无源RFID技术的基本原理与应用方案

无源RFID技术的基本原理与应用方案1RFID射频识别技术简介1.1RFID的概念RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可以识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。1.2RFID的基本组成部分最基本的RFID应用系统由三部分组成：如图所示：A标签(Tag)B阅读器(Reader)C天线(Antenna)1.3无源RFID的基本原理读写器通过发射天线发射一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活；标签将自身编码等信息通过天线发送出去；系统接收天线接收从标签发送过来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收到的信号进行解调之送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，根据不同的设定进行相关的处理，并通过天线修改标签的内部信息（可读写标签）。标签1标签2计算机接口单元控制模块收发模块耦合模块阅读器天线天线....数据时序能量RFID工作原理1.4各组成部分的介绍1）电子标签电子标签附着在待识别的物品上，是射频识别系统真正的数据载体，当标签进入天线有效覆盖区域内无源标签就能从天线发出的电磁场中获得能量，从而被激活。一般情况下，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。2）阅读器当附着有电子标签的待识别物品通过其读出范围内时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或自动收集物品标识信息的功能。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。3）天线天线及空间信道天线用于发射信号来形成有效的电磁场覆盖区域和接收标签的返回信号。针对无源标签的任务有两个：一是通过电磁场耦合向标签提供能量，二是通过电磁耦合在标签与阅读器之间建立传送数据的通道。在RFID系统中应该使用方向性天线，它与全向天线相比具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和ASIC（为专中间件及应用软件信息处理系统响应单元编码解码存储器物理接口调试解调查询写入读取命令写数据读数据阅读器电子标签数据能量数据协议处理器标签驱动射频单元应用程序接口（API）空中接口门目的所设计的集成电路）相匹配。2无源RFID的数据与能量传输2.1阅读器与电子标签之间的耦合类型1）电感耦合一种变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，所依据的是电磁感应原理。适用于中低频。例如：125KHZ，225KHZ，13.56MHZ等。作用距离有限。电感耦合2）电磁反向散射耦合雷达原理模型，碰到目标后反射同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。常用的频率有433MHZ，915MHZ，2.45GHZ，5.8GHZ等。作用距离可达3-10m。根据本方案的应用需求选用电磁反向散射耦合。电磁反向散射耦合利用电磁反向散射耦合的反向散射调制技术是指无源RFID将数据发挥阅读器所采用的方式。标签返回数据的方式是控制天线的阻抗，方法有多种，都是基于一种阻抗开关的方法。实际采用的阻抗开关有，变容二极管、逻辑门与高速开关等。2.2RFID工作频率的分类1）概要从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率。射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。典型的工作频率有：125kHz，133kHz，13.56MHz，27.12MHz，433MHz，902~928MHz，2.45GHz，5.8GHz等。2）低频段射频标签低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz~300kHz。典型工作频率有：125KHz，133KHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签须位于阅读器天线辐射的近场区内。阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。与低频标签相关的国际标准有：ISO11784/11785（用于动物识别）、ISO18000-2（125-135kHz）。低频标签的主要优势体现在：标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用（例如：动物识别）等。低频标签的劣势主要体现在：标签存贮数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用；与高频标签相比：标签天线匝数更多，成本更高一些；3）中高频段射频标签中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz。典型工作频率为：13.56MHz。该频段的射频标签，从射频识别应用角度来说，其工作原理与低频标签完全相同。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。中频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有：ISO14443、ISO15693、ISO18000-3（13.56MHz）等。4）超高频与微波标签超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签，其典型工作频率为：433.92MHz，862(902)~928MHz，2.45GHz，5.8GHz方式。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4~6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。以目前技术水平来说，无源微波射频标签比较成功产品相对集中在902~928MHz工作频段上。2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。典型的微波射频标签的识读距离为3~5m，个别有达10m或10m以上的产品。微波射频标签的典型应用包括：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有：ISO10374，ISO18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（860-930MHz）、-7（433.92MHz），ANSINCITS256-1999等。2.3耦合类型根据射频系统的作用距离，标签天线和阅读器天线之间耦合方式可以分为三类：密耦合系统、遥耦合系统与远距离系统。1）密耦合系统密耦合系统的典型作用距离范围1厘米左右。利用射频标签与阅读器天线的无功近场之间的电感耦合（闭合磁路）构成的无接触的空间信息传输射频通道工作的。工作频率一般局限在30MHZ以下。由于密耦合方式的电磁泄漏很小，耦合获得的能量较大，因而适合安全性要求较高，作用距离无要求的应用系统，例如电子门锁等。2）遥耦合系统遥耦合系统的典型作用距离可达1米，又可细分为近耦合系统（典型作用距离15厘米）与疏耦合系统（典型作用距离1米）两类。典型工作频率为13.56MHZ,6.75MHZ,27.125MHZ等。3）远距离系统典型作用距离是1米到10米。所有远距离系统均是利用标签与阅读器天线辐射远场区之间的电磁耦合（电磁波的发射与反射）构成的无接触的空间信息传输通道工作的。3RFID电路设计无源电子标签本身无电源模块，而是由阅读器天线发射出的电磁场激发出能量供给电子标签内部电路工作的。对于本方案选择超高频（UHF）无源RFID电子标签，其基本结构如下图所示：UHF无源RFID标签的结构1）电源恢复电路电源恢复电路将RFID标签天线接收到的超高频信号经过整流、升压稳压等操作后转变成直流电压为标签的工作提供能量。常用的电源恢复电路的结构如图：电源恢复电路该电路参考了Dickson电荷泵的原理，用二极管连接的NMOS零阈值晶体管来替换肖特基势垒二极管，从而可以方便的采取多级Dickson倍压电路结构来提高电压转换的性能。2）电源稳压电路由于RFID标签所处的电磁环境很复杂，输入信号的功率会在短时间内变化存储器反向散射调制电路解调电路电源恢复电路电源稳定电路控制单元时钟恢复产生电路参考源产生电路启动信号产生电路天线几百上千倍。所以，在输入信号幅度较高时，电源稳压电路必须能够保证输出地直流电源电压不超过芯片能够承受的最高电压;同时，在输入信号较小时，稳压电路所消耗的功率要尽量小，以减少芯片的总功耗。图中所示的是一种并联型稳压电路，三个串联的二极管D1、D2、D3与电阻R1组成电压感应器，控制泄流管M1的栅极电压。当电源电压超过三个二极管开启电压之和后，M1栅极电压升高，M1导通，开始对储能电容C1放电。3）调制、解调电路A解调电路出于减少新品面积和功耗的考虑，目前大部分无源RFID标签均采用幅移键控法ASK调制，对于标签芯片的ASK解调电路，常用的解调方式是包络检波的方式，如下图所示：ASK包络检波解调电路B调制电路无源UHFRFID标签一般采用反向散射的调制方法，通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而达到调制的目的。一般设计天线阻抗与芯片输入阻抗使其在未调制时接近功率匹配，而在调制时，使其反射系数增加。常用的反向散射方法是在天线的两个输入端间并联一个接有开关的电容，如下图所示：反向散射调制电路4）启动信号产生电路电源启动复位信号产生电路在RFID标签中的作用是在电源恢复完成后，为数字电路的启动工作提供复位信号。启动信号产生电路4RFID中间件RFID中间件扮演RFID硬件和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使用中间件所提供的一组通用应用程序接口(API)，即能实现到RFID读写器的连接。RFID中间件在RFID系统中的作用如下图所示：RFID中间件在系统中的作用及位置5无源RFID的应用方案5.1方案要求介绍以无源RFID技术在铁路机车运行位置监测上的应用为例来说明对于RFID系统应用上的要求。本方案设计思想是：在机车上安装阅读器和天线，在地面公里牌上安装存有编码信息的标签。当列车经过时，阅读器天线发出的射频波射到标签上，完成读取过程之后，传回标签内的信息并存入车载主机进行处理或者传回列车调度中心对列车的行驶进行实时监测。所以对RFID系统的要求是：无源标签，低功耗，远距离作用（1-10m），标签一次写入多次读出，读出速率较快，可抵御水、噪声、震动等干扰。5.2系统组成系统由车载主机，电子里程标签，车载读出设备，接口模块以及标签编程器等部分组成。行业应用集成环境RFID中间件环境阅读器RFID标签应用系统业务数据集成RFID中间件阅读器标签系统的基本组成示意图4.3部件设计1）电子里程标电子里程标由电子标签与标签支座组成。电子标签内部有一个128为的存储器，用于存储线路名、管辖局、工务段名称、里程数等信息。电子标签应当选用无源超高频标签，频率选择915MHZ或者2.45GHZ，调制类型幅移键控法ASK包络检波调制，耦合类型为电磁反向散射耦合，模拟前端电路的实际可以参照前面章节进行设计。标签芯片的内部结构如下图:标签芯片电子里程标签的标准安放位置为铁路运行方向的左侧，整里程处，标签支座------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------列车调度中心或车载主机地面设备标签编程器标签支座读出计算机RF模块天线车载阅读设备接口模块通信模块车载设备标签电子里程标线路整里程点顶距钢轨外侧水平250cm，垂直低于轨面20cm处，标签倾角与机车上天线倾角相同及两个面平行，与竖直方向成15°夹角。2）车载阅读器所用天线为方向性天线，识别准确，耗能较少，作用距离远。天线安装在天线支架上，为了保证机车反方向行驶时系统也可以工作，在车辆的两侧都装有天线。天线面与竖直方向成15°角。3）软件设计系统软件设计要求实现模块化，时序安