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一种超高频RFID标签的设计

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1. 引言   

RFID(Radio Frequency Identification,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860~960MHz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:   

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“00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01”;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。   

4.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。   

4.2 包络检波电路的设计   
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。   

4.3 微处理器的设计   
根据系统要求,微处理器应满足如下条件:①完成与阅读器的实时快速通信。②完成对阅读器指令的应答。③完成对数字基带信号的编解码操作。④实现对发射电路的可靠控制。⑤完成对EEPROM存储器的存取操作。⑥超低功耗。   

本文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FLASH EEPROM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,①当标签进入阅读器的射频场后,芯片上电复位;②单片机完成初始化;③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①状态,继续等待,如果收到“选中”指令,则继续下一步;④接收检波电路送来的数字基带信号;⑤启动CRC纠错电路;⑥对基带信号进行Manchester解码;⑦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;⑧对应答信号进行FM0编码;⑨控制射频端的ASK调制和发射;⑩保持一定时间的静默后,进入下电复位状态。   

5.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/IEC 18000-6(CD)研究综述. 信息技术与标准化, 2004.4:24-28   
[3] Giuseppe De Vita and Giuseppe Iannaccone. Design Criteria for the RF Section of UHF and Microwave Passive RFID Transponders. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005,9(53):2978-2990   
[4] Klaus Finkenzeller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,2005.3

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