RFID硬件與軟件課件

RFID的硬件和軟件1讀寫器工作原理（王勛）2天線工作原理（趙韋）3電子標簽的分類和封裝（劉曙光）4標簽產品介紹：TI標簽、IDSIDE標簽、Philips標簽（曹萌萌）5RFID的中間件（郭芳）RFID的硬件和軟件1讀寫器工作原理（王勛）3電子標簽的分類和封裝3電子標簽的分類和封裝閱讀器概述閱讀器也稱為讀寫器，是RFID系統(tǒng)構成的重要部件之一。我們通過計算機軟件來讀取或寫入標簽內的數據信息。由于標簽是非接觸式的，因此我們必須借助閱讀器來實現標簽和應用系統(tǒng)之間的數據通信。閱讀器概述閱讀器也稱為讀寫器，是RFID系統(tǒng)構成的重要部件之閱讀器的主要功能閱讀器與標簽之間的通信功能閱讀器可以通過標準接口與計算機網絡連接，實現多閱讀器的網絡通信能夠在讀寫區(qū)域內實現多標簽的同時識別，具備防沖撞功能能夠校驗讀寫過程中的錯誤信息對于有源標簽，能夠識別標簽電池相關信息閱讀器的主要功能閱讀器與標簽之間的通信功能閱讀器的工作原理閱讀器和標簽的所有行為均由應用軟件來控制完成。在系統(tǒng)中，應用軟件作為主動方對閱讀器發(fā)出讀寫指令，而閱讀器則作為從動方只對應用軟件的讀寫指令做出回應。閱讀器接收到應用軟件的動作指令后，回應的結果就是對電子標簽作出相應的動作，建立某種通信關系。電子標簽響應閱讀器的指令，因此，相對于標簽來講，閱讀器就是指令的主動方。在RFID系統(tǒng)的工作程序中，應用軟件向閱讀器發(fā)出讀取命令，作為響應，閱讀器和標簽之間就會建立特定的通信，閱讀器觸發(fā)標簽工作，并對所觸發(fā)的標簽進行身份驗證，然后標簽開始傳送所要求的數據。閱讀器的工作原理閱讀器和標簽的所有行為均由應用軟件來控制完成閱讀器的基本組成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。閱讀器和標簽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標簽提供能量和時序。閱讀器的基本組成閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接RFID天線用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線是標簽與閱讀器之間傳輸數據的發(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據的發(fā)射和接收。RFID天線用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。。。天線的基本原理一根天線可以看作由許多首尾相接的電流元所組成，這些電流元又稱基本振子?；菊褡邮菢嫵商炀€輻射的基本單元，只要求得基本振子的輻射場，利用疊加原理即可了解整個天線的輻射情況。基本振子包括點輻射元、電振子元和磁振子元，由基本振子形成的電場和磁場的計算式可參考書上。點電流源天線的場如下所示：天線的基本原理一根天線可以看作由許多首尾相接的電流元所組成，RFID上線圈天線的工作原理當RFD的線圈天線進入讀寫器產生的交變磁場中，RFID天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器，兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次級線圈．由RFID的線圈天線形成的諧振回路如圖所示：它包括RFD天線的線圈電感L、寄生電容CP和并聯電容C2，其諧振頻率為：

(式中C為CP，和C2的并聯等效電容)．——發(fā)射時，把高頻電流轉換為電磁波；接收時，把電滋波轉換為高頻電流RFID上線圈天線的工作原理當RFD常用的ID-1型非接觸式IC卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mmX54.03mm×0.76mm)，天線線圈諧振工作頻率通常為13.56MHz．目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm×0.4mm線圈天線的短距離RFD應用系統(tǒng)．

某些應用要求RFD天線線圈外形很小，且需一定的工作距離，如用于動物識別的RFID．線圈外形即面積小的話，RFD與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實際使用．通常在RFD的天線線圈內部插入具有高導磁率u的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補償線圈橫截面減小的問題．RFID上線圈天線的工作原理常用的ID-1型非接觸式IC卡的外觀為一小型的塑RFID中常用天線的分類磁場耦合式天線磁場耦合式天線是低頻和高頻RFID應用中廣泛采用的天線形式，其基本形式是由線圈繞制而成。當交變電流在線圈中流動時，就會在線圈周圍產生較大的磁場，磁場穿過線圈的橫截面和線圈周圍空間，可以把讀寫器與傳感器之間的電磁場簡化為交變磁場來研究。電磁波后向散射式RFID天線工作在超高頻和微波波段，該波段的天線具有多種不同的形式。

RFID中常用天線的分類磁場耦合式天線RFID中常用天線的分類

微帶天線1.自20世紀70年代以來引起了廣泛的重視和研究，已在100兆赫至5可0吉赫的寬廣頻域上獲得多方面應用。其主要特點是剖面低、體積小、重量輕、造價低，可與微波集成電路一起集成，且易于制成共形天線等。從電性能上來說，它有便于獲得園極化、容易實現多頻段工作等優(yōu)點。主要缺點是頻帶窄、輻射效率較低及功率容量有限。2.主要有微帶貼片天線、微帶振子天線、微帶陣列天線三種類型。RFID中常用天線的分類微帶天線幾種典型的標簽天線幾種典型的標簽天線

在超高頻射頻標簽中,可選的幾種標簽天線如表所示： 在超高頻射頻標簽中,可選的幾種標簽天線如表所示：尺寸小

標簽要粘貼在待識別物體表面,因此大多數情況下都要求標簽體積小，另外許多標簽還采用易折疊的材料制作。方向圖特性

一般要求標簽天線具有全向或者半球覆蓋的方向圖，標簽粘貼在任意位置都能與讀寫器通信，這也為多目標識別提供條件。極化特性

待識別物品在各個方向,標簽天線都能與讀卡機天線的信號相匹配。為標簽芯片提供盡可能大的能量

大多數標簽都是無源的,為了提高標簽效率和讀寫距離,標簽天線必須提供盡可能多的能量給標簽芯片。成本低

盡量使用結構簡單、易于批量生產的天線結構。RFID標簽天線的特點尺寸小RFID標簽天線的特點電子標簽的分類（一）

射頻識別技術依其采用的頻率不同可分為低頻系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)兩大類（更詳細的分為：低頻、高頻、超高頻和微波）

1低頻系統(tǒng)一般指其工作頻率小于30MHz，典型的工作頻率有：125KHz、225KHz、13.56M等?；咎攸c是電子標簽的成本較低、標簽內保存的數據量較少、閱讀距離較短（無源情況，典型閱讀距離為10cm）、電子標簽外形多樣（卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀天線方向性不強等。

2高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率大于400MHz，典型的工作頻段有：915MHz、2450MHz、5800MHz等。高頻系統(tǒng)的基本特點是電子標簽及閱讀器成本均較高、標簽內保存的數據量較大、閱讀距離較遠（可達幾米至十幾米），適應物體高速運動性能好、外形一般為卡狀、閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性。

電子標簽的分類（一）射頻識別技術依其采用的頻率不同可電子標簽的分類（二）根據讀取電子標簽數據的技術實現手段，可將其分為廣播發(fā)射式、倍頻式和反射調制式三大類：

1.廣播發(fā)射式射頻識別系統(tǒng)實現起來最簡單。缺點是電子標簽因須不停地向外發(fā)射信息，既費電，又對環(huán)境造成電磁污染，而且系統(tǒng)不具備安全保密性。

2.倍頻式射頻識別系統(tǒng)實現起來有一定難度。

一般情況下，閱讀器發(fā)出射頻查詢信號，電子標簽返回的信號載頻為閱讀器發(fā)出射頻的倍頻。這種工作模式對閱讀器接收處理回波信號提供了便利，但是，對無源電子標簽來說，電子標簽將接收的閱讀器射頻能量轉換為倍頻回波載頻時，其能量轉換效率較低，提高轉換效率需要較高的微波技巧，這就意味著更高的電子標簽成本。3射調制式射頻識別系統(tǒng)實現起來要解決同頻收發(fā)問題反射回的信號強度較發(fā)射信號要弱得多，因此技術實現上的難點在于同頻接收。

電子標簽的分類（二）根據讀取電子標簽數據的技術實現手段，可將電子標簽的分類（三）根據電子標簽內是否裝有電池為其供電，又可將其分為有源系統(tǒng)和無源系統(tǒng)及半無源三大類：

1.有源電子標簽內裝有電池，一般具有較遠的閱讀距離，不足之處是電池的壽命有限（3～10年）；無源電子標簽內無電池，它接收到閱讀器（讀出裝置）發(fā)出的微波信號后，將部分微波能量轉化為直流電供自己工作，一般可做到免維護。相比有源系統(tǒng)，無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應物體運動速度方面略有限制。3.半無源射頻標簽。半無源射頻標簽內的電池供電僅對標簽內要求供電維持數據的電路或者標簽芯片工作所需電壓的輔助支持，本身耗電很少的標簽電路供電。

電子標簽的分類（三）根據電子標簽內是否裝有電池為其供電，又可電子標簽的分類（四）從電子標簽內保存的信息注入的方式可將其為分集成電路固化式、現場有線改寫式和現場無線改寫式三大類：1.集成固化式電子標簽內的信息一般在集成電路生產時即將信息以ROM工藝模式注入，其保存的信息是一成不變的；2.現場有線改寫式電子標簽一般將電子標簽保存的信息寫入其內部的E2存貯區(qū)中改寫時需要專用的編程器或寫入器，改寫過程中必須為其供電；3.現場無線改寫式電子標簽一般適用于有源類電子標簽，具有特定的改寫指令，電子標簽內保存的信息也位于其中的E2存貯區(qū)。電子標簽的分類（四）從電子標簽內保存的信息注入的方式可將其為電子標簽的封裝（一）封裝方法

印刷天線與芯片的互連上,因RFID標簽的工作頻率高、芯片微小超薄,最適宜的方法是倒裝芯片(FlipChip)技術,它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特點.

為適應柔性基板材料,倒裝的鍵合材料要以導電膠來實現芯片與天線焊盤的互連。柔性基板要實現大批量低成本的生產,以及為了更有效地降低生產成本,采用新的方法進行天線與芯片的互連是目前國際國內研究的熱點問題。為了適應更小尺寸的RFID芯片,有效地降低生產成本,采用芯片與天線基板的鍵合封裝分為兩個模塊分別完成是目前發(fā)展的趨勢.

電子標簽的封裝（一）封裝方法電子標簽的封裝（二）封裝工藝

RFID標簽因不同的用途呈現多種封裝形式,因而在天線制造、凸點形成、芯片鍵合互連等封裝過程工藝也呈多樣性。(1)天線制造繞制天線基板(對應著引線鍵合封裝)印刷天線基板(對應著倒裝芯片導電膠封裝)蝕刻天線基板(對應著引線鍵合封裝或者模塊鉚接封裝)電子標簽的封裝（二）封裝工藝(2)凸點的形成目前RFID標簽產品的特點是品種繁多,但并非每個品種的數量能形成規(guī)模。因此,采用柔性化制作凸點技術具有成本低廉,封裝效率高,使用方便,靈活,工藝控制簡單,自動化程度高等特點。不僅可解決微電子工業(yè)中可變加工批量、高密度、低成本封裝急需的難題,還為目前正蓬勃興起的RFID標簽的柔性化生產提供條件。(3)RFID芯片互連方法倒裝芯片凸點與柔性基板焊盤互連可采用三種方式:各向同性導電膠(ICA)加底部填充,各項異性導電膠(ACA,ACF),不導電膠(NCA)直接壓合釘頭凸點的方法。(2)凸點的形成電子標簽的封裝（三）RFID標簽封裝設備

目前RFID產品的封裝設備只有國外一些廠商提供,柔性基板的標簽均選用從卷到卷的生產方式,該生產線包括基板進料、上膠、芯片翻轉貼裝(倒裝)、熱壓固化、測試、基板收料等工藝流程。另一種生產方式為先制造RFID模塊,然后將其與天線基板進行鍵合組裝。該方法由獨立的可精密定位的芯片轉移設備將芯片置于載帶構成芯片模塊,再由芯片模塊將芯片轉移至天線基板,其優(yōu)點是兩次轉移可獨立并行執(zhí)行,芯片翻轉通過載帶的盤卷方式實現,因而生產效率得以提高。電子標簽的封裝（三）RFID標簽封裝設備電子標簽的封裝（四）封裝形式(1)卡片類(PVC、紙、其他)層壓式,有熔壓和封壓兩種。

(2)標簽類粘貼式,成品可制成為人工或貼標機揭取的卷標形式,是應用中最多的主流產品,即商標背面附著電子標簽,直接貼在被標識物上。如航空用行李標簽,托盤用標簽等。吊牌式,對應于服裝、物品采用吊牌類產品,特點是尺寸緊湊,可以回收。(3)異形類金屬表面設置型,大多數電子標簽不同程度地會受到金屬的影響而不能正常工作。這類標簽經過特殊處理,可以設置在金屬上并可以讀寫。用于壓力容器、鍋爐、消防器材等各類金屬件的表面。電子標簽的封裝（四）封裝形式4標簽產品TI（TexasInstruments）即美國德州儀器公司，TI是全球最大的RFID產品集成制造商。結合半導體產品的開發(fā)和封裝的優(yōu)勢，提供低頻、高頻與超高頻的所有無源RFID技術平臺，以及感應器、讀寫器、天線、評估套件、附件、軟件下載等產品，并提供快速、低成本的RFID解決方案，以方便客戶開發(fā)和使用RFID技術。TI標簽4標簽產品TI（TexasInstruments）即美國目前以Tag-it電子標簽高頻13.56MHZ為主其標簽本身不需要另加電源只需借由卡片閱讀機天線發(fā)射的電磁波即可感應產生能量，將其自身的IDCode及資料發(fā)射予卡片閱讀機接收。高頻Tag-it電子標簽為一具有獨立IDCode與可重復讀寫內存的無線射頻感應識別標簽。主要應用于特快專遞、航空行李管理、電子門票、汽車防盜、商品防偽、無接觸付費、供應鏈管理等諸多方面。Tag-it系列目前以Tag-it電子標簽高頻13.56MHZ為主Tag-i高頻Tag-it電子標簽主要特點每張Tag-it皆有一無法修改獨立的IDCodeTag-it可重復讀寫達100，000次以上?？芍貜妥x寫內存共2kbits，分為64頁，每頁32bits，每頁皆可單獨修改或鎖死，一旦鎖死該頁即可只能讀取而不能修改。Tag-it的構成為一芯片與軟性電路板，其復制難度極高。高頻Tag-it電子標簽主要特點每張Tag-it皆有一無法修6000系列產品6000系列采用了高頻閱讀器，工作在13.56MHz頻率下，該系列包含了一個閱讀器、天線和應答器。工作遵循“閱讀器通話優(yōu)先”原則，即收發(fā)機一直保持沉默，直到電子標簽發(fā)出請求要收發(fā)機回答。閱讀器能夠迅速識別出天線工作范圍內的大量電子標簽，能夠對其進行數據讀寫。6000系列產品6000系列采用了高頻閱讀器，工作在13.5多協(xié)議收發(fā)器芯片S6700S6700芯片是TI公司開發(fā)的正對電子標簽讀寫的多協(xié)議收發(fā)器，它能夠支持的通信協(xié)議包括：Tag-it、ISO／IEC15693-2、ISO／IEC14443-2(A類)。從功能上可劃分為發(fā)送器、接收器、電源供應部分、參考時鐘和外部振蕩器、串行通信接口等幾部分。發(fā)射器由5V直流電源供電，射頻輸出功率最大為200mW，它提供給用戶的接口為標準數字接口，類似于SPI口，面向用戶的控制接口主要有3根。多協(xié)議收發(fā)器芯片S6700S6700芯片是TI公司開發(fā)的正對基于S6700的電子標簽讀寫器具有成本低廉，穩(wěn)定性好等特點，完全支持ISO／IEC15693協(xié)議的全部命令，并且實現了同時識別，若設計出功率放大器，讀寫距離可以達到lm左右，可滿足門禁、校園一卡通等非高速識別應用場合的需要，在低成本應用領域有較廣闊的應用空間?；赟6700的電子標簽讀寫器具有成本低廉，穩(wěn)定性好等特點，INSIDE電子標簽法國INSIDE公司主要從事非接觸式智能卡與電子標簽的研究和生產，在交通、訪問控制、支付、身份和電子識別等方面提供各種解決方案。INSIDE電子標簽有三種形式：PICOTAG,PICOPASS,PICOCRYPTINSIDE電子標簽法國INSIDE公司主要從事非接觸式智能PICOTAG系列存儲器：有8個獨立的頁面，2kb的應用區(qū)，由不同的密鑰保護，可以合并為一個16kb的頁面。使用門形天線時，最大通訊距離可達1.5m；使用獨立天線時可達70cm。具備出色的抗沖突能力，可以處理現場同時出現的多個標識電子標簽，以較低成本達到遠距離通訊效果。提供了額外的加密安全功能，可以用于內部數據的保護和芯片認證。使用2個獨立密鑰來保護2個不同的應用程序，有效防止末授權用戶讀取和修改芯片內存，以及芯片復制和模擬。同時可管理一個安全儲存的數據區(qū)域的借貸事務。

PICOTAG系列存儲器：有8個獨立的頁面，2kb的應用區(qū)，PICOPASS系列是2002年6月6日Inside公司在亞太市場上推出首批、也是唯一一種獲得專利的16kb/s非接觸式芯片。這種芯片也符合芯片雙向通信標準，用這種芯片可以進行近程和超近距離操作。由于具有加密安全功能、多應用程序結構和電子錢包的功能，PICOPASS足以填補基于芯片的昂貴微處理器和容量較低的非接觸式存儲芯片之間的空白。

PICOPASS系列是2002年6月6日Inside公司PICOPASS系列對于交通業(yè)，可以通過使用近程通信和乘客流鄰近跟蹤進行收費；對于那些注重安全性、身份識別和訪問控制的公司來說，PICOPASS的大存儲量可以通過密碼授權來存儲那些受保護的指紋、簽名和圖像信息。擁有超近程和近程的綜合優(yōu)點，一張公司卡就可以對停車記錄、建筑物的進入以及自動購物支付和PC機登錄進行管理。PICOPASS系列對于交通業(yè)，可以通過使用近程通信和乘客流PICOPASS主要技術特點：

具有16Kbit的存儲容量，可以滿足那些需要大存儲容量的應用程序。使用ISO/IEC14443（B）標準對超近程（10cm）進行快速訪問，速度可達到424K/S；使用ISO/IEC15693標準可以以26K/S的速度，進行遠程（大于1m）訪問。

對同一個應用程序，可以自動偵測通信標準，從而可以啟用混合通信模式。靈活和可配置的文件結構，該文件結構可以個性化地映射8個獨立的2K頁面或者一張16K頁面。PICOPASS主要技術特點：

具有16Kbit的存儲容量，Philips標簽Philips公司在射頻識別領域的重要產品是Mifare系列產品，而I·CODE（高頻）系列產品是該公司最主要的智能電子標簽產品。I·CODE主要針對大流量物流應用設計，如零售供應鏈管理、租賃和資產管理等。其芯片能夠存儲獨特的數據，可以起到產品確認和防偽的作用。Philips標簽Philips公司在射頻識別領域的重要產品I·CODE系列產品主要有4類：I·CODE1、I·CODE1-HC、I·CODESLI和I·CODEHSL。產品特征I·CODE1I·CODE1-HCI·CODESLII·CODEHSL存儲器512bit512bit1024bit1024bit數據壽命10年10年10年10年組織結構16塊16塊32塊64塊工作頻率13.56MHz13.56MHz13.56MHzUHF/2.45GHz工作距離最大1.5m最大1.5m最大1.5m最大7m協(xié)議I·CODE1I·CODE1ISO/IEC15693,ISO/IEC18000ISO/IEC18000I·CODE系列產品主要有4類：I·CODE1、I·CODI·CODESLI從物品識別方面看，國際上很多商品如CD、DVD、錄像帶、DVD等，都采用了以I·CODESLI為基礎的系統(tǒng)加上防盜標簽。放在智能貨架上的化妝品和食品貼上標簽后，可提供實時庫存和保質期控制，及時更新銷售數據。顧客忠誠卡應用，是顧客獲取信息和多媒體服務。I·CODESLI從物品識別方面看，國際上很多商品如CD、I·CODEHSLI·CODE系列中第一個能在UHF和2.45GHz范圍內工作的成員，最先符合GTAG計劃下的ISO/IEC18000-4和ISO/IEC18000-6標準。課用在跟蹤貨盤和貨箱等方面，以改進庫存管理。由于能讀取7m以內的信息，能夠識別從配送中心到商場內的所有產品。I·CODEHSLI·CODE系列中第一個能在UHF和2.RFID硬件與軟件ppt課件5RFID軟件軟件是RFID技術的重要組成部分，主要包括：底層支撐軟件通信軟件RFID中間件上位機軟件5RFID軟件軟件是RFID技術的重要組成部分，主要包括：底層支撐軟件

底層支撐軟件即基于硬件模塊的初始化及驅動程序，一般采用C語言進行編程，其主要內容有：讀寫數據模塊初始化射頻通信模塊初始化串口初始化鍵盤掃描模塊初始化LED顯示模塊初始化底層支撐軟件底層支撐軟件即基于硬件模塊的初始化及驅動程通信軟件

通信軟件實現了讀寫器與電子標簽以及讀寫器與上位機之間的信息交換，是RFID技術十分重要的一部分。其中讀寫器與電子標簽間的軟件功能主要包括：控制讀寫器與電子標簽的通信過程，即讀寫數據執(zhí)行防碰撞算法，實現多標簽識別對讀寫器與標簽間傳送的數據進行加密和解密進行讀寫器與標簽間的身份驗證通信軟件通信軟件實現了讀寫器與電子標簽以及讀寫器與上位機之通信軟件在通信過程中，RFID編碼以及空中接口協(xié)議是最重要的兩部分。國際上目前還沒有統(tǒng)一的RFID編碼規(guī)則，其中歐美的EPC標準和日本的UID標準是當今影響力最大的兩個標準。例如EAN13編碼6901010101098其中690代表我國EAN組織，1010代表生產公司，10109是聽裝飲料的商品代碼，8為校驗位。通信軟件在通信過程中，RFID編碼以及空中接口協(xié)議是最重要的通信軟件