RFID系统的构成及工作原理.ppt

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 足够小以至于能够贴到需要的物品上 有全向或半球覆盖的方向性 能够给标签的芯片提供最大可能的信号 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 具有鲁棒性 价格便宜 在选择读写器天线时应考虑的主要因素有 天线的类型 天线的阻抗 应用到物品上的RF的性能 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 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 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 编码器电路 三 RFID编码 调制与数据校验 17 3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 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 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 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 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 三 RFID编码 调制与数据校验 22 修正密勒码解码 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 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FSK FSK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 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 FSK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PSK2 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 选择相位法电路框图 三 RFID编码 调制与数据校验 31 3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 32 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 PSK解调电路的相关波形 三 RFID编码 调制与数据校验 34 副载波与副载波调制解调TYPEA中的副载波调制 标准帧的结构 副载波调制波形 三 RFID编码 调制与数据校验 35 副载波与副载波调制解调TYPEB中的副载波调制 位编码采用不归零NRZ编码 副载波调制采用BPSK方式 逻辑状态的转换用副载波相移180 来表示 0表示逻辑1 0 180 表示逻辑0 副载波频率fs 847kHz 数据传输速率为106kbps 三 RFID编码 调制与数据校验 36 副载波与副载波调制解调TYPEB中的副载波调制 数位的副载波调制加负载调制 三 RFID编码 调制与数据校验 37 TYPEA中的副载波解调相干解调 同步解调 非相干解调ASK调制时 其包络线与基带信号成正比 因此采用包络检波就可以复现基带信号 这种方法无须同频同相的副载波基准信号 三 RFID编码 调制与数据校验 38 正弦波调制正弦振荡的载波信号调幅调制信号产生的调幅波设上式v t 的相位角 0 积化和差 三 RFID编码 调制与数据校验 39 振幅调制模型调幅波的频域 三 RFID编码 调制与数据校验 40 脉冲调幅波 三 RFID编码 调制与数据校验 41 数字调制ASK方式的实现国际标准ISO14443的负载调制测试用的PICC电路 三 RFID编码 调制与数据校验 42 数字调制ASK方式的实现国际标准ISO14443的负载调制测试用的PICC电路应答器谐振回路由线圈L和电容器CV1组成 其谐振电压经桥式整流器VD1 VD4整流 并用齐纳二极管VD5稳压在3V左右 副载波信号 874kHz 可通过跳线选择Cmod1或Rmod1进行负载调制 由曼彻斯特码或NRZ码进行ASK或BPSK副载波调制 三 RFID编码 调制与数据校验 43 数字调频和调相 三 RFID编码 调制与数据校验 1 基本原理 四 RFID系统的基本原理 RFID系统的基本工作原理是 由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号 当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流 从而获得能量被激活 使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去 阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号 经天线调节器发送到阅读器信号处理模块 经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理 主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份 针对不同的设定做出相应的处理和控制 最终发出指令信号控制阅读器完成不同的读写操作 1 基本原理 四 RFID系统的基本原理 从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看 系统一般可以分成两类 即电感耦合 InductiveCoupling 系统和电磁反向散射耦合 BackscatterCoupling 系统 电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合 依据的是电磁感应定律 电磁反向散射耦合 即雷达原理模型 发射出去的电磁波碰到目标后反射 同时携带回目标信息 依据的是电磁波的空间传播规律 2 电感耦合型RFID系统 四 RFID系统的基本原理 RFID的电感耦合方式对应于ISO IEC14443协议 电感耦合电子标签由一个电子数据载体 通常由单个微芯片及用做天线的大面积的线圈等组成 电感耦合型RFID系统的工作原理如图4 33所示 电感耦合方式的电子标签几乎都是无源工作的 在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供 高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生 并穿越线圈横截面和线圈的周围空间 以使附近的电子标签产生电磁感应 图4 33电感耦合型RFID系统的工作原理 3 电磁反向散射RFID系统 四 RFID系统的基本原理 1 反向散射调制 雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础 当电磁波遇到空间目标时 其能量的一部分被目标吸收 另一部分以不同的强度散射到各个方向 在散射的能量中 一小部分反射回发射天线 并被天线接收 因此发射天线也是接收天线 对接收信号进行放大和处理 即可获得目标的有关信息 当电磁波从天线向周围空间发射时 会遇到不同的目标 到达目标的电磁波能量的一部分 自由空间衰减 被目标吸收 另一部分以不同的强度散射到各个方向上去 反射能量的一部分最终会返回发射天线 称之为回波 在雷达技术中 可用这种反射波测量目标的距离和方位 对RFID系统来说 可以采用电磁反向散射耦合工作方式 利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输 这种工作方式主要应用在915MHz 2 45GNz或更高频率的系统中 3 电磁反向散射RFID系统 四 RFID系统的基本原理 2 RFID反向散射耦合方式 一个目标反射电磁波的频率由反射横截面来确定 反射横截面的大小与一系列的参数有关 如目标的大小 形状和材料 电磁波的波长和极化方向等 由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强 所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频 应答器和读写器的距离大于1m RFID反向散射耦合方式的原理框图如图4 34所示 图中的读写器 应答器 电子标签 和天线构成了一个收发通信系统 图4 34RFID反向散射耦合方式的原理框图 3 电磁反向散射RFID系统 四 RFID系统的基本原理 3 RFID反向散射耦合工作原理 电磁反向散射系统 如图4 35所示 的工作可分为以下两个过程 1 电子标签接受读写器发射的信号 其中包括已调制载波和未调制载波 当卷标接收的信号没有被调制时 载波能量全部被转换成直流电压 这个直流电压供给电子标签内芯片能量 当载波携带数据或者命令时 电子标签通过接收电磁波作为自己的能量来源 并对接收信号进行处理 从而接收读写器的指令或数据 2 电子标签向读写器返回信号时 读写器只向标签发送未调制载波 载波能量一部分被电子标签转化成直流电压 供给电子标签工作 另一部分被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向读写器传送信息 图4 35电磁反向散射RFID系统 4 声表面波标签的识别原理 四 RFID系统的基本原理 1 声表面波器件 声表面波 SurfaceAcousticWave SAW 器件以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据 SAW器件的体积小 重量轻 工作频率高 相对带宽较宽 并且可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺 制造简单 重获得性和设计灵活性高 声表面波器件具有广泛的应用 如通信设备中的滤波器 在RFID应用中 声表面波应答器的工作频率目前主要为2 45GHz 图4 37声表面波应答器的基本结构 4 声表面波标签的识别原理 四 RFID系统的基本原理 2 声表面波RFID的原理 SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成 换能器的两条总线与电子标签的天线相连接 阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲 在电子标签天线的接收范围内 被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波 并在晶体表面传播 反射器组成对入射表面波部分反射 并返回到叉指换能器 叉指换能器又将反射脉冲串转变成高频电脉冲串 由于声表面波的传播速率低 有效的反射脉冲串在经过及微妙的延迟时间后才回到阅读器 如图4 38表示 图4 38声表面波的传播 4 声表面波标签的识别原理 四 RFID系统的基本原理 3 声表面波RFID系统的关键技术 1 标签编码容量与作用距离2 应答器和读写器的配合3 应用小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线4 封装由于标签附着的物品和使用环境千差万别 所以其封装结构各有特色 它们都必须达到以下几个要求 保证压电芯片在工作寿命期间能耐受外部环境应力及其变化 不造成性能恶化 至少不能影响或极少影响标签天线的高频电磁波接收效果 固定于待识别物的方法简单 附着牢靠 不明显损伤该物品 外型美观 对于待识别物和谐 并满足安全和保护环境等要求 4 声表面波标签的识别原理 四 RFID系统的基本原理 4 声表面波RFID的优点 由于SAW器件本身工作在射频波段 无源且抗电磁干扰能力强 所以SAW技术实现的电子标签具有一定的独特优势 是对集成电路 IC 技术的补充 声表面波RFID的主要特点有 1 读取范围大且可靠 可达数米 2 可使用在金属和液体产品上 3 标签芯片与天线的匹配简单 制作工艺成本低 4 不仅能识别静止的物体 而且能识别速度达300km h的高速运动物体 5 可在高温差 100 300 强电磁干扰等恶劣环境下使用 4 声表面波标签的识别原理 四 RFID系统的基本原理 4 声表面波RFID的优点 由于SAW器件本身工作在射频波段 无源且抗电磁干扰能力强 所以SAW技术实现的电子标签具有一定的独特优势 是对集成电路 IC 技术的补充 声表面波RFID的主要特点有 1 读取范围大且可靠 可达数米 2 可使用在金属和液体产品上 3 标签芯片与天线的匹配简单 制作工艺成本低 4 不仅能识别静止的物体 而且能识别速度达300km h的高速运动物体 5 可在高温差 100 300 强电磁干扰等恶劣环境下使用 1 实训任务 五 实训与实践 2 实训设计 五 实训与实践 Q A 参考资料