电子标签销码器绪论.doc

第一章 绪论1.1射频识别的工作原理电子标签是RFID的俗称，RFID是Radio Frequency Identification的缩写，术语为射频识别。射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的或移动中的待识别物品的自动机器识别并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。射频识别技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 典型的射频识别系统由电子标签（Tag）、阅读器（Read/Write Device）以及数据交换、管理系统等组成。电子标签具有智能读写及加密通信的能力。阅读器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。电子标签内不含电池，电子标签工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。电子标签接收射频脉冲，整流并给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑。控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其它操作。EEPROM用来存储电子标签的ID号及其它用户数据。还有一种有源RFID系统，是由电池供电，可以在较高频段工作，识别距离较长，和阅读器之间的通信速率也较高。应用中，电子标签附着在待识别物上，阅读器用于当附着电子标签的待识别物品通过其读出范围时，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。 射频识别系统的基本模型如图2-1所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。1.2射频识别发展历史最早探索RFID的文件是哈里斯托克曼的一个里程碑式的论文“通过反射功率的通信装置”于1948年出版。随之接踵而来的是第二次世界大战期间对雷达和无线电进行研究。也有几个相关的射频识别技术，如远程应答器系统的IFF(识别的朋友或敌人)系统为飞机。然而,这是30年前技术赶上了理论,例如,发展集成电路、微处理器和不断变化的业务实践。在20世纪50年代有一个理论探索RFID技术的一些开创性研究和科学技术论文被发表。在20世纪60年代，许多发明者和研究人员开发出原型系统。一些商业系统（例如，先讯美资和Checkpoints）推出的电子物品监控（EAS）设备使用的防盗装置。这些系统使用1-bittags检测标签是否存在，并使用于检测附在高价值的物品和服装的标签的零售商店。这证明是一种有效的防盗措施，可以说是第一个和最广泛的商业使用RFID。在20世纪70年代，研究人员，开发人员和学术机构，包括等组织的科学实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室瑞典微波研究所基金会都对RFID有很大的兴趣。在此期间，动物标签成为商业化并且多应用以开发工作。在20世纪80年代，RFID应用扩展到许多区域。在欧洲动物跟踪系统成为普遍现象，在意大利，法国，西班牙，葡萄牙和挪威的收费道路都有RFID设备。20世纪90年代，RFID在美国是重要的广泛应用在电子收费。1991年，俄克拉何马开通电子收费系统，汽车可以在高速公路上行驶通过收费点（无收费站点）。在欧洲对RFID的应用也有相当大的兴趣，包括收费的集合，铁路应用和访问控制。RFID收费和铁路应用程序出现在许多国家，包括阿根廷，澳大利亚，巴西，加拿大，中国，香港，日本，马来西亚，墨西哥，新西兰，南非韩国，南非，新加坡和泰国。20世纪90年代随着集成不断发展，微波电路开发和体积减少，最终 RFID标签被减少到单个集成电路。目前为了让射频技术进行国家标准化，各国做了很多工作，开发和引进的许多商业应用之间的频谱分配的合理化。现在有超过350个RFID及其应用在美国专利局注册专利。1.3射频识别的应用电子标签、读写器、天线和应用软件构成的RFID系统直接与相应的管理信息系统相连。每一件物品都可以被准确地跟踪，这种全面的信息管理系统能为客户带来诸多的利益，包括实时数据的采集、安全的数据存取通道、离线状态下就可以获得所有产品信息等等。在国外，RFID技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化等众多领域。应用范围包括： （1）防伪 (电子版以下略)通过扫描，详尽的物流记录就生成了。 （2）生产流水线管理 电子标签在生产流水线上可以方便准确地记录工序信息和工艺操作信息，满足柔性化生产需求。对工人工号、时间、操作、质检结果的记录，可以完全实现生产的可追溯性。还可避免生产环境中手写、眼看信息造成的失误。 （3）仓储管理 将RFID系统用于智能仓库货物管理，有效地解决了仓储货物信息管理。对于大型仓储基地来说，管理中心可以实时了解货物位置、货物存储的情况，对于提高仓储效率、反馈产品信息、指导生产都有很重要的意义。它不但增加了一天内处理货物的件数，还可以监看货物的一切信息。其中应用的形式多种多样，可以将标签贴在货物上，由叉车上的读写器和仓库相应位置上的读写器读写；也可以将条码和电子标签配合使用。 （4）销售渠道管理 建立严格而有序的渠道，高效地管理好进销存是许多企业的强烈需要。产品在生产过程中嵌入电子标签，其中包含惟一的产品号，厂家可以用识别器监控产品的流向，批发商、零售商可以用厂家提供的读写器来识别产品的合法性。 （5）贵重物品管理 还可用于照相机、摄像机、便携电脑、CD随身听、珠宝等。贵重物品的防盗、结算、售后保证。其防盗功能属于电子物品监视系统（EAS）的一种。标签可以附着或内置于物品包装内。专门的货架扫描器会对货品实时扫描，得到实时存货记录。如果货品从货价上拿走，系统将验证此行为是否合法，如为非法取走货品，系统将报警。 买单出库时，不同类别的全部物品可通过扫描器，一次性完成扫描，在收银台生成销售单的同时解除防盗功能。这样，顾客带着所购物品离开时，警报就不会响了。在顾客付账时，收银台会将售出日期写入标签，这样顾客所购的物品也得到了相应的保证和承诺。 （6）图书管理、租赁产品管理 在图书中贴入电子标签，可方便的接收图书信息，整理图书时不用移动图书，可提高工作效率，避免工作误差。 （7）其他如物流、汽车防盗、航空包裹管理等。法定证件的RFID应用：第二代居民身份证、电子护照、港澳通行证、电子居住证、电子暂住证等用于身份鉴别功能的证件是目前RFID技术应用的最大量成功的领域证件类通常采用符合lSO/IECl8000-3的13.56M高频的RFID芯片读写距离通常在3厘米内。2005年始发的中国第二代居民身份证至今已累计发行10亿张。第二代居民身份证采用非接触式IC卡集成了个人安全数据的存储和数字防伪技术，具有高安全性和可机读性。今后将发行的第二代隐私电子护厢将嵌入高性能RFID智能芯片成为目前公安领域内无源RFID高端芯片的典型应用。电子护照是指符合国目民航组织ICAO推荐的DOC9303规范以生物特征识别技术为身份鉴别的电子证件可以借助专门设备对护照持有者进行快速而准确的身份鉴别。其中脸部图像是必须存储的同时可选地存放指纹图像、虹膜图像等其他生物特征信息。利用有效的图像编码和压缩利用多个生物特征、多种识别方式的特征融合方式在口岸实现身份识别。为防止护照的伪造、变造护照采用RFID芯片的安全措施是非常重要的。芯片数据的安全、通信的安全和持证人的身份安全必须全面而综台地考虑各个层次的安全不可缺漏。根据木桶效应攻击者通常都是从最薄弱环节入手所以每项安全策略的制定都需要从系统的角度综台考虑。防范对RFID芯片的物理攻击，是整个电子护照应用系统安全性的基础。目前在芯片制造过程中，通过将RFID芯片的诸多功能随机地分布在微处理器的各个逻辑层中同时将易于分析部分(特别是ROM)尽可能地隐藏于较低层实现对反向工程的防范并采用总线加密和不规则编址。同时利用RFID芯片内部设计的各种诸如电压/频率光照温度/干扰等传感器进行非法工作状态的监测。电子护照内嵌COS软件通过多种认证方式约束访问权限。在电子护照内嵌的RFID芯片中存储了十人基本信息DG1文件、个人脸部图像DG2文件、指纹图像DG3文件和安全文件如公钥文件DGl5、数据安全对象文件SOD等，通过相应的认证，才能读取或修改特定文件的数据。电子护照增加RFID芯片存储高容量生物特征数据可以有效防止证件伪造和变造，预防偷渡、预防外来恐怖活动，并可采用电于化读取可实现自助通关筒化人出境手续加快通关速度。公安物联网的RFID应用：物联网是指通过传感器、无线射频识别(RFID)等感知技术和无线通信技术实现物体与物体之间的通信对感知和采集的信息进行传输和交换，实现信息共享和智能处理及控制的网络。目前世界上有多个国家和地区都在投入巨资深入探索和研究物联网大力推动物联网的发展。2010年10月10日国务院已将物联网作为新一代信息技术产业列入了战略性新兴产业之中。2010年初，在公安部“十二五”重大科技专项的论证中，明确提出了要围绕与公安业务密切相连的物联网社会公共安全综合应用需求研究物联网相关的关键技术。公安物联网是在整台金盾一期工程建设的系统和资源坚实基础上，利用更透彻智能精确感知的基础设施通过智能网络技术在区域化、竖井式的信息系统之间架起智能数据链接并提供信息融台、泛在协同、智能存储、交互共享、高性能计算等服务覆盖全国各业务警种的智能网络系统。公安物联网是公安信息化建设发展的新机遇和新目标是对金盾工程的继承和发展。公安物联网为RFID应用的高速发展带来新的契机。对重点物品(如警用装备、危险品、物证、枪支等)统一加装RFID芯片进行统一管理。例如利用RFID等物联网智能感知技术将公安系统中的物证串台在一起并将物证信息的收集、存储和传输实现电子化和网络化达到公安业务信息化要求的新高度。美国军方使用了RFID技术在20世纪90年代中期，90年代初以来的首次部署到波斯尼亚。英国军队采用了RFID在2003年和谈判正在进行中与北约的合作伙伴。美国能源部，国防部和沃尔玛（Wal-Mart）要求其主要供应商2005年1月1日实施RFID技术在其供应链。所有的纸箱和托盘都必须配备有RFID标签。这将提供一个广泛采用的技术，在美国的主要动力。英国的特易购连锁超市已经开始工作，推出一个RFID网络跟踪的出货量从中央配送中心的所有98个额外的超市，乐购2004年圣诞节。这是跨越超过2000家门店和配送中心在英国实施RFID计划的第一阶段。在2003年1月，吉列宣布订购500万个RFID标签被纳入剃刀和刀片包装。在2003年3月，贝纳通宣布了类似的计划，编织成名牌服装的RFID标签，虽然这是在面对一个有组织的消费者抵制逆转。德尔塔航空公司正在测试RFID在某些航线上，标注40,000袋。许多其他航空公司已经测试RFID技术，但三角洲是致力于采用RFID技术的首家航空公司。目前，三角洲乱放4每1000袋耗资1亿美元，每年复苏，交付或更换。英国航空公司最近宣布，他们也将被投资于RFID技术。目前英航错位每1000名18袋，每袋100美元的平均成本。该航空公司在2004年遭受了重大困难时失去了11,000袋以下罢工。港口运营商，占全球70的港口业务已同意部署RFID标签追踪每日抵达美国港口的17,000个集装箱。在悉尼星城赌场RFID标签放置在80,000名员工的制服，在企图遏制盗窃制服。新拉斯维加斯永利赌场已经注册成立的RFID筹码，以遏制使用假筹码，滥用信贷和后期投注安置。米其林计划建立RFID标签的轮胎。标签将每个轮胎，相关的车辆识别号码（VIN）存储一个唯一的编号。标签也可以测量轮胎的磨损。欧洲央行正计划将RFID标签嵌入到高面额钞票的防伪措施，到2005年。该银行已经注意到将全息图，箔片，特殊的线程，缩印，特种油墨和水印等措施。目前，美元是世界上最伪造的货币。然而，随着欧盟的增长，欧元将成为在世界上最常见的货币，由于其越来越多地使用。墨西哥政府提供跟踪到其顶部的司法官员，如果官员被绑架植入RFID芯片。它也可以用来进行访问控制。1.4隐私和安全问题简单的RFID阅读器成本只有20美元，已经发表在电子和爱好者杂志的电路和文章读者仍可以自己建设。有这种技术的安全和隐私问题，大致可分为以下几个方面：位置隐私;客户信息;企业间谍活动;不安全的工作环境;拒绝服务;欺骗;技术攻击;配套制度的妥协。2 RFID技术方案 2.1 RFID 扫频技术方案讨论 一般扫频技术有3 种设计电路. 其中每个设计都有其优点和缺点，在本设计中选用了第三个设计电路. 方案一、采用MC145151、MAX038、MAX7541组成的扫频电路. 采用采用MC145151、MAX038、MAX7541组成的扫频电路MAX038是一个产生从小于1Hz到大于20Hz的低失真正弦波、三角波、锯齿波或矩形（脉冲）波的高频波形产生器，他只要少量的外部元件。频率和占空比可以由调整电流、电压或电阻来分别地控制。所需的输出破相课由在A0和A1输出端设置适当的代码来选择。器件包括一个SYNC输出和一个想为检波器，以简化跟踪一个外部的信号源所需的设计。MAX038用5V（5%）的电源工作。基本振荡器是一个交换地以恒流向电容器（CF）充电和放电的弛张振荡器，同时产生一个三角波和矩形波。充电和放电的电流是由流入IIN的电流来控制的，并由加到FADJ和DADJ上的电压调制。流入IIN的电流可由2U变化到750UA对任一CF值可由产生大于两个数量级（100倍）的频率变化。在FADJ引脚上加2.4V可改变70%的标称频率（与VFADJ=0V比较）；这种方法可以用作精确的控制。占空比（输出波形为正时所占时间的百分比）可由2.3V到DADJ引脚上来控制其从10%变化到90%。这个电压改变了CF的充电和放电电流的比值。而维持频率近似不变。REF引脚的2.5V基准电压可以用固定电阻简单的连接到IIN、FADJ或DADJ引脚，也可以用电位器从这些输入端接到REF端进行调制。FADJ和/或DADJ可以接地产生具有50%占空比的标称频率信号。输出频率反比与电容器CF，可以选择CF的值，以产生高于20MHZ的频率。一个正弦波形成电路把振荡器的三角波转变成一个具有等幅且低失真的正弦波。三角波、正弦波和矩形波都输入一个多路器。二跟地址线A0和A1从这三个波形中选用一个。不管是什么波形或频率，输出放大器产生一个等幅的“峰-峰”值为2V（1V）的信号。三角波有被送到一个产生高速矩形波（SYNC）的比较器中去，它可以用来同步其它的振荡器。SYNC电路具有单独的电源引线因而可以被禁止。由基本振荡器产生的另两个90相移的矩形波送到一个“异或”相位检波器的一边。相位检波器的输入端（PDI）可以连接到一个外部的振荡器上。相位检波器的输入端（PD0）是一个可以直接连接到FADJ输入端的电流源，用一个外部的振荡器来同步MAX038。通过加一个变化的信号到IIN或FADJ引脚可以使输出频率扫描。IIN具有较宽的范围、稍慢的响应、较低的温度系数以及只需要一个单极性的电流源。FADJ则可以用于扫描频率范围小于中心频率70%的情况，它更适合用于锁相环以及其他偏移、高精度的闭环控制。它使用一个堆成地扫描电源。在作用电源（REF）与FADJ或IIN之间接一个电阻网络是一种偏置扫描电压的简便方法。如总的电路原理总图所示的一个频率合成器，用来产生精确稳定的正弦波、矩形波或三角波，具有8KHZ至16.383MHZ的频率范围，分辨率为1KHZ。一块MotorlaMC145151提供一个晶体控制的振荡器、N电路和一个高速相位检波器。手动款管用来设置输出频率，断开任意一个开关可以增加输出频率。每个开关控制N输出和一个MAX7541的12位DAC，它的输出由MAX412原酸放大器变换为电流。这个电流输入MAX038的IIN引脚，在一个很宽的范围内设置粗略的频率。频率的细调（以及锁相）则通过差分放大器和低通滤波器，由MC145151相位检波器来完成。相位检波器将N输出与MAX038的SYNC输出比较并将相位差值信息送至低通滤波器，它的单端输入是加上了偏移的，送到FADJ的输入（使用DAC和IIN引脚作为频率粗调，这就允许FADJ引脚在对开关的响应足够快的情况下进行很精细的调整钮）在数超出端的一个50MHz、50低通滤波器可以以合理的保真度让16MHz的方波或三角波通过，而限制由N电路产生的高频噪声。方案二、采用CPLD 分频的74HC4046 的扫频电路. 采用CPLD 分频的74HC4046 的扫频电路 利用晶振与CPLD芯片组成晶体振荡器，提供12.8KHz的基准频率；CPLD编译组成N分频电路，其分频比可用单片机控制。例如：设产生8.0210%，步进12.8KHz的扫频电路。首先对12MHz的晶振利用CPLD进行937分频，产生12.8KHz的基准频率；产生8.2MHz10%的频率，则频率为8.2MHz-0.82KHz=7.38MHz到8.2MHz+0.82MHz=9.02MHz，中间相差1.64MHz，分为128级，步进12.8KHz，则12800x576=7.37MHz12800x704=9.01MHz。由此可见，利用CPLD编程特性，让其成为一个科编程的12位计数器和D触发器的组合，成为可置数的N分频电流，让其成为74HC4046集成锁相环输入正确的占空比为50%的方波。封装12位计数器的程序如下：SUBDESIGN counter01(D90 :INPUT；CLK :INPUT;out :OUTPUT;)VARIABLECOUNT90 :DEF;BEGIIN COUNT.CLK=CLK;IF COUNT.Q=0000000001 THENCOUNT.D=D;OUT=VCC;ELSE COUNT.D=COUNTQ-1;END IF;END;方案三、采用NE564 的信号调频功能的扫频电路. 采用NE564 的信号调频功能的扫频电路高频模拟锁相环NE564的最高工作频率可达50MHz，采用5V单电源特性，特别适用于高速数字通信中FM调频信号及FSK移频健控信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器，利用NE564的调频功能，先让其工作在一固定频率，利用其频率特性惊醒频率的扫描。通过输入NE564的调制信号的电压值来控制NE564的输出频率。三种方案论证即选择：方案一、采用MC145151、MAX038、MAX7541组成的扫频电路：优点：高频波形产生器MAX038 能产生可控制的扫描范围（从0.1Hz20MHz）,能产生准确的高频三角波、矩形波和脉冲波。由它组成的扫描系统外配元件少，频率和占空比调整容易，便于产生脉冲宽度调制和产生锯齿波低失真的正弦波（75%）。缺点：芯片价格比较贵，MAX038市场单价为30元左右，MC145151的市场单价为35元左右，如果使用该方案进行设计，成本是制约其大批量生产的最大障碍。方案二、采用CPLD 分频的74HC4046 的扫频电路：优点：能达到设计要求的中心频率8.2MHz的扫描电路，也能产生准确地高频矩形波形。CPLD和单片机的使用让扫描电流的步进控制、频率的精确产生得以实现。缺点：74HC4046芯片在与CPLD组成的反馈控制回路中，如果分频比过高（经计算和实际验证不能大于100），否则将很难入锁，而我们需要至少576分频：而且随着分频的升高，稳定时间也随之变长，根本达不到85Hz的扫频频率。方案三、采用NE564 的信号调频功能的扫频电路：优点：高频模拟锁相环NE564 的最高工作频率可达到50 MHz，调制、解调性能较佳，且无需外接复杂的滤波器，通过输入的电压调制信号来控制NE564输出扫描频率.能达到设计要求的中心频率8.2MHz的扫描电路，能产生准确的高频正弦波形。设计成本低且方便控制，能达到理想的扫描要求。缺点：因为没有反馈设计要求，产生的扫描频率不能很好的控制精确，但是对本设计以及完全能满足要求。 综上所述，本次设计的扫描电路采用方案三（采用NE564 的信号调频功能的扫频电路），因此此方案能很好地满足设计要求而且具有相当的价格优势。