RFID系统的构成及工作原理

《RFID系统的构成及工作原理》教学设计信息技术学院李斌一、案例识读与分析二、RFID系统构架三、RFID编码、调制与数据校验四、RFID系统的基本原理主要内容五、实训与实践RFID：数据的神经末梢，RFID系统在湖南长丰汽车公司的案例一、案例识读与分析案例分析与讨论：（1）简述湖南长丰汽车公司RFID系统的主要构成及在生产中起到的作用？（2）简述RFID系统的工作原理？RFID是一种系统，一种射频识别系统。典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4部分构成，一般我们把中间件和应用软件统称为应用系统。二、RFID系统构架图4-2RFID的系统结构在实际RFID解决方案中，不论是简单的RFID系统还是复杂的RFID系统都包含一些基本组件。组件分为硬件组件和软件组件。二、RFID系统构架图4-3射频识别系统基本组成若从功能实现的角度观察，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，如图4-3示。这种观点同现代信息技术观点相吻合。边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递。1、电子标签二、RFID系统构架图4-4RFID系统构件——标签电子标签（ElectronicTag）也称也称应答器或智能标签（SmartLabel），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。电压调节器：把由标签阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源；调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给阅读器；解调器：把载波去除以取出真正的调制信号；逻辑控制单元：用来译码阅读器送来的信号，并依其要求回送数据给阅读器；存储单元：包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。2、读写器二、RFID系统构架图4-6读写器组成示意图读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成RFID系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到RFID标签中，因此称为读写器。读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器，报警器的输入/输出接口、通信接口及电源等部件组成，如图4-6所示。3、控制器二、RFID系统构架控制器是读写器芯片有序工作的指挥中心，主要功能是：与应用系统软件进行通信；执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器与电子标签之间的身份认证；对键盘、显示设备等其他外部设备的控制。其中，最重要的是对读写器芯片的控制操作。4、读写器天线二、RFID系统构架天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。RFID系统读写器天线的特点是：①足够小以至于能够贴到需要的物品上；②有全向或半球覆盖的方向性；③能够给标签的芯片提供最大可能的信号；④无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配；⑤具有鲁棒性；⑥价格便宜。在选择读写器天线时应考虑的主要因素有：①天线的类型；②天线的阻抗；③应用到物品上的RF的性能；④在有其他物品围绕贴标签物品时RF的性能。5、通信设施二、RFID系统构架通信设施为不同的RFID系统管理提供安全通信连接，是RFID系统的重要组成部分。通信设施包括有线或无线网络和读写器或控制器与计算机连接的串行通信接口。无线网络可以是个域网（PAN）（如蓝牙技术）、局域网（如802.11x、WiFi），也可以是广域网（如GPRS、3G技术）或卫星通信网络（如同步轨道卫星L波段的RFID系统）。1、RFID编码三、RFID编码、调制与数据校验射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似，满足了通信功能的基本要求。读写器和电子标签之间的数据传输构成了与基本通信模型相类似的结构。读写器与电子标签之间的数据传输需要三个主要的功能块，如图4-8所示。按读写器到电子标签的数据传输方向，是读写器（发送器）中的信号编码（信号处理）和调制器（载波电路），传输介质（信道），以及电子标签（接收器）中的解调器（载波回路）和信号译码（信号处理）。图4-8射频识别系统的基本通信结构框图2）、RFID调制三、RFID编码、调制与数据校验脉冲调制是指将数据的NRZ码变换为更高频率的脉冲串，该脉冲串的脉冲波形参数受NRZ码的值0和1调制。主要的调制方式为频移键控FSK和相移键控PSK。图4-12FSK脉冲调制波形00011数据时钟数据NRZ码FSK脉冲f0f0f1f1（1）FSK调制FSK是指对已调脉冲波形的频率进行控制，FSK调制方式用于频率低于135kHz(射频载波频率为125kHz)的情况，图4-12所示为FSK方式一例，数据传输速率为fc/40,fc为射频载波频率。FSK调制时对应数据1的脉冲频率f1=fc/5,对应数据0的脉冲频率f0=fc/8。1）、RFID数据传输常用编码格式三、RFID编码、调制与数据校验数字基带信号波形，可以用不同形式的代码来表示二进制的“1”和“0”。射频识别系统通常使用下列编码方法中的一种：反向不归零（NRZ）编码、曼彻斯特（Manchester）编码、单极性归零（UnipolarHZ）编码、差动双相（DBP）编码、米勒（Miller）编码利差动编码。最常用的数字信号波形为矩形脉冲，矩形脉冲易于产生和变换。以下用矩形脉冲为例来介绍几种常用的脉冲波形和传输码型。图4-9所示为4种数字矩形码的脉冲波形。图4-9数据矩形码的脉冲波形1）、RFID数据传输常用编码格式三、RFID编码、调制与数据校验数字基带信号波形，可以用不同形式的代码来表示二进制的“1”和“0”。射频识别系统通常使用下列编码方法中的一种：反向不归零（NRZ）编码、曼彻斯特（Manchester）编码、单极性归零（UnipolarHZ）编码、差动双相（DBP）编码、米勒（Miller）编码利差动编码。最常用的数字信号波形为矩形脉冲，矩形脉冲易于产生和变换。以下用矩形脉冲为例来介绍几种常用的脉冲波形和传输码型。图4-9所示为4种数字矩形码的脉冲波形。图4-9数据矩形码的脉冲波形15RFID中常用的编码方式及编解码器曼彻斯特（Manchester）码100110数据时钟CLKNRZ码数据曼彻斯特码三、RFID编码、调制与数据校验16RFID中常用的编码方式及编解码器曼彻斯特（Manchester）码异或非门7404数据CLK2CLK7486编码控制输出VCCPRCLDCLKQQ74HC741编码器电路三、RFID编码、调制与数据校验173编码和调制RFID中常用的编码方式及编解码器曼彻斯特（Manchester）码100使能（PR端）2CLKCLKDATA（数据）异或输出74HC74QQHC7474（输出）曼彻斯特码编码器时序波形图示例18RFID中常用的编码方式及编解码器密勒（Miller）码密勒码编码规则bit(i-1)biti密勒码编码规则×1biti的起始位置不变化，中间位置跳变00biti的起始位置跳变，中间位置不跳变10biti的起始位置不跳变，中间位置不跳变三、RFID编码、调制与数据校验19RFID中常用的编码方式及编解码器10111000数据数据时钟NRZ倒相的曼彻斯特码密勒码1111110000000000密勒码波形及与NRZ码、曼彻斯特码的波形关系三、RFID编码、调制与数据校验20RFID中常用的编码方式及编解码器密勒（Miller）码非门编码控制VCCPRCLCLKDQQ7474曼彻斯特码密勒码输出1用曼彻斯特码产生密勒码的电路三、RFID编码、调制与数据校验21修正密勒码编码器假设输出数据为011010数据NRZ码输入13.56MHz时钟使能异或128分频计数器编码器修正密勒码输出数据时钟abcde13.56MHz（a）修正密勒码编码器原理框图01110000abcdeZZXXYXYZY（b）波形图示例三、RFID编码、调制与数据校验22修正密勒码解码解码输出解码开始脉冲形成时钟电路内部数据产生数据寄存解码结束使能数据CLKCLK（13.56MHz）修正密勒码输入结束信号修正密勒码解码器原理框图三、RFID编码、调制与数据校验23修正密勒码解码data-reg(0)触发器输出（脉冲P置1，数据时钟下降沿翻转）Logic-0触发器输出（脉冲P复零，识别到逻辑零时为高）修正密勒码输入使能信号CLK（13.56MHz）数据时钟脉冲形成电路输出解码数据（数据时钟上升沿采样）END信号Pause关闭使能起始位通信结束0时序y时序y通信结束0000111仍为高ppppδδδδ011010解码时序波形图示例三、RFID编码、调制与数据校验24脉冲调制将数据的NRZ码变换为更高频率的脉冲串，该脉冲串的脉冲波形参数受NRZ码的值0和1调制。主要的调制方式为频移键控FSK和相移键控PSK。三、RFID编码、调制与数据校验25脉冲调制FSK00011数据时钟数据NRZ码FSK脉冲f0f0f1f1FSK脉冲调制波形三、RFID编码、调制与数据校验26脉冲调制FSK调制fc/5fc/8分频器射频载波fc数据NRZ码门电路1门电路2移相π数据NRZ码FSK输出FSK实现的原理框图三、RFID编码、调制与数据校验27脉冲调制FSK解调PRCLDCLKQQ7474PRCLDCLKQQ74745V5V单稳74121FSK信号125kHz时钟ResetQ7CLKenCLK10进计数器4017数据输出至MCU非非D2D1R11FSK解调电路原理图三、RFID编码、调制与数据校验28脉冲调制FSK解调工作原理如下：触发器D1将输入FSK信号变为窄脉冲。触发器D1采用74HC74，当端为高时，FSK上跳沿将Q端置高，但由于此时为低，故CL端为低，又使Q端回到低电平。Q端的该脉冲使十进计数器4017复零并可重新计数。三、RFID编码、调制与数据校验29脉冲调制PSK1和PSK2PPPPPPPPPP0011PP数据NRZ码PSK1PSK2采用PSK1调制时，若在数据位的起始处出现上升沿或下降沿（即出现1，0或0，1交替），则相位将于位起始处跳变180°。而PSK2调制时，相位在数据位为1时从位起始处跳变180°，在数据位为0时则相位不变。三、RFID编码、调制与数据校验30PSK调制电路参考脉冲波移相π（倒相）门电路1门电路2倒相器PSK输出数据NRZ码选择相位法电路框图三、RFID编码、调制与数据校验313编码和调制PSK解调电路阅读器能正确将PSK调制信号变换为NRZ码的关键。PRCLKDQQCL74745V5VPRCLKDQQCL74745V5VPRDCLKQQCL74745V5VD1D2D3PRCLKDQQCL7474125kHz基准信号至MCU异或4异或2窗口检测电路12C1异或3异或1C2R1R2非门非门PSK信号R3C3D41132设PSK信号的数据速率为fc/2（fc为射频载波频率值125kHz），则加至解调器的PSK信号是125kHz/2=62.5kHz的方波信号。该PSK信号进入解调器后分为两路：一路加至触发器D3的时钟输入端（CLK），触发器D3是位值判决电路；另一路用于形成相位差为90°的基准信号。触发器D3的D输入端加入的是由125kHz载波基准形成的62.5kHz基准方波信号，这样，若触发器的D3的时钟与D输入端两信号相位差为90°（或相位差不偏至0°或180°附近），则触发器D3的Q端输出信号即为NRZ码，可供微控制器MCU读入。三、RFID编码、调制与数据校验33触发器D1输出触发器D2输出（62.5kHz）125kHz基准方波异或1输出数据0数据1数据0数据1PSK波形（62