RFID原理與應用-第二章

《RFID原理與應用》第2章第二章RFID系統(tǒng)的工作原理RFID系統(tǒng)的基本組成RFID電子標簽RFID讀寫器飛利浦的Mifare標準IC卡—MF1ICS50飛利浦的ICODE標準ICODESLI系列SL2ICS20卡1.RFID系統(tǒng)的基本組成1-1RFID通信的物理學原理①根據(jù)觀測點到天線的距離和電磁波的波長，電磁場區(qū)劃分為近場區(qū)和遠場區(qū)1-1RFID通信的物理學原理②近場區(qū)的通信原理類似于變壓器中的電場和磁場的逆轉換，能量的耦合方式為電感耦合方式。RFID讀寫器通過天線（線圈）發(fā)射能量和信息重疊的電磁變場信號，而RFID電子標簽通過天線（線圈）獲取電磁變場信號來產(chǎn)生感應電流并讀取信號。遠場區(qū)電磁場脫離天線的束縛進入空間，通過電場的輻射來傳輸能量和信息，能量的耦合方式為電容耦合方式。1-1RFID通信的物理學原理③

RFID的低頻和高頻段的信息傳遞在近場區(qū)進行，超高頻和微波段在遠場區(qū)進行1-2-1RFID信號的調(diào)制解調(diào)① 進行無線通信需要把通信信號加載到一定頻率的載波上進行發(fā)送，信號的調(diào)制是對信號源信息進行處理加載到載波上，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸形式的過程。在無線電技術中原始的信號叫基帶信號，數(shù)字調(diào)制就是用基帶信號控制高頻載波的參數(shù)（振幅、頻率和相位），使這些參數(shù)隨基帶信號變化。用來控制高頻載波參數(shù)的基帶信號稱為調(diào)制信號，未調(diào)制的高頻電振蕩稱為載波。被調(diào)制信號調(diào)制過的高頻電振蕩稱為已調(diào)波或已調(diào)信號。解調(diào)是調(diào)制的逆過程。調(diào)制方式不同，解調(diào)方法也不一樣，與調(diào)制的分類相對應。1-2-1RFID信號的調(diào)制解調(diào)②1-2-2RFID信號的傳送信道1-3RFID讀寫器和電子標簽的基本工作流程1-4RFID的數(shù)據(jù)編碼基礎1-5RFID的數(shù)據(jù)通信校驗在有線和無線通信的數(shù)據(jù)傳輸中不可避免地產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送錯誤，因此要通過數(shù)據(jù)的完整性檢驗，來判斷數(shù)據(jù)的傳輸?shù)恼_性，更進一步對數(shù)據(jù)中的錯誤進行糾錯。數(shù)據(jù)的完整性檢驗方法很多，代表性的有奇偶校驗（ParityCheck）、循環(huán)冗余校驗（CyclicRedundancyCheck,CRC）等。由于RFID是無線通信，相對于有線通信更容易遇上干擾，迸發(fā)數(shù)據(jù)位的連續(xù)錯誤，因此不適合應用奇偶校驗，通常使用循環(huán)冗余校驗（CRC校驗）。1-5-1CRC校驗

CRC校驗是對要傳送的一個數(shù)據(jù)塊（一個字節(jié)或一串確定長度的二進制數(shù)據(jù)）附加一些檢驗位，而這些檢驗位由數(shù)據(jù)塊算出，并隨同數(shù)據(jù)塊一并傳送，接收方對收到的數(shù)據(jù)塊和檢驗位計算CRC檢驗和來判斷數(shù)據(jù)的正確性并進一步對數(shù)據(jù)中的錯誤進行糾錯。1-5-1CRC校驗舉例① 舉一個傳送4位二進制數(shù)據(jù)的例子。設4位二進制數(shù)為x1～x4，附加3位二進制CRC檢驗位c1～c3,以7位二進制數(shù)據(jù)為一個單位來傳送。這里的c1～c3由x1～x4算出。為計算我們定義一個演算子mod，AmodB表示A與B的和除2的余數(shù)。即：

0mod0=0 0mod1=1 1mod0=1 1mod1=0

檢驗位c1～c3用以下公式來計算： c1=x2modx3modx4 c2=x1modx3modx4 c3=x1modx2modx41-5-1CRC校驗舉例②1-5-1CRC校驗舉例③ 接收方收到數(shù)據(jù)和檢驗位后計算檢驗和s1～s3： s1=x4modc1modc2modc3 s2=x2modx3modc2modc3 s3=x1modx3modc1modc3 如果s1～s3的結果皆為0，則說明數(shù)據(jù)傳輸沒有錯誤，如果有不為0的校驗和則說明傳輸有誤，比如收到0110011的數(shù)據(jù)，可算出s1～s3為0，表明數(shù)據(jù)正確，如果收到的數(shù)據(jù)是0100011，此時s1=0，s2=1，s3=1，表明數(shù)據(jù)傳輸有誤，且其第3位x3發(fā)生了錯誤，可以進行糾錯。通常檢驗位的長度決定糾錯位數(shù)的長度，在我們舉的例子里的CRC檢驗方法只能糾錯1個位的錯誤，超過1個位的錯誤就無能為力了。1-6RFID的多標簽讀寫防碰撞在RFID系統(tǒng)工作時，經(jīng)常會有多個電子標簽同時處于讀寫器的作用范圍內(nèi)，如果這些電子標簽同時發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器會產(chǎn)生通信的碰撞。為了回避通信的碰撞，人們設計出了很多種解決方案。1-6-1RFID的多標簽讀寫防碰撞-二進制樹形分解法1-7RFID的多讀寫器防沖撞 在智能物流、倉儲、圖書館等較大規(guī)模的RFID應用系統(tǒng)中，通常需要幾十個甚至幾百個讀寫器組成一個網(wǎng)絡，使大范圍內(nèi)的每一個電子標簽至少和一個讀寫器進行通信。這樣不可避免地產(chǎn)生多讀寫器的沖撞問題。沖撞問題有大致可分為多讀寫器對標簽的干擾和讀寫器對讀寫器的干擾。多讀寫器對標簽的干擾問題主要由標簽自身的抗干擾能力來解決，本節(jié)主要討論讀寫器對讀寫器的干擾問題及解決方法。1-7RFID的多讀寫器防沖撞-頻道跳轉來規(guī)避沖撞1-8RFID系統(tǒng)的識讀率和誤碼率2.RFID電子標簽2-1電子標簽芯片的系統(tǒng)構成2-2電子標簽存儲器-EEPROM和FRAM的性能比較2-3電子標簽存儲器空間劃分3.RFID讀寫器3-1RFID讀寫器的系統(tǒng)構成3-2RFID讀寫器的用戶接口 RFID讀寫器一般配有USB、網(wǎng)口、串口等通信接口，用戶根據(jù)需要選擇讀寫器的某個通信接口連接到計算機，在計算機上運行通信軟件或廠家提供的應用軟件或API來控制讀寫器并獲取信息。3-3RFID天線包絡圖 手工繪制讀取效果包絡圖來近似反映RFID讀寫器或電子標簽的實際讀寫性能與特點。這個讀取效果包絡圖也稱為RFID天線包絡圖。4.飛利浦的Mifare標準IC卡

MF1ICS50

ISO/IEC14443A協(xié)議的高頻RFID無源IC卡，其天線線圈和芯片嵌入到塑料卡中被廣泛應用于交通一卡通、電子門票等。4-1MF1ICS50的性能特征4-2MF1ICS50芯片構成概要4-3MF1ICS50存儲器構成4-3-1廠商段數(shù)據(jù)4-3-2值段數(shù)據(jù)4-3-3控制塊數(shù)據(jù)4-4MF1ICS50存儲器存取控制①

控制位C××在控制塊存取控制位（AccessBits）（4個字節(jié)）中的分布。其中C××是C××的位取反，字節(jié)9為備用字節(jié)。4-4MF1ICS50存儲器存取控制②相關塊和對應的3個存取控制位（AccessBit）。4-4MF1ICS50存儲器存取控制③控制塊（塊3）的存取位—C13C23C334-4MF1ICS50存儲器存取控制④數(shù)據(jù)塊（塊0、塊1、塊2）的存取位—C1xC2xC3x（x=0，1，2）5.飛利浦的ICODE標準ICODESLI系列SL2ICS20卡

ISO/IEC15693協(xié)議標準的高頻RFID無源IC卡，專為供應鏈與運籌管理應用所設計，具有高度防沖突與長距離運作等優(yōu)點，適合于高速、長距離應用。包括ICODESLI-S、SL2-S等多系列產(chǎn)品，目前ICODE是高頻（HF）RFID標簽方案的業(yè)界標準。5-1ICODESLI系列SL2ICS20卡的性能特征5-2ICODESLI系列SL2ICS20芯片構成概要5-3ICODESLI系列SL2ICS20存儲器構成①5-3ICODESLI系列SL2ICS20存儲器構成②UID的構成5-3ICODESLI系列SL2ICS20存儲器構成③-1塊的寫入控制位具體分配5-3ICODESLI系列SL2ICS20存儲器構成④ 特殊功能EAS（ElectronicArticleSurveillance，電子防盜系統(tǒng)）主要用來防止物品被盜，標簽管理者可以設置（EAS=1）和清除（EAS=0）EAS標識，當設置有EAS標識的標簽通過讀寫器的作用范圍時，讀寫器會識別EAS標識，發(fā)出警報。5-3ICODESLI系列SL2ICS20存儲器構成⑤ 特殊功能AFI（ApplicationFamilyIdenfifier，應用族標識符），可事先規(guī)定應用族代碼并寫入AFI字節(jié)，在處理多個標簽的時候進行分類處理。AFI被編碼在一個字節(jié)里，由兩個半字節(jié)組成。AFI的高位半字節(jié)用于編碼一個特定的或所有應用族，AFI的低位半字節(jié)用于編碼一個特定的或所有應用子族。子族不同于0的編碼有其自己的所有權。第二章習題-1一個RFID應用系統(tǒng)由幾部分來構成？請舉例說明一個RFID系統(tǒng)的各個部分及工作原理。對無源電子標簽進行振幅鍵控（ASK）調(diào)制通信時，為什么要用調(diào)節(jié)振幅的方式來進行通信？對二進制數(shù)“10111001”，畫出曼徹斯特編碼和FM0編碼信號圖。什么是RFID系統(tǒng)的識讀率和誤碼率？為什么用戶重視這兩項技術統(tǒng)計指標？為什么會有電子標簽的碰撞現(xiàn)象？讀寫范圍不重疊的相距較遠的讀寫器之間也會產(chǎn)生沖撞現(xiàn)象嗎？第二章習題-2哪一個部件的設計較大程度影響電子標簽的感度？天線分離型RFID讀寫器相對于天線一體型讀寫器有什么長處？結合實驗，回答以下問題：飛利浦的S50卡共分成幾個扇區(qū)？每個扇區(qū)有個塊？第四扇區(qū)控制塊的絕對塊地址號是什么？飛利浦的S50卡存儲器扇區(qū)的第幾個塊是控制塊？控制塊的具體數(shù)據(jù)是怎樣的構成？結合實驗，回答以下問題：飛利浦的ICODESLI系列卡存儲器共分幾個塊？每個塊有幾個字節(jié)？UID由幾個數(shù)據(jù)段構成？飛利浦的ICODESLI系列卡存儲器用戶可存取的數(shù)據(jù)塊有幾塊？保護控制位在哪一個塊里？如果要對第20個數(shù)據(jù)塊進行寫入保護，如何設置控制位？第二章實驗（可根據(jù)課時適當調(diào)整）高頻（HF）讀寫器的基本認知實驗ISO14443A、ISO15693協(xié)議下標簽ID讀取實驗ISO14443A協(xié)議下標簽密鑰修改實驗ISO14443A協(xié)議下存取控制位修改實驗ISO14443A協(xié)議下標簽數(shù)據(jù)讀寫實驗ISO14443A協(xié)議下標簽加值減值實驗ISO14443A協(xié)議下多個標簽的讀取實驗ISO15693協(xié)議下標簽數(shù)據(jù)讀寫實驗ISO15693協(xié)議下標簽AFI的讀寫和塊鎖定實驗ISO15693協(xié)議下標簽DSFID的讀寫和鎖定實驗※附錄:短距離無線通信基礎何為無線通信?無線通信系統(tǒng)：也稱為無線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設備、接收設備、無線信道三大部分組成的，利用無線電磁波，以實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳的系統(tǒng)。發(fā)送設備包括：（1）變換器（換能器）：將被發(fā)送的信息變換為電信號。例如話筒將聲音變?yōu)殡娦盘枴?（2）發(fā)射機：將換能器輸出的電信號變?yōu)閺姸茸銐虻母哳l電振蕩。（3）天線：將高頻電振蕩變成電磁波向傳輸媒質(zhì)輻射。接收設備：接收是發(fā)射的逆過程，它包括：（1）變換器（換能器）：將電信號轉化為所傳送信息。（2）接收機：高頻電振蕩轉化為電信號。（3）接收天線：將空間傳播到其上的電磁波轉化為高頻電振蕩。何為無線數(shù)據(jù)通信?無線數(shù)據(jù)通信也稱移動數(shù)據(jù)通信，它是在有線數(shù)據(jù)通信的基礎上發(fā)展起來的。有線數(shù)據(jù)通信依賴于有線傳輸，因此只適合于固定終端與固定終端之間的通信。而移動數(shù)據(jù)通信是通過無線電波的傳播來傳送數(shù)據(jù)的，因而有可能實現(xiàn)移動狀態(tài)下的移動通信。無線數(shù)據(jù)傳遞方式

現(xiàn)代無線數(shù)據(jù)在傳輸信道上傳遞的方式。若按被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號的特點，可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸；若按數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蚩煞譃椴⑿袀鬏敽痛袀鬏?；若按?shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞娇煞譃橥絺鬏敽彤惒絺鬏敚蝗舭磾?shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚝蜁r間可分為單工、半雙工和全雙工傳輸。

下面從數(shù)據(jù)傳輸流向及時間分類來介紹無線數(shù)據(jù)傳遞方式。(1)單工方式（simplexmode）通信雙方在同一時刻只能單方向傳送信息的一種通信方式。單工通信信道是單向信道，發(fā)送端和接收端的身份是固定的，發(fā)送端只能發(fā)送信息，不能接收信息；接收端只能接收消息，不能發(fā)送信息，數(shù)據(jù)信號僅從一端傳送到另一端，如下圖所示：無線數(shù)據(jù)傳遞方式(2)半雙工方式：同一根傳輸線既做接收又作傳送，雖然數(shù)據(jù)可以在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)，如圖所示。采用半雙工方式時，通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送端和接收端，通過收/發(fā)開關轉接到通信線上，進行方向的切換，因此會產(chǎn)生時間延遲。收/發(fā)開關實際上是由軟件控制的電子開關。半雙工的系統(tǒng)可以比喻作單線鐵路。若鐵道上無列車行駛時，任一方向的車都可以通過。但若路軌上有車，相反方向的列車需等該列車通過道路后才能通過。

無線電對講機就是使用半雙工系統(tǒng)。由于對講機傳送及接收使用相同的頻率，不允許同時進行。因此一方講完后，需設法告知另一方講話結束（例如講完后加上"OVER"），另一方才知道可以開始講話。無線數(shù)據(jù)傳遞方式(3)全雙工方式：數(shù)據(jù)發(fā)送和接收分別由兩根不同的傳輸線傳送，通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作。在這種方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設置了發(fā)送端和接收端，因此能控制數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳送，如圖所示。全雙工方式無需進行方向的切換，因此沒有切換操作所產(chǎn)生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應用（例如遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。這種方式要求通信雙方均有發(fā)送器和接收器，同時需要兩根數(shù)據(jù)通路傳送數(shù)據(jù)信號。

全雙工的系統(tǒng)可以用一般的雙向車道形容。兩個方向的車輛因使用不同的車道，因此不會互相影響。

一般的電話、手機就是全雙工的系統(tǒng)，因為在講話時同時也可以聽到對方的聲音。數(shù)據(jù)包

數(shù)據(jù)通信是依照一定的通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術在兩個終端之間傳遞數(shù)據(jù)信息的一種通信方式和通信業(yè)務。它可實現(xiàn)計算機和計算機、計算機和終端以及終端與終端之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。是繼電報、電話業(yè)務之后的第三種最大的通信業(yè)務。

在數(shù)據(jù)通信中每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是有多有少的，由于發(fā)射機及接收機的功能、處理速度等影響，發(fā)射機及接收機不可能一次把所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送出去或接收下來，因此為了規(guī)范數(shù)據(jù)通信傳輸，需要把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成一定數(shù)量而且大小相同的包裝傳輸。這樣的數(shù)據(jù)包裝稱為數(shù)據(jù)包，如圖所示：數(shù)據(jù)包可以用一個形象一些的例子對數(shù)據(jù)包的概念加以說明：在郵局郵寄產(chǎn)品時，雖然產(chǎn)品本身帶有自己的包裝盒，但是在郵寄時候只用產(chǎn)品原包裝盒來包裝顯然是不行的。必須把內(nèi)裝產(chǎn)品的包裝盒放到一個郵局指定的專用紙箱里，這樣才能夠郵寄。這里