一种超高频RFID电子标签电路及应用

1 引言

射频识别技术(RFID)是利用射频方式进行远距离通信以达到物品识别的目的，可用来追踪和管理几乎所有的物理对象，在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪甚至军事等众多领域，具有广泛的应用前景，目前已引起人们的广泛关注。& nbsp;

RFID系统一般包括阅读器和应答器(或称电子标签)两个部分。电子标签由RFID电路和天线组成，按供电的方式可以分为无源和有源两种。无源电子标签不需要电池供电，具有成本低、可靠性高等优点，因而有广泛用途。另外，按照阅读器发射频率的不同，RFID系统还可分为低频(135kHz以下)、高频(13.56MHz)、 超高频 UHF(860～960MHz)和微波(2.4GHz以上)频段等几类。
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目前，大多数应用的RFID系统使用低频和高频的标签。但是，研究发现， 超高频 (UHF)频段的电子标签具有操作距离长、通讯速度快、成本低、尺寸小等优点，更适合未来应用，因此， 超高频 电子标签是当前电子标签发展的重点。

下面介绍作者研究开发的一种 超高频 (UHF)电子标签电路，并给出典型应用。

2 结构与特点

& nbsp;& nbsp; 图1示出电路的结构框图。

该电路主要分为射频前端、数字控制和存储器三部分。其中，射频前端部中含有5个模块：电源产生模块从射频波中产生电路工作电压；时钟产生模块是一个内置的频率可调的振荡器，提供稳定可调的系统时钟；保护电路模块可以防止当芯片靠近读写器时，天线上的电压或电源电压过高而造成的损坏；发射和接收电路模块完成读写器与电子标签之间的指令接收和反射应答信号的双向半双工的通讯联系。数字控制部分完成电子标签的识别和执行读写器的指令，主要有防冲突电路、控制逻辑和存储器接口三个部分。& nbsp;

如表1所示，这种电子标签电路支持全局指令、单个指令和测试保留指令三种类型的指令。全局指令是针对在射频场区中的所有电子标签，主要有ResetAll、MuteAll等；单个指令是针对通过防冲突过程选择出的单个电子标签，主要有Read、Write等指令；测试保留指令是厂家为了测试专用或者为将来的指令扩展保留的指令，主要是最高权限的TestRead、TestWrite等指令。

& nbsp;& nbsp;& nbsp; 防冲突机制对电子标签的应用十分重要，本文描述的电子标签支持基于动态二进制搜索的防冲突协议。读写器可以根据应用中存在电子标签的数量，动态地指定电子标签在防冲突过程中使用一个长的或者短的识别码，以缩短整个防冲突的识别过程。图2示出存储器的结构。

& nbsp;& nbsp;& nbsp; 电路内置256位的WORM存储器，其中，前128位为唯一识别码(UID)，可支持128位或96位两种规格；后128位中的前64位保留给制造商，用来定义厂家代码、应用信息、访问密码及未来扩展保留等，后64位留给用户，用户可以根据需要写入产品的相关信息或用来追踪产品的流通过程。

3 典型应用
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图3示出该电路的典型应用电路。电路的引脚有4个，IN1和IN2是射频输入端，用来连接天线。天线的形状和类型没有特别要求，图中选用的是简单的振子天线。

另外两个引脚是电源(VDD)和地(GND)。因为是无源的电子标签，电路需要一个电容器来存储能量，图3中的电容器(Cs)就是外接储能电容器。电容的大小和电路的功耗与最低工作电压有关，一般尽量用大电容，这里，Cs的典型值是10nF。

按照图3连接的电子标签可以应用在许多场合。可以贴在汽车的玻璃上，应用在高速公路的不停车收费中，也可以贴在商品上，完成商品从制造、流通、零售等一系列的物品追踪和管理。
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一种实际应用是集装箱的识别和管理系统。在每个集装箱上贴上电子标签，电子标签中除了唯一的识别码外，还存放了集装箱的起始地、中转地、目的地和集装箱所装物品的信息。集装箱的表面是金属材料，电子标签不能紧贴金属表面，而要保持一定的距离。为了达到较远的识别距离，电子标签的天线也是经过特殊设计。& nbsp;

在集装箱的陆地运输过程中，进出仓库或港区的大门时，门口的大型读写器可以在几米外识别出集装箱上的电子标签，读出电子标签中的集装箱的相关信息，提供给后台数据库。在航运过程中，可以通过小型的读写器，在较近的距离内来识别集装箱并确认其路线和所装货物是否正确。应用电子标签识别系统后，集装箱运输公司和其客户可以实时管理和监控集装箱的整个流通过程，在需要查找特定的货物时，也能迅速、准确地找到相关的集装箱位置。通过应用基于电子标签的集装箱识别和管理系统，可提高集装箱运输的效率，大大降低出错的可能性和管理成本。
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不过，在实际使用中还需要注意以下几点：

第一，读写器的发射频率和最大功率是受国家法规限制的，不同的国家和地区对可使用的频率和最大发射功率的规定亦不同。第二，有些材料如金属、玻璃等会造成电子标签性能的下降，需要设计特殊的天线。第三，读写器与电子标签的通讯速率可以根据需要而改变，一般应用中的典型速率为40kb/s。 第四，尽管外接电容器并不是必需的，但是，为了保证电子标签的性能，最好接一个不小于2nF的电容器。