一种超高频RFID标签的设计.docx

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1、一种超高频RFID标签的设计1.引言RFID(RadioFrequencyIdentification,射频识别)技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，因此广泛应用于工业生产自动化、供应链管理、物流货物跟踪、交通运输管理等领域。当前国内对RFID标签的研究都集中在频率为125KHz、134KHz的低频和13.56MHz的高频频段，在860960MHz的超高频段和2.45GHz以上的微波频段研究相对较少。而后者由于具有操作距离远、通信速度快、尺寸小等优点，未来的应用将更广泛1。2工作原理及工作特性2.1工作原理RFID系统一般包括阅

2、读器、标签（或称射频卡）两部分。根据供电方式的不同，标签可分为有源标签和无源标签两种，都由标签芯片和天线组成。本文设计的是一种符合ISO18000-6B标准的超高频无源标签，本身无电源，靠从阅读器的射频场获取能量。每个标签都含有唯一的识别码，用来标识标签所附着的物体。当标签收到阅读器主动发出的信号时，标签被唤醒，一方面通过射频耦合的方式获取能量，另一方面将收到的信号进行解调，从载波中还原出数字信号，然后根据其中包含的指令完成相应的操作，并将应答信息通过反向散射回送给阅读器。当同时有多个标签出现在阅读器的射频场时，阅读器通过启动防冲突算法，逐个识别标签。2.2物理接口标签和阅读器之间基于“阅读器

3、先发言的传输机制，采用半双工的通信方式。前向链路采用Manchester基带编码，便于防冲突检测；采用ASK载波调制，调制深度为11%或99%（本文设计的标签取99%），占用频道带宽为200KHz。反向链路采用FM0编码，经ASK载波调制后，反向散射给阅读器2。2.3存储特性标签内置一个4Kbit的EEPROM存储器，通过一个8位的地址块来寻址，因此可以寻址256个存储器块，每块包含1字节的数据。存储器的第0块到第17块被保留用作存储系统信息，第18块以上的存储器用作标签中普通的应用数据存储区。2.4标签的应答格式标签收到阅读器的命令后，进行处理并应答，应答格式如下：620)this.styl

4、e.width=620;border=0静默是标签持续2字节的反向散射；返回帧头是一个16位数据“00000101010101010101000110110001；数据通常包含一个64位的UID号、8位的标志段以及用户信息；CRC采用16位数据编码。3系统结构标签由天线、模拟电路部分、数字电路部分和EEPROM存储器组成。图1示出了标签的系统结构框图。天线用于发射和接收电磁波；模拟电路主要是由包络检波电路、ASK调制电路、稳压电路、时钟产生电路、偏置电路以及上电复位电路组成，用于获取能量并调制解调信号；数字电路内部包含控制逻辑、微处理器（CPU），用于控制相关协议、指令及处理功能；EEPROM

5、存储器用于存储标签的系统信息和数据，存储时间可以长达几十年，并且在没有供电的情况下，其数据信息不会丢失。620)this.style.width=620;border=04关键部分设计4.1天线的设计采用如图2所示的半波对称振子天线，发送和接收射频信号。由于对称振子的辐射损耗和末端效应引起电流的波长缩短，导致实际的天线长度缩短3，缩短系数为0.85-0.9之间。本文设计的标签中心频率为915MHz，半个波长为16.39cm，取缩短系数为0.85，实际天线振子的长度为13.93cm，此时的天线为谐振状态，损耗较小。620)this.style.width=620;border=04.2包络检波电

6、路的设计包络检波电路的作用非常重要，一方面要从射频输入端提供的信号提取包络，并通过检波电路进行解调，为数字电路提供数字基带信号；另一方面还要从射频信号中提取稳定的偏置电流和时钟信号，供数字电路和调制电路使用。本论文设计了一种倍压整流检波电路，其等效电路图如图3所示，其中Rs为封装电路的等效串联电阻，RL为负载电阻。620)this.style.width=620;border=04.3微处理器的设计根据系统要求，微处理器应满足如下条件：完成与阅读器的实时快速通信。完成对阅读器指令的应答。完成对数字基带信号的编解码操作。实现对发射电路的可靠控制。完成对EEPROM存储器的存取操作。超低功耗。本文

7、微处理器采用广东周立功公司的型号为P89C51X2的单片机，完成系统的信号处理及通信控制功能。P89C51X2单片机核心处理单元为80C51，带有64K字节的ROM，可供写入引导程序以及厂商信息使用；64K字节的RAM，可用做缓冲器，提高处理速度；4K字节的FLASHEEPROM内部程序存储器，可用来存储代码和数据4，支持每字节最少10000次擦除或编程周期；提供内部振荡器，为基带数字信号处理单元提供可靠的时钟信号；内含计数器，可供防冲突处理部分计数使用；FLASH存储器中内含3个可编程保密位，可为片内的代码和数据提供不同级别的保护；支持掉电模式，可进一步降低功耗5。单片机的工作流程如图4所示

8、，当标签进入阅读器的射频场后，芯片上电复位；单片机完成初始化；启动二进制树防冲突单元，读取“Select标志位，如果等待一定时间后未被选中，则返回状态，继续等待，如果收到“选中指令，则继续下一步；接收检波电路送来的数字基带信号；启动CRC纠错电路；对基带信号进行Manchester解码；对信号中的指令进行识别，如果发现满足指令执行的条件，就执行阅读器指定的操作，并根据通信协议，决定是否返回应答信号，反之，则向阅读器发出出错信息，并将工作状态返回至初始状态；对应答信号进行FM0编码；控制射频端的ASK调制和发射；保持一定时间的静默后，进入下电复位状态。620)this.style.width=6

9、20;border=05总结本文设计的超高频RFID标签基于80C51单片机微控制器，能够实现ISO18000-6B要求的特性和功能，成本较低，易于开发，具有识别距离远、通信速度快、尺寸较小等特点，可广泛应用于集装箱跟踪、物流管理等活动。参考文献 1张纲,石亦欣,谷波,程君侠.一种超高频电子标签电路及应用.电子元器件应用,2004,5（6）:36-37 2张纲,杨庆森,程君侠等.ISO/IEC18000-6（CD）研究综述.信息技术与标准化,2004.4:24-28 3GiuseppeDeVitaandGiuseppeIannaccone.DesignCriteriafortheRFSectionofUHFandMicrowavePassiveRFIDTransponders.IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,9(53):2978-2990 4KlausFinkenzeller著,陈大材编译,（射频识别（RFID）技术（第二版）,北京:电子工业出版,2001.7 5杨宁等,（单片机与控制技术）,北京:北京航空航天大学出版社,2005.31