rfid射频识别原理研究(最终版).doc

北京交通大学 RFID射频识别原理研究 秦娟 杨宏达2014/12/28 目录RFID射频识别原理研究1摘要：1关键词：1RFID技术背景1互感耦合RFID系统电路的基本原理21.谐振发生的条件22.互感耦合RFID系统电路分析2（1）分析一：3（2）分析二：5（3）分析三：9（4）分析四11参考文献：12感想总结13引言初识RFID射频识别技术：射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID）是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。本文讲的是射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型的基本原理。关键词：RFID 射频识别 基本原理RFID技术背景射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。许多行业都运用了射频识别技术。将标签附着在一辆正在生产中的汽车，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度。仓库可以追踪药品的所在。射频标签也可以附于牲畜与宠物上，方便对牲畜与宠物的积极识别（积极识别意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入锁住的建筑部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。某些射频标签附在衣物、个人财物上，甚至于植入人体之内。由于这项技术可能会在未经本人许可的情况下读取个人信息，这项技术也会有侵犯个人隐私忧患。RFID技术作为一项先进的自动识别和数据采集技术，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。被公认为21世纪十大重要技术之一。已经成功应用到生产制造、物流管理、公共安全等各个领域。随着RFID技术的不断发展和标准的不断完善，RFID产业链从硬件制造技术、中间件到系统集成应用等各环节都将得到提升和发展，产品将更加成熟、廉价和多样性，应用领域将更加广泛。如用于电子门禁、身份识别、货物识别、动物识别、电子车票等场合。RFID系统由计算机、读写器和应答器以及耦合器组成。应答器存放被识别物体的有关信息，放置在要识别的移动物体上。耦合器可以是天线或线圈。近距离的射频识别系统采用耦合线圈。下面就简要分析下互感耦合RFID系统电路的基本原理。互感耦合RFID系统的基本原理1、RFID系统原理图 1 所示为为互感耦合 RFID 系统电路接口的等效电路。互感的初级部分位于信息的读 写器或阅读器一端，它发出高频信号，在初级电感 L1（发送线圈）上产生感应电压。次级 电路是应答器的接收等效电路，L2 是应答器的接收线圈。当应答器靠近读写器时，线圈之 间发生互感，应答器从接收线圈上获得微弱能量（这部分电路没有画出）来控制电子开关 S 动作发出特定的 ID 信息。 电路初级和次级均谐振于 vs的频率=125kHz。当开关 S 断开时，次级回路谐振，获得的 高电压整流后给应答器控制芯片供电。由于次级回路谐振，其反映到初级的阻抗比较大，初 级电容 C1 上电压比较低。当开关 S 闭合时，次级阻抗为电感，反映到初级阻抗比较小，使 得初级电容 C1 上电压幅度显著升高。因此，次级负载变化引起初级电容电压幅度被调制， 称为负载调制，由此实现信号从次级到初级的传递。读写器检测电容 C1 上电压幅度变化得 到应答器传来的二进制 ID 信息（即开关 S 的控制信号），如图 2 所示。2.谐振电路原理：（1）、串联谐振电路：对如图的 RLC 串联组合，其阻抗为 其交流电压U与交流电流I（均为有效值）的关系为：电压与电流的位相差为：可见Z和都是的函数，当时，=0使得电抗X=0，即电压和电流间的位相差为零，电路发生串联谐振。此时的频率称为谐振频率0                                              串联谐振可以产生很高的正弦电压。（2）、并联谐振电路：对如图的 RLC 并联组合，其导纳为 , 可以推导出，当 时，导纳虚部B=0 Y=G为纯电阻，称在此频率下电路发生并联谐振，称为并联谐振频率。并联谐振可以产生高电流。EWB仿真及电路分析电路分析一：给定电路参数L1=L2=1.35mH, C1=C2=1.2nF, 耦合系数k=0.3, R1=40W, R2=5kW，vs幅度为5V，频率为125kHz的正弦波，用相量法分析当S断开和闭合时，电容C1上的电压vc。如图为EWB仿真电路图：在 EWB 仿真时，需要用线性变压器模型来代替互感模型，其中参数的设定利用下面的关系来确定： 其中，L1, L2和 k 分别是互感模型的初级电感、次级电感和耦合系数。LM, LE和 n 分别是EWB中变压器模型中的激磁电感LM，初级漏电感 LE，初级对次级匝比 N。 根据公式，设置耦合线圈的参数:N=3.33,LE=0.0012285 H,LM=0.0001215 H。参数设置完后，运行，查看示波器波形，其显示波形如下：当开关断开时：电容两边的电压vc为152.0v左右。理论分析：当开关闭合时：电容器两边电压vc为91.86v左右理论分析：由此可以看出开关的闭合与断开造成了次级上的阻抗改变，从而使得其反应到初级上的反应阻抗不同，进而影响到初级回路上的电流，造成初级上电容的电压幅值改变。可以将应答器上开关的闭合与断开看成是应答器发出的一个信息，而读写器接收到这个信息就是通过电容器两边的电压来接收显示出来。断开与闭合就对应不同的电压值，这样应答器的信息就传到了读写器。电路分析二：但是为什么需要选择谐振频率？我们用EWB的频率扫描分析，测量频率从10kHz到1MHz变化时，C1上电压幅度的变化情况。电路图如图所示：扫描分析的结果如下：C1电压变化情况C2电压变化情况 从图中我们可以明显的看到，当频率接近谐振频率时，电容器两端电压有一个剧增的过程。同时在谐振频率时相位为0.*(自由发挥部分）：同时我测量了下当频率不是谐振时，开关断开与闭合电容器两边的电压。如图为频率为100khz及150khz时的结果：100khz频率时vc变化情况150khz频率时vc变化情况我们可以发现若频率不为谐振频率时，断开与闭合后，电容器两边的电压变化非常小，如当频率为100khz时，闭合和断开后，电容的电压仅变化了3v,频率为150khz时电容的电压仅变化了6v，我们觉得电压差过小，这样会很难识别，而当谐振时，电压变化非常大，这样就很容易识别。所以频率必须选择谐振时的频率。电路分析三：若采用电压控制开关，控制电压vm为1kHz方波，那么可以将控制电压看成应答器发出的一个信息，通过仿真，观察C1上电压波形如图：我们可以看出，电容器两边电压和矩形电压基本是同步的，所以我们可以这样考虑，矩形电压即为应答器上的信息，而这信息可以通过电容器两端电压幅值变化来从读写器上表现出来。需要注意的是由于电源vs的频率=125kHz，为方波控制电压的频率=1kHz。所以实际得到的幅度变化的C1电压是周期比方波小得多的幅度变化周期与方波的周期一致的正弦波形。具体如下图所示：电路分析四设计一种电路，检测出初级电容电压 vc幅度变化，得到与控制电压 vm 相 同的波形。如何解决电容器上的电压和矩形电压并不是符合的很好的问题呢？我们的思路是：首先利用运算放大器和二级管进行检波，去掉正弦波的负幅值部分。然后利用RC积分器，把处理后的电压按幅值变化的周期进行积分，便可得到两个与控制电压的周期相近的波形。而后利用运放连接一个电压比较器。比较电压微大于小的幅值。比较器可以把大于参考电压的部分输出1V，反之小于则输出0V，如此便可以得到一个方波。不过其占空比没办法与控制电压完全吻合。才疏学浅，并没办法把想法用实际的电路设计出来。下图是我们用比较器滤去负幅值的电路。得到的波形为：总之，本文浅略的研究了下 RFID的基本原理，其中还有许多难点问题没有解决，还有许多需要学习探讨。感想总结通过本次研讨，我们在理论知识的基础上，利用EWB仿真软件进行实践讨论，了解了RFID无线射频识别技术的基本原理，分析了电容C1、C2的电压变化情况，并根据EWB的频率扫描，分析了Vs频率从10kHz到1MHz变化时，C1和C2上电压幅度的变化情况。参考文献：1单承赣, 单玉峰, 姚磊. 射频识别（RFID）原理与应用M. 北京：电子工业出版社.2008.2周晓光，王晓华.射频识别（RFID）原理与应用实例M.北京：人民邮电出版社。2006.秦娟北京市海淀区西直门外上园村3号，100044北京交通大学电子信息工程学院13272079bjtu.edu 杨宏达北京市海淀区西直门外上园村3号，100044北京交通大学电子信息工程学院13211139bjtu.edu