖4的上側(cè)波形。單載波的SOF包括三個部分：一段長度為56.64 卩s的未調(diào)制時間；24個頻率為Fc/32的脈沖、邏輯1的位編碼；代碼為'timescale 1n s/100psmodule on eco un tsof(e n, clk,out);in put en, clk;output out;reg8:0 count;reg out;always(posedge clk)if(!e n)cou nt<=9'b000000000;else if(

53、cou nt=9'b111111111)cou nt<=9'b000000000;elsecoun t<=cou nt+9'b000000001;always(co unt or en)if(!e n)out<=0;else if(en)&&(count>=9'b011000000)&&(count<=9'b101111111)/count在區(qū)間【192,383 】out<=1;else if(en)&&(count>=9'b111000000)&&

54、amp;(count<=9'b111111111)/count在區(qū)間【448,511 】out<=1;elseout<=0;en dmodule測試模塊為'timescale 1n s/100ps module on esof(e n, clk,out);in put en, clk;output out;wire out;wire out1;/計數(shù)模塊on eco un tsof u1(.e n(en ),.clk(clk),.out(out1);/分頻模塊clk8f u2(.clk(clk),.e n(out1),.out(out);en dmodule結(jié)

55、束標志是 EOF（End of Frame）,包含三個部分：邏輯0:由8個頻率為423.75kHz（ fc/32 ）的脈沖和18.88us（ 256/fc）未波形組成 24個頻率為423.75kHz（fc/32 ）的脈沖56.64US的未調(diào)波形（768/fc）37,78 ms圖單載波的EOF模塊名：on eco un teof輸入：使能信號en,fc/4的時鐘信號輸出：單一輸出，單載波的eof波形功能：當en為0時，輸出為0當en為1時，輸出如圖4的下側(cè)波形。EOF亦包括三個部分：邏輯 0的位編碼、24 個頻率為Fc/32的脈沖、一段長度為56.64 s的未調(diào)制時間。代碼為'times

56、cale 1n s/100psmodule on eco un teof（e n, clk,out）;in put en, clk;output out;reg8:0 count;reg out;always(posedge clk)if(!en) count<=9'b000000000;else if(count=9'b111111111) count<=9'b000000000;else count<=count+9'b000000001;always(count or en)if(!en)out<=0;else if(en)&

57、;&(count<=9'b000111111)/count 在區(qū)間【 0,63】out<=1;else if(en)&&(count>=9'b010000000)&&(count<=9'b100111111)/count在區(qū)間【 128,319】out<=1;elseout<=0;endmodule測試模塊為'timescale 1n s/100psmodule oneeof(en,clk,out);input en,clk;output out;wire out;wire out1;/計數(shù)模塊onecounteof u1(.en(en),.clk(clk),.out(out1);/分頻模塊clk8f u2(.clk(