第5章RFID电子标签

复习与回顾•RFID天线技术–了解天线作用、分类及其设计现状–掌握低频和高频RFID天线特点–掌握微波RFID天线特点和常用设计方法–熟悉RFID天线的制造工艺2019/8/61第5章RFID电子标签电子标签是携带物品信息的数据载体。根据工作原理不同，可将电子标签的数据载体分为两类：无芯片电子标签有芯片电子标签2019/8/63RFID电子标签•5.1一位电子标签•5.2采用声波表面技术的标签•5.3含有芯片的电子标签•5.4具有存储功能的电子标签•5.5含有微处理器的电子标签•5.6电子标签的发展趋势2019/8/645.1一位电子标签1位系统的数据量为1位，当电子标签是1位（1b）系统时，电子标签只有1和0两种状态。该系统读写器只能发出两种状态，这两种状态分别是“在读写器工作区有电子标签”和“在读写器工作区没有电子标签”。如，应用商店的防盗系统。1位的电子标签不需要芯片，可以采用射频法、微波法、分频法、智能型、电磁法和声磁法等多种方法进行工作。下面以射频法为例，介绍1位电子标签的工作原理。2019/8/651．射频法工作原理射频法工作系统由读写器（检测器）、电子标签和去激活器三部分组成。（1）读写器（检测器）（2）电子标签（3）去激活器2019/8/66（1）读写器包括两个部分：发射器和接收器。系统利用电磁波的共振原理来搜寻特定范围内是否有电子标签存在。（2）电子标签电子标签内部是一个L-C结构的的振荡回路。去激活器能够产生足够强的磁场，该磁场可以将电子标签中的薄膜电容破坏，是电子标签内的L-C结构失效。2019/8/67现今电子商品防盗系统（ElectronicArticleSurveillance，EAS）在零售商业系统的应用越来越广泛。它是一种为零售商业减少开架售货时商品失窃，从而增加销售利润的电子防盗产品，是目前大型零售行业广泛采用的商品安全措施之一。2．电子商品防盗系统简介2019/8/68EAS系统防盗检测的步骤如下:（1）将防盗标签附着在商品上。（2）在商场出口通道或收银通道处安装检测器。（3）付款后的商品经过专用解码器使标签解码失效或开锁取下标签。（4）未付款商品（附着标签）经过出口时，门道检测器测出标签并发出警报，拦截商品出门。2019/8/69RFID电子标签•5.1一位电子标签•5.2采用声波表面技术的标签•5.3含有芯片的电子标签•5.4具有存储功能的电子标签•5.5含有微处理器的电子标签•5.6电子标签的发展趋势2019/8/6105.2采用声表面波技术的标签声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）是传播于压电晶体表面的机械波。声表面波标签不需要芯片，应用了电子学、声学、雷达、半导体平面技术及信号处理技术，是有别于IC芯片的另一种新型标签。利用声表面波技术制造标签，始于20世纪80年代，近年来对声表面波标签的研究已经成为一个热点。2019/8/6111．声表面波器件所谓SAW，就是在压电固体材料表面产生和传播弹性波，该波振幅随深入固体材料深度的增加而迅速减小。典型的声表面波器件结构原理图如图5-3所示。电信号通过叉指发射换能器转换成声信号（声表面波），在介质中传播一定距离后到达接收叉指换能器，又转换成电信号，从而得到对输入电信号模拟处理的输出电信号。2019/8/6122．声表面波的特点（1）实现电子器件的超小型化。（2）实现电子器件的优越性能。（3）易于工业化生产。（4）性能稳定。2019/8/6133．声表面波标签•采用先进微电子加工技术制造的声表面波器件，具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点。•随着加工工艺的飞速发展，SAW器件的工作频率已覆盖10MHz～2.5GHz，是现代信息化产业不可或缺的关键元器件。•SAW标签目前的工作频率主要为2.45GHz，这种标签无源，而且抗电磁干扰能力强，具有一定独特的优势，是对集成电路技术的补充。2019/8/614SAW标签是由叉指换能器和若干反射器组成由于声表面波传播速度低，有效的反射脉冲串在经过几微秒的延迟时间后才回到读写器，在此延迟期间，来自读写器周围的干扰反射已衰减，不会对声表面波电子标签的有效信号产生干扰。2019/8/6154．声表面波技术的发展方向•提高工作频率•微型化、片式化、组合化•降低插入损耗•宽带化•提升耐电力特性2019/8/616RFID电子标签•5.1一位电子标签•5.2采用声波表面技术的标签•5.3含有芯片的电子标签•5.4具有存储功能的电子标签•5.5含有微处理器的电子标签•5.6电子标签的发展趋势2019/8/6175.3含有芯片的电子标签•含有芯片的电子标签是以集成电路芯片为基础的电子数据载体，这也是目前使用最多的电子标签。•含有芯片的电子标签基本由天线、模拟前端（射频前端）和控制电路三部分组成。•从读写器发出的信号，被电子标签的天线接收，该信号通过模拟前端（射频前端）电路，进入电子标签的控制部分，控制部分对数据流做各种逻辑处理。•为了将处理后的数据流返回到读写器，射频前端采用负载调制器或反向散射调制器等多种工作方式。2019/8/6185.3.1模拟前端1．电感耦合工作方式的模拟前端当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片提供所需的直流电压。2019/8/6192．电磁反向散射工作方式的射频前端当电子标签采用电磁反向散射的工作方式时，射频前端有发送电路、接收电路和公共电路三部分2019/8/620•发送电路的主要功能是对控制部分处理好的数字基带信号进行处理，然后通过电子标签的天线将信息发送给读写器。2019/8/621•接收电路的主要功能是对天线接收到的已调信号进行解调，恢复数字基带信号，然后送到电子标签的控制部分。2019/8/622•公共电路是射频发送和射频接收电路共同涉及的电路。2019/8/623（1）射频前端发送电路▪调制电路：对数字基带信号进行调制▪上变频混频器：将频率移到射频频率▪带通滤波器：对射频频率进行滤波，滤除不需要的频率▪功率放大器：对信号进行放大，由天线辐射出去控制部分直流电源电子标签发送电路调制电路上变频混频器带通滤波器功率放大器2019/8/624（2）射频前端接收电路▪射频滤波电路▪放大电路▪下变频混频器▪中频滤波电路▪电压比较器：通过电压比较恢复出原来的数字信号数字基带信号输入调制信号包络产生电路滤波器放大器混频器检波电路电压比较器带通滤波器2019/8/625（3）公共电路▪电源产生电路▪限幅电路：交流电变为直流电后要对其幅度进行现在，不能超过三极管和MOS管的击穿电压。▪时钟恢复电路：恢复出与接收信号频率相同的时钟信号▪复位电路：是电源电压保持在一定的电压值区间2019/8/6265.3.2控制部分的电路结构控制部分的电路基本分为两类：一类是具有存储功能、但不含微处理器的电子标签一类是含有微处理器的电子标签2019/8/6271．具有存储功能的电子标签具有存储功能的电子标签，控制部分主要由地址和安全逻辑、存储器组成，这种电子标签的主要特点是利用状态自动机在芯片上实现寻址和安全逻辑。2019/8/6282．含有微处理器的电子标签含有微处理器的电子标签，控制部分主要由编解码电路、微处理器和存储器组成。2019/8/629RFID电子标签•5.1一位电子标签•5.2采用声波表面技术的标签•5.3含有芯片的电子标签•5.4具有存储功能的电子标签•5.5含有微处理器的电子标签•5.6电子标签的发展趋势2019/8/6305.4具有存储功能的电子标签本节讨论具有存储功能、但不含微处理器的电子标签，并只讨论这类电子标签的控制电路部分2019/8/6315.4.1地址和安全逻辑这种电子标签没有微处理器，地址和安全逻辑是数据载体的心脏，通过状态机对所有的过程和状态进行有关的控制。1．地址和安全逻辑电路的构成地址和安全逻辑电路主要由电源电路、时钟电路、I/O寄存器、加密部件和状态机构成。2019/8/6322．状态机状态机可以理解为一种装置，能采取某种操作来响应一个外部事件。具体采取的操作不仅取决于接收到的事件，还取决于各个事件的相对发生顺序。之所以能做到这一点，是因为装置能跟踪一个内部状态，会在收到事件后进行更新。这样一来，任何逻辑都可以建模成一系列事件与状态的组合。2019/8/633状态机可归纳为4个要素：现态、条件、动作和次态。•现态是指当前所处的状态。•条件又称为“事件”，当一个条件被满足，将会触发一个动作，或执行一次状态的迁移。•动作是指条件满足后执行的动作，动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。•次态是指条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。2019/8/6345.4.2存储器具有存储功能的电子标签种类很多，电子标签的档次与存储器的结构密切相关。这类电子标签分为只读电子标签、可写入式电子标签、具有密码功能的电子标签和分段存储的电子标签。其中，只读电子标签档次最低，具有密码功能的电子标签和分段存储的电子标签档次较高。2019/8/6351.只读电子标签在识别过程中，内容只能读出不可写入的电子标签是只读型电子标签。只读型电子标签所具有的存储器是只读型存储器。（1）只读标签（2）一次性编程只读标签（3）可重复编程只读标签2019/8/6362.可写入式电子标签在识别过程中，内容既可以读出又可以写入的电子标签，是可写入式电子标签。例如，可写入式电子标签可以采用SRAM或FRAM存储器。静态随机存储器（SRAM）是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。铁电存储器（FRAM）是非易失性随机存取储存器，能提供与RAM一致的性能,但又有与ROM一样的非易失性。2019/8/6373.具有密码功能的电子标签（1）分级密钥分级密钥是指系统有多个密钥，不同的密钥访问权限不同，在应用中可以根据访问权限确定密钥的等级。（2）分级密钥在公共交通中的应用城市公交系统的读卡器有两种，一种是公交汽车上的刷卡器，一种是公交公司给卡充值的读卡器。2019/8/6384.分段存储的电子标签（一卡多用）各个存储段单元有单独的密钥保护，以防止非法的访问。2019/8/6395.4.3非接触式IC卡芯片介绍非接触式IC卡又称射频IC卡，是世界上近些年广泛使用的一项技术。它成功地将射频识别技术和IC卡技术相结合，是电子科技领域技术创新的成果。非接触式IC卡是智能化“一卡通”管理的全面解决方案，广泛应用于智能楼宇、智能小区、现代企业和学校等领域，可用于通道控制、物流管理、停车场管理、商业消费、企业管理和学校管理等方面。2019/8/6401．IC卡与ID卡IC卡全称为集成电路卡（IntegratedCircuitCard），又称智能卡（SmartCard）。IC卡可读写，容量大，有加密功能，数据记录可靠，使用很方便。ID卡全称为身份识别卡（IdentificationCard），是一种不可写入的感应卡。ID卡含有固定的编号。ID卡与磁卡一样，都仅仅使用了“卡的号码”而已，卡内除了卡号外，无任何保密功能。2019/8/6412.芯片及应用介绍（1）Temice5551感应式IC卡▪芯片：Temic(Atmel下属子公司)e5551；▪工作频率：125KHz；▪存储容量：264bits/320bits，8分区，8位密码；▪读写距离：3-10cm；▪擦写寿命：大于100,000次；▪数据保存时间：10年；▪尺寸：ISO标准卡85.6×54×0.80mm/厚卡85.6×54×1.80mm；▪封装材料：PVC、ABS、PETG；▪典型应用：感应式智能门锁、企业一卡通系统、门禁、通道系统等。2019/8/6422.芯片及应用介绍（2）AtmelAT88RF256-12感应式IC卡▪芯片