RFID系統(tǒng)的構成及工作原理-課件

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理一、案例識讀與分析二、RFID系統(tǒng)構架

三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗

四、RFID系統(tǒng)的基本原理主要內(nèi)容五、實訓與實踐

RFID：數(shù)據(jù)的神經(jīng)末梢，RFID系統(tǒng)在湖南長豐汽車公司的案例RFID系統(tǒng)的構成及工作原理案例分析與討論：（1）簡述湖南長豐汽車公司RFID系統(tǒng)的主要構成及在生產(chǎn)中起到的作用？（2）簡述RFID系統(tǒng)的工作原理？

RFID是一種系統(tǒng)，一種射頻識別系統(tǒng)。典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標簽、RFID中間件和應用系統(tǒng)軟件4部分構成，一般我們把中間件和應用軟件統(tǒng)稱為應用系統(tǒng)。

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理圖4-2RFID的系統(tǒng)結(jié)構在實際RFID解決方案中，不論是簡單的RFID系統(tǒng)還是復雜的RFID系統(tǒng)都包含一些基本組件。組件分為硬件組件和軟件組件。RFID系統(tǒng)的構成及工作原理圖4-3射頻識別系統(tǒng)基本組成若從功能實現(xiàn)的角度觀察，可將RFID系統(tǒng)分成邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，如圖4-3示。這種觀點同現(xiàn)代信息技術觀點相吻合。邊沿系統(tǒng)主要是完成信息感知，屬于硬件組件部分；軟件系統(tǒng)完成信息的處理和應用；通信設施負責整個RFID系統(tǒng)的信息傳遞。

1、電子標簽

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理圖4-4RFID系統(tǒng)構件——標簽

電子標簽（ElectronicTag）也稱也稱應答器或智能標簽（SmartLabel），是一個微型的無線收發(fā)裝置，主要由內(nèi)置天線和芯片組成。

電壓調(diào)節(jié)器：把由標簽閱讀器送來的射頻信號轉(zhuǎn)換為直流電源，并經(jīng)大電容儲存能量，再經(jīng)穩(wěn)壓電路以提供穩(wěn)定的電源；調(diào)制器：邏輯控制電路送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后加載到天線送給閱讀器；解調(diào)器：把載波去除以取出真正的調(diào)制信號；邏輯控制單元：用來譯碼閱讀器送來的信號，并依其要求回送數(shù)據(jù)給閱讀器；存儲單元：包括EEPROM與ROM，作為系統(tǒng)運行及存放識別數(shù)據(jù)的位置。2、讀寫器

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理圖4-6讀寫器組成示意圖讀寫器是一個捕捉和處理RFID標簽數(shù)據(jù)的設備，它可以是單獨的個體，也可以嵌入到其他系統(tǒng)之中。讀寫器也是構成RFID系統(tǒng)的重要部件之一，由于它能夠?qū)?shù)據(jù)寫到RFID標簽中，因此稱為讀寫器。讀寫器的硬件部分通常由收發(fā)機、微處理器、存儲器、外部傳感器/執(zhí)行器，報警器的輸入/輸出接口、通信接口及電源等部件組成，如圖4-6所示。3、控制器RFID系統(tǒng)的構成及工作原理

控制器是讀寫器芯片有序工作的指揮中心，主要功能是：與應用系統(tǒng)軟件進行通信；執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令；控制與標簽的通信過程；基帶信號的編碼與解碼；執(zhí)行防碰撞算法；對讀寫器和標簽之間傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密；進行讀寫器與電子標簽之間的身份認證；對鍵盤、顯示設備等其他外部設備的控制。其中，最重要的是對讀寫器芯片的控制操作。

4、讀寫器天線RFID系統(tǒng)的構成及工作原理

天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的設備，是電路與空間的界面器件，用來實現(xiàn)導行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔接收能量和發(fā)射能量的作用。

RFID系統(tǒng)讀寫器天線的特點是：①足夠小以至于能夠貼到需要的物品上；②有全向或半球覆蓋的方向性；③能夠給標簽的芯片提供最大可能的信號；④無論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機的詢問信號相匹配；⑤具有魯棒性；⑥價格便宜。

在選擇讀寫器天線時應考慮的主要因素有：①天線的類型；②天線的阻抗；③應用到物品上的RF的性能；④在有其他物品圍繞貼標簽物品時RF的性能。5、通信設施RFID系統(tǒng)的構成及工作原理

通信設施為不同的RFID系統(tǒng)管理提供安全通信連接，是RFID系統(tǒng)的重要組成部分。通信設施包括有線或無線網(wǎng)絡和讀寫器或控制器與計算機連接的串行通信接口。無線網(wǎng)絡可以是個域網(wǎng)（PAN）（如藍牙技術）、局域網(wǎng)（如802.11x、WiFi），也可以是廣域網(wǎng)（如GPRS、3G技術）或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡（如同步軌道衛(wèi)星L波段的RFID系統(tǒng)）。1、

RFID編碼RFID系統(tǒng)的構成及工作原理射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構與通信系統(tǒng)的基本模型相類似，滿足了通信功能的基本要求。讀寫器和電子標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸構成了與基本通信模型相類似的結(jié)構。讀寫器與電子標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸需要三個主要的功能塊，如圖4-8所示。按讀寫器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸方向，是讀寫器（發(fā)送器）中的信號編碼（信號處理）和調(diào)制器（載波電路），傳輸介質(zhì)（信道），以及電子標簽（接收器）中的解調(diào)器（載波回路）和信號譯碼（信號處理）。圖4-8射頻識別系統(tǒng)的基本通信結(jié)構框圖2）、

RFID調(diào)制RFID系統(tǒng)的構成及工作原理脈沖調(diào)制是指將數(shù)據(jù)的NRZ碼變換為更高頻率的脈沖串，該脈沖串的脈沖波形參數(shù)受NRZ碼的值0和1調(diào)制。主要的調(diào)制方式為頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。圖4-12FSK脈沖調(diào)制波形（1）FSK調(diào)制FSK是指對已調(diào)脈沖波形的頻率進行控制，F(xiàn)SK調(diào)制方式用于頻率低于135kHz(射頻載波頻率為125kHz)的情況，圖4-12所示為FSK方式一例，數(shù)據(jù)傳輸速率為fc/40,fc為射頻載波頻率。FSK調(diào)制時對應數(shù)據(jù)1的脈沖頻率f1=fc/5,對應數(shù)據(jù)0的脈沖頻率f0=fc/8。1）、

RFID數(shù)據(jù)傳輸常用編碼格式RFID系統(tǒng)的構成及工作原理

數(shù)字基帶信號波形，可以用不同形式的代碼來表示二進制的“1”和“0”。射頻識別系統(tǒng)通常使用下列編碼方法中的一種：反向不歸零（NRZ）編碼、曼徹斯特（Manchester）編碼、單極性歸零（UnipolarHZ）編碼、差動雙相（DBP）編碼、米勒（Miller）編碼利差動編碼。最常用的數(shù)字信號波形為矩形脈沖，矩形脈沖易于產(chǎn)生和變換。以下用矩形脈沖為例來介紹幾種常用的脈沖波形和傳輸碼型。圖4-9所示為4種數(shù)字矩形碼的脈沖波形。圖4-9數(shù)據(jù)矩形碼的脈沖波形1）、

RFID數(shù)據(jù)傳輸常用編碼格式RFID系統(tǒng)的構成及工作原理

數(shù)字基帶信號波形，可以用不同形式的代碼來表示二進制的“1”和“0”。射頻識別系統(tǒng)通常使用下列編碼方法中的一種：反向不歸零（NRZ）編碼、曼徹斯特（Manchester）編碼、單極性歸零（UnipolarHZ）編碼、差動雙相（DBP）編碼、米勒（Miller）編碼利差動編碼。最常用的數(shù)字信號波形為矩形脈沖，矩形脈沖易于產(chǎn)生和變換。以下用矩形脈沖為例來介紹幾種常用的脈沖波形和傳輸碼型。圖4-9所示為4種數(shù)字矩形碼的脈沖波形。圖4-9數(shù)據(jù)矩形碼的脈沖波形15RFID中常用的編碼方式及編解碼器 曼徹斯特（Manchester）碼三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗RFID系統(tǒng)的構成及工作原理16RFID中常用的編碼方式及編解碼器 曼徹斯特（Manchester）碼編碼器電路

三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗RFID系統(tǒng)的構成及工作原理17RFID系統(tǒng)的構成及工作原理RFID中常用的編碼方式及編解碼器 曼徹斯特（Manchester）碼曼徹斯特碼編碼器時序波形圖示例

18RFID中常用的編碼方式及編解碼器密勒（Miller）碼密勒碼編碼規(guī)則

bit(i-1)biti密勒碼編碼規(guī)則×1biti的起始位置不變化，中間位置跳變00biti的起始位置跳變，中間位置不跳變10biti的起始位置不跳變，中間位置不跳變?nèi)FID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗RFID系統(tǒng)的構成及工作原理19RFID中常用的編碼方式及編解碼器

密勒碼波形及與NRZ碼、曼徹斯特碼的波形關系

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗20RFID中常用的編碼方式及編解碼器密勒（Miller）碼用曼徹斯特碼產(chǎn)生密勒碼的電路

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗21修正密勒碼編碼器 假設輸出數(shù)據(jù)為011010

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗22修正密勒碼解碼修正密勒碼解碼器原理框圖

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗23修正密勒碼解碼解碼時序波形圖示例

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗24脈沖調(diào)制 將數(shù)據(jù)的NRZ碼變換為更高頻率的脈沖串，該脈沖串的脈沖波形參數(shù)受NRZ碼的值0和1調(diào)制。 主要的調(diào)制方式為頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK。RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗25脈沖調(diào)制

FSK

FSK脈沖調(diào)制波形RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗26脈沖調(diào)制

FSK調(diào)制

FSK實現(xiàn)的原理框圖RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗27脈沖調(diào)制

FSK解調(diào)

FSK解調(diào)電路原理圖RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗28脈沖調(diào)制

FSK解調(diào)工作原理如下：

觸發(fā)器D1將輸入FSK信號變?yōu)檎}沖。觸發(fā)器D1采用74HC74，當端為高時，F(xiàn)SK上跳沿將Q端置高，但由于此時為低，故CL端為低，又使Q端回到低電平。Q端的該脈沖使十進計數(shù)器4017復零并可重新計數(shù)。

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗29脈沖調(diào)制 PSK1和PSK2采用PSK1調(diào)制時，若在數(shù)據(jù)位的起始處出現(xiàn)上升沿或下降沿（即出現(xiàn)1，0或0，1交替），則相位將于位起始處跳變180°。而PSK2調(diào)制時，相位在數(shù)據(jù)位為1時從位起始處跳變180°，在數(shù)據(jù)位為0時則相位不變。RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗30PSK調(diào)制電路選擇相位法電路框圖

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗31RFID系統(tǒng)的構成及工作原理PSK解調(diào)電路 閱讀器能正確將PSK調(diào)制信號變換為NRZ碼的關鍵。32設PSK信號的數(shù)據(jù)速率為fc/2（fc為射頻載波頻率值125kHz），則加至解調(diào)器的PSK信號是125kHz/2=62.5kHz的方波信號。該PSK信號進入解調(diào)器后分為兩路：一路加至觸發(fā)器D3的時鐘輸入端（CLK），觸發(fā)器D3是位值判決電路；另一路用于形成相位差為90°的基準信號。觸發(fā)器D3的D輸入端加入的是由125kHz載波基準形成的62.5kHz基準方波信號，這樣，若觸發(fā)器的D3的時鐘與D輸入端兩信號相位差為90°（或相位差不偏至0°或180°附近），則觸發(fā)器D3的Q端輸出信號即為NRZ碼，可供微控制器MCU讀入。RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗33PSK解調(diào)電路的相關波形RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗34副載波與副載波調(diào)制解調(diào)

TYPEA中的副載波調(diào)制標準幀的結(jié)構

副載波調(diào)制波形

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗35副載波與副載波調(diào)制解調(diào)

TYPEB中的副載波調(diào)制：

位編碼采用不歸零NRZ編碼，副載波調(diào)制采用BPSK方式，邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換用副載波相移180°來表示，θ0表示邏輯1，θ0＋180°表示邏輯0，副載波頻率fs=847kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為106kbps。RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗36副載波與副載波調(diào)制解調(diào)

TYPEB中的副載波調(diào)制：

數(shù)位的副載波調(diào)制加負載調(diào)制

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗37TYPEA中的副載波解調(diào) 相干解調(diào)（同步解調(diào)） 非相干解調(diào)

ASK調(diào)制時，其包絡線與基帶信號成正比，因此采用包絡檢波就可以復現(xiàn)基帶信號，這種方法無須同頻同相的副載波基準信號。RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗38正弦波調(diào)制 正弦振蕩的載波信號調(diào)幅 調(diào)制信號

產(chǎn)生的調(diào)幅波 設上式v(t)的相位角φ=0

積化和差

RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗39振幅調(diào)制模型調(diào)幅波的頻域RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗40脈沖調(diào)幅波RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗41數(shù)字調(diào)制ASK方式的實現(xiàn) 國際標準ISO14443的負載調(diào)制測試用的PICC電路RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗42數(shù)字調(diào)制ASK方式的實現(xiàn) 國際標準ISO14443的負載調(diào)制測試用的PICC電路 應答器諧振回路由線圈L和電容器CV1組成，其諧振電壓經(jīng)橋式整流器VD1~VD4整流，并用齊納二極管VD5穩(wěn)壓在3V左右。副載波信號（874kHz）可通過跳線選擇Cmod1或Rmod1進行負載調(diào)制。由曼徹斯特碼或NRZ碼進行ASK或BPSK副載波調(diào)制。RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗43數(shù)字調(diào)頻和調(diào)相RFID系統(tǒng)的構成及工作原理三、RFID編碼、調(diào)制與數(shù)據(jù)校驗1、基本原理RFID系統(tǒng)的構成及工作原理

RFID系統(tǒng)的基本工作原理是：由閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號，當電子標簽進入有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，從而獲得能量被激活，使得電子標簽將自身編碼信息通過內(nèi)置射頻天線發(fā)送出去；閱讀器的接收天線接收到從標簽發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器發(fā)送到閱讀器信號處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至后臺主機系統(tǒng)進行相關處理；主機系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算識別該標簽的身份，針對不同的設定做出相應的處理和控制，最終發(fā)出指令信號控制閱讀器完成不同的讀寫操作。

1、基本原理RFID系統(tǒng)的構成及工作原理從電子標簽到閱讀器之間的通信及能量感應方式來看，系統(tǒng)一般可以分成兩類，即電感耦合（InductiveCoupling）系統(tǒng)和電磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）系統(tǒng)。電感耦合通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應定律；電磁反向散射耦合，即雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。2、電感耦合型RFID系統(tǒng)RFID系統(tǒng)的構成及工作原理

RFID的電感耦合方式對應于ISO/IEC14443協(xié)議。電感耦合電子標簽由一個電子數(shù)據(jù)載體，通常由單個微芯片及用做天線的大面積的線圈等組成。電感耦合型RFID系統(tǒng)的工作原理如圖4-33所示，電感耦合方式的電子標簽幾乎都是無源工作的，在標簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應電磁能提供。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并穿越線圈橫截面和線圈的周圍空間，以使附近的電子標簽產(chǎn)生電磁感應。圖4-33電感耦合型RFID系統(tǒng)的工作原理3、電磁反向散射RFID系統(tǒng)RFID系統(tǒng)的構成及工作原理（1）反向散射調(diào)制

雷達技術為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應用基礎。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收（因此發(fā)射天線也是接收天線），對接收信號進行放大和處理，即可獲得目標的有關信息。當電磁波從天線向周圍空間發(fā)射時，會遇到不同的目標。到達目標的電磁波能量的一部分（自由空間衰減）被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終會返回發(fā)射天線，稱之為回波。在雷達技術中，可用這種反射波測量目標的距離和方位。對RFID系統(tǒng)來說，可以采用電磁反向散射耦合工作方式，利用電磁波反射完成從電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸。這種工作方式主要應用在915MHz、2.45GNz或更高頻率的系統(tǒng)中。3、電磁反向散射RFID系統(tǒng)RFID系統(tǒng)的構成及工作原理（2）RFID反向散射耦合方式一個目標反射電磁波的頻率由反射橫截面來確定。反射橫截面的大小與一系列的參數(shù)有關，如目標的大小、形狀和材料，電磁波的波長和極化方向等。由于目標的反射性能通常隨頻率的升高而增強，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應答器和讀寫器的距離大于1m。RFID反向散射耦合方式的原理框圖如圖4-34所示，圖中的讀寫器、應答器（電子標簽）和天線構成了一個收發(fā)通信系統(tǒng)。圖4-34RFID反向散射耦合方式的原理框圖3、電磁反向散射RFID系統(tǒng)RFID系統(tǒng)的構成及工作原理（3）RFID反向散射耦合工作原理電磁反向散射系統(tǒng)（如圖4-35所示）的工作可分為以下兩個過程。（1）電子標簽接受讀寫器發(fā)射的信號，其中包括已調(diào)制載波和未調(diào)制載波。當卷標接收的信號沒有被調(diào)制時，載波能量全部被轉(zhuǎn)換成直流電壓，這個直流電壓供給電子標簽內(nèi)芯片能量；當載波攜帶數(shù)據(jù)或者命令時，電子標簽通過接收電磁波作為自己的能量來源，并對接收信號進行處理，從而接收讀寫器的指令或數(shù)據(jù)。（2）電子標簽向讀寫器返回信號時，讀寫器只向標簽發(fā)送未調(diào)制載波，載波能量一部分被電子標簽轉(zhuǎn)化成直流電壓，供給電子標簽工作；另一部分被標簽通過改變射頻前端電路的阻抗調(diào)制并反射載波來向讀寫器傳送信息。圖4-35電磁反向散射RFID系統(tǒng)4、聲表面波標簽的識別原理RFID系統(tǒng)的構成及工作原理（1）聲表面波器件聲表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件以壓電效應和與表面彈性相關的低速傳播的聲波為依據(jù)。SAW器件的體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較寬，并且可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，重獲得性和設計靈活性高。聲表面波器件具有廣泛的應用，如通信設備中的濾波器。在RFID應用中，聲表面波應答器的工作頻率目前主要為2.45GHz。圖4-37聲表面波應答器的基本結(jié)構4、聲表面波標簽的識別原理RFID系統(tǒng)的構成及工作原理（2）聲表面波RFID的原理

SAW標簽由叉指換能器和若干反射器組成，換能器的兩條總線與電子標簽的天線相連接。閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，在電子標簽天線的接收范圍內(nèi)，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑ァ７瓷淦鹘M成對入射表面波部分反射，并返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射脈沖串轉(zhuǎn)變成高頻電脈沖串。由于聲表面波的傳播速