基于ISO15693协议的远距离RFID读写器的研究

沈阳理工大学

硕士学位论文

基于ISO15693协议的远距离RFID读写器的研究

姓名：张贵艳

申请学位级别：硕士

专业：通信与信息系统

指导教师：张明扬

20100301

摘要

自动识别技术是将信息数据自动识读、自动输入计算机的重要手段和方法，它是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术。自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码、磁识别、光学字符识别、射频识别、生物识别及图像识别等集计算机、光、机电、通信技术为一体的高技术学科。条形码技术作为自动识别技术的始祖，在信息自动化需求日新月异的今天早已显得力不从心。射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术作为一种新颖的信息技术异军突起，将自动识别技术的优势发挥得淋漓尽致。

射频识别技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息更改自如等优点，其广泛应用于物流控制、生产过程监控、智能身份识别、货物管理等领域，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。因此研究并开发一款具备高可靠性的射频识别系统具有非常关键和重要的意义。

本文所研究的远距离RFID读写器工作频率为13.56MHz，采用模拟与数字解调相结合的软硬件系统结构，实现了RFID读写器的远距离读写功能，并分析了电子标签的防碰撞算法。本文首先介绍了射频识别（RFID）技术，分析了射频识别（RFID）系统，深入研究了远距离RFID读写器的设计，主要包括射频读写模块、微控制单元、射频输出功放部分电路、射频接收电路、串行通信电路等功能模块，重点研究了RFID天线的设计与调试过程，最后介绍了射频识别（RFID）系统所遵循的通信协议—ISO15693标准及相关的软件设计。

关键词：RFID，射频读写器，电子标签，ISO15693

Abstract

Automatic identification technology is an important mean and method of reading information automatically and entering the information into the computer.It is an integrated science and technology based on computer and communication technology.Automatic identification technology has been the rapid development on a global scale in recent decades.It formed initially the high-tech disciplines,including code,magnetic,OCR,RFID,biometrics and image recognition,etc,seting of computing,optical,mechanical and electrical,communication technology in one.Code technology as the forerunner appeared to be powerless in the era of changing rapidly.RFID (Radio Frequency Identification) express fully the advantages of automatic identification technology on its head as a new information technology.

RFID has some advantages of waterproof,anti-magnetic,resistance of high temperature,long service life,long-range reading.At the same time,it has other advantages,like data being easily encrypted,big data storage capacity,store information being changed easily.On the contrary,the codes don’t have these advantages.It is used widely to control in logistics,monitor in production process,intelligent identification,management of cargo and other areas.And it can improve significantly the management and operational efficiency and reduce the costs.Therefore,it is very critical and important to research and develop a highly reliable RFID system.

The long-range RFID reader,by the frequency of 13.56MHz,using a combination

of analog and digital demodulations to realize the functions of reading and writing, analysing the anti-collision algorithm of tag.In this paper,we describe the RFID firstly,then analysis the RFID systems and study deeply the design of long-range RFID reader.It mainly includes RFID reader modules,micro-control unit,RF output circuit,RF receiver circuit,serial communication circuit,focusing on researching on designing and debugging for RFID antenna.And finally,we introduce ISO15693 standards and relational software design.

Key words:RFID, RF reader, tag, ISO15693

沈阳理工大学

硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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第1章 绪论

第1章绪论

1.1 射频识别技术概述

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，它是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[1][2][3]。RFID技术解决了无源（卡中无电源）和免接触两大难题，同时它可实现运动目标识别、多目标识别，能够广泛应用于各类场合。

与其他自动识别技术相比，射频识别技术的最大优点在于非接触性，无须与操作对象接触就可以进行读写操作。其突出优点是环境适应性强，能够穿透非金属材质，数据存储量大，抗干扰能力强[4]。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID技术广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，其已经涉及到人类生活的各个领域，并成为未来信息社会建设的一项基础技术。由此可见，射频识别技术具有广阔的应用前景。

1.2 课题研究背景和意义

射频识别系统的应用频率很多，识别距离随着频率的增大而增大。但并不是频率越高越好，如超高频UHF(860MHz～960MHz)和微波MW(2.45GHz～5.8GHz)很容易做到远距离读写操作，但由于超高频和微波频段的电子标签成本比较高且射频信号对含水物质比较敏感，使射频识别系统性能很容易受工作条件的影响。UHF射频识别信号的频率较高、波长较短，很容易被含水量大的物质所吸收，导致能量大幅度地被削弱，读写距离明显缩短，漏读率突增。而在实际应用中，含水量大的物质非常普遍，如药液、水酒、饮料等，所以在医院、超市和工厂等场合都会遇到一种尴尬情形——UHF（或MW）射频识别技术失灵了。而由于高频

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频段的射频识别信号的频率较低、波长较长，所以不存在这种障碍，它可以有效地弥补超高频和微波射频识别技术的不足之处。可见，远距离HF射频识别技术的研究能够与超高频和微波射频识别技术相互取长补短，合力推动射频识别技术的普及应用[5]。

基于ISO15693协议的远距离RFID读写器是针对远距离HF(13.56MHz)提出的，因为RFID电子标签目前价格较便宜，且已有少部分近距离应用。但近距离读写器不能满足应用市场的需求，迫切需要一款高可靠性的远距离RFID读写器，配上远距离读写天线，可以实现远距离的水平或垂直方向的读写要求。从市场应用来看，最受到重视和发展最快的是频率为860～960MHz的远距离超高频射频识别技术。而高频段(13.56MHz)远距离射频识别技术由于在物流等流通领域具有广阔的应用前景，并且在发达国家己有较广的应用，而国内还处于近距离应用阶段。因此，研究并开发远距离高频段的射频识别系统具有非常重要的意义。

1.3 射频识别技术的国内外发展及现状

射频识别技术最早的应用可以追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。1948年哈里·斯托克曼(Harry Stockman)在无线电工程师协会(Institute of Radio Engineers)学报上发表的“利用能量反射进行通讯(Communication by Means of Reflected Power)”奠定了RFID技术的理论基础[6-13]。近年来，随着半导体、大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，RFID 技术进入了商业化应用阶段。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，RFID 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21 世纪的最有发展前途的信息技术之一。

RFID 技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、电子标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些国家和国际跨国公司都在加速推动射频识别技术的研发和应用进程。在过去十年间，共产生数千项关于RFID 技术的专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。国外著名厂商及研究机构，如德州仪器、飞利浦等，纷纷加大对射频识别技术的研发和应用，且研发重点已经从原来的低频(125kHz)、高频(13.56MHz)技术产品转向超高频(860～960MHz)和微波(2.4GHz、5.8GHz)产品及相关技术的研究。

第1章 绪论

发达国家在多种频段都实现了RFID标签芯片的批量生产，模拟前端多采用低功耗技术，无源超高频RFID标签工作距离可以达到5米以上，功耗可以达到几微瓦，批量成本接近十美分[14]。

近年来，国内外的半导体厂商纷纷推出了HF(13.56MHz)频段的读写器前端模拟ASIC，这些ASIC大都兼容多种国际标准的电子标签(ISO15693和ISO14443TypeA/B)，如复旦微电子(FM1725)、美国德州仪器(RI-R6C-001A)、飞利浦(RC632)、美国ATEML(AT88SC6416CRF)、意法半导体(LRI512)、EMMieroeleetronie(EM4094)、Melexis(MLX90121、MLXgO131)、Mieroehip(MCRF355/360)等等。这些RFID读写器前端模拟ASIC主要针对近距离的应用场合，很方便地构成近距离射频识别系统的一体化读写设备。因此，虽然芯片已经推出了很久，但采用这些ASIC来构建远距离的RFID读写器的产品，目前市场上还没有[15]。

目前，我国射频识别技术的研究还处于起步阶段，大多从国外引进先进的技术成果。射频识别技术在国内刚刚出现，但发展速度惊人，在食堂售饭、考勤、门禁、城市轨道交通、不停车收费等系统中都已得到了广泛的应用。但是在技术领域方面，国内真正从事RFID技术研究的部门或单位相对比较少，往往需要向国外大公司购买配套器件。这些具有垄断实力的公司主要有Philips、Motorola、Ti 等，他们的技术严格保密，可供参考的资料不多，因此开发具有国内自主知识产权的射频识别系统具有十分重要的意义。

1.4 射频识别技术的应用领域

射频识别技术的应用领域越来越广泛，典型的应用有动物跟踪、防盗系统、门禁系统、停车场管理、自动生产线控制、图书管理、动物识别等等。RFID技术在生产制造、航空行李管理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书管理、身份识别、车辆门禁/电子门票、运动计时、智能交通、网络家电控制、商品与供应链管理等领域己经或正在投入实际应用，而且其应用领域还在不断的扩展[16]。其整体概括起来包括以下领域[17]：

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身份识别：电子标签通过嵌入到身份证、护照、工作证等各种有效证件中，用于对人员身份进行验证和识别，也可以植入动物皮下或制作成RFID电子耳标用来对动物进行全程跟踪。

防伪识别：在防伪识别中，RFID具有识别速度快、伪造难，成本低廉等优点，如果附加上安全认证和加密功能，就可以大大提高伪造的难度和成本。目前，日本和欧洲正在尝试在日元和欧元中嵌入电子标签，这样不仅可以防止伪钞，还可以方便钞票的交易处理。

商品与供应链管理：RFID技术在商品与供应链管理中的应用是最广泛、技术难度最大、最难实现的应用。因为要在所有被识别的物体上都贴上一个电子标签，这样不仅对电子标签的成本要求比较高，而且也要求后台计算机管理系统具有快速、高效的处理大量数据的能力。

公共交通管理：公共交通管理是应用射频识别技术最早、最成功的领域。目前这一领域主要的应用有：电子车票、不停车收费和车辆管理与跟踪。

物流管理：为了降低物流成本，提高运输效率，保证物品在运输流通中不会被遗漏或丢失，需要对整个物流过程进行监控和管理。目前在物流管理领域的应用主要包括：铁路和公路的货运调度，集装箱识别和跟踪，物品、包裹的自动识别和处理、后勤管理等。

1.5 课题研究的内容及论文组织结构

本文以射频识别系统的实际应用为背景，阐述了一种工作频率为13.56MHz，遵循ISO15693协议的远距离RFID读写器的研究。该射频读写器配上远距离RFID 读写天线，可使电子标签的读写距离达到30cm左右。课题研究的主要内容如下：1）对ISO15693协议标准的研究，并设计出远距离RFID读写器的整体框架。

2）根据ISO15693协议标准进行软件编程，实现RFID读写器的远距离读写功能。

3）RFID读写器硬件电路设计，主要包括射频读写模块、微控制单元、射频输出功率放大模块、射频接收模块、串行通信电路的设计与调试。

4）远距离RFID读写天线的设计及各种测试实验

5）RFID读写器与远距离读写天线的整体调试

第1章 绪论

本文共分为五章，其论文的章节结构组织如下：

第1章 绪论。首先概述了射频识别（RFID）技术，然后介绍了课题研究的背景意义、国内外发展现状、射频识别技术的应用领域及课题研究的主要内容与章节安排。

第2章 射频识别（RFID）系统。首先介绍了射频识别系统的物理基础，包括电磁场、电磁波。然后阐述了射频识别系统的工作原理、系统组成、分类以及电子标签的种类、特性和电子标签的防碰撞法分析。

第3章 远距离RFID读写器硬件设计。简述了RFID读写器的构成及总体框架设计，详细介绍了远距离RFID读写器各个功能模块的电路设计与调试，主要包括：射频读写模块、微控制单元、射频输出功放、射频接收模块、串行通信模块等。

第4章 RFID系统天线设计。简单介绍了射频识别系统天线的工作原理、种类、性能参数、特性指标等，重点阐述了RFID读写天线特别是PCB环型天线的设计与调试过程及天线匹配网络的设计。

第5章 射频识别（RFID）系统通信协议介绍及软件设计。简单介绍了ISO/IEC15693协议标准，详细论述了读写器与电子标签之间的数据传输及读写程序的编程实现。

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第2章 射频识别（RFID ）系统

2.1 射频识别（RFID ）系统的物理基础

射频识别技术的基本原理是电磁理论。要深入挖掘射频识别技术的潜能，研究读写器与电子标签之间的能量和数据传输过程，首先必须了解和透析射频识别技术的电磁理论的本质。下面从射频识别的角度来研究电磁场理论。

2.1.1 电磁波

2.1.1.1 电磁波的产生

随着时间变化的空间磁场感应有闭合电力线的电场，这个电场包围着磁场，并且本身随时间变化。由于电场随时间变化，在空间产生有磁场，该磁场包围着电场也随时间变化，又产生了另外的电场。由于随时间变化的场的相互依赖关系，于是在空间中就有一系列的电场和磁场效应，形成电磁波。所产生电磁波的波长为f c =λλ：，其中c 为光速，f 为辐射频率。

电磁波在远距离场中以近似光速传播。电磁波的场强随着与辐射源的距离增加而降低。由近及远过渡的磁性天线的磁场为：初始磁场从天线上开始，并在空间感应电力线，这个范围为天线的近场区。当距离为πλ2时，电磁场脱离天线并作为电磁波进入空间，这种脱离天线的电磁场称为远距离场[15]。

一个脱离天线的电磁波，虽然是由天线产生的，但已经不能通过电感或电容的耦合反作用于天线。对电感耦合的射频识别系统来说，这意味着随着远距离场的开始，变压器式的耦合已不再可能，这一范围也是电感耦合系统不可超出的作用范围。

2.1.1.2 电磁波的反射

射频天线向周围空间发射电磁波，会遇到不同的目标。目标接收到达的一部分高频能量，并转变成热量；另外一部分以不同强度散射到各个方向上去。散射

第2章 射频识别（RFID）系统

能量的一小部分最终返回到发射天线。在雷达技术中，测量远程目标的距离和方向就是利用这一原理来实现的。

对于射频识别（RFID ）系统来说，就是利用电磁波反相散射进而达到从电子标签到读写器的数据传输。但由于目标的反射性能一般都随着频率的上升而增强，所以这种方式主要应用在915MHz （美国）、2.45GHz 或更高的频率范围。

2.1.2 电磁场

绝大多数的射频识别（RFID ）系统都是采用磁场耦合的通信机制，通过磁场强度为无源电子标签提供能量。射频读写天线的磁场强度随着距离的增长呈指数快速衰减变化。在读写天线近处的磁场强度一般都很高，很容易实现近距离的射频识别，但由于磁场强度的急速衰减，要实现远距离的识别是不容易的。本文所研究的射频识别（RFID ）系统就是采用磁场耦合的原理来实现的。

2.1.2.1 磁场强度H

每个运动的电荷或者电流都伴随有磁场。磁场强度可以通过作用到磁针或作用到第二个电流上的力的试验得到证实。磁场的大小用磁场强度H 表示，与所在空间的物质属性无关。电流I 和磁场强度H 的关系式如下：

∫=∑Hds I （2-1）

如果被测点沿线圈轴方向离开线圈中心很远，则磁场强度H 随着距离x 的增加而不断减弱。反复实验表明，从线圈的半径（或面积）到一定距离的场强几乎是不变的，而后会急剧下降。在自由空间中，线圈的近场中磁场强度的衰减为每10倍距离约60dB ，在形成电磁波的远场中变得比较平缓，每10倍距离衰减约20dB [15]。

由式（2-2）可以计算沿着圆形线圈（等于导体回路）的x 轴的磁场强度曲线)(x H ，该线圈与电感耦合的射频识别系统所用的发射天线类似。

3

222)(2)(x R R N I x H +??=

（2-2） 式中：

N ——线圈匝数；

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R ——圆半径；

x ——沿x 轴方向与线圈中心的距离。

其有效边界条件是：R d ≤且πλ2x 时，开始过渡到远距离的电磁场。当距离为零时，或者在天线的中心点处时，公式可简化为：

R

N I x H 2)(?=

（2-3） 2.1.2.2 磁通量φ和磁通密度B 线圈的磁场能对磁针施加作用力，如果把软铁磁放入线圈中，其他条件不变，则线圈的磁场对磁针施加的作用力将增加。其中，N I ×不变，磁场强度H 保持不变，而对力的产生起决定性作用的磁通密度B ，即磁力线总数增加了。

在一个圆柱形线圈中，通过线圈内部空间的所有磁力线的总数称为磁通量φ。同时还使用了一个与面积A 有关的量，即磁通量密度B ，则有：

A B ?=φ （2-4） 磁通量密度B 与磁场强度H 的关系式可表示为：

r B μμ0=，H H μ= （2-5）

2.1.2.3 感应系数L

在电流I 包围的总面积中产生的磁通量ψ，与导体回路中包围它的电流I 之比称为感应系数，即电感L ，故有：

I

A H N I N I L ???=?==

μφψ （2-6） 2.1.2.4 互感系数M 如果在电流通过的导体回路1（面积1A ，电流1I ）的邻近还有另外的有电流通过的导体回路2（面积2A ，电流2I ），那么穿过1A 的部分磁通量φ也穿过2A 。两个电路将通过这部分磁通量即耦合磁通量连接在一起。耦合磁通量21φ取决于两个导体回路在布局中的几何尺寸、导体回路彼此的位置以及介质的磁属性，即导磁率[15]。与单个导体回路的电感系数L 的定义相似，导体回路2与导体回路1的互感系数21M 是被回路2包围的部分磁通量21ψ与回路1中的电流1I 之比：

21121121212

)()

(dA I I B I I M A ∫==ψ （2-7）

第2章 射频识别（RFID）系统

2.1.2.5 耦合系数k

互感系数是两个导体回路的磁通量耦合的定量说明。应用耦合系数k 来对导体回路的耦合作定性说明，使其与导体回路的几何尺寸无关，其关系式为：

21L L M

k ?= （2-8）

耦合系数总是在两个极限情况之间)10(≤≤k 变化的。

0=k ：完全去耦，是由于距离太远或磁屏蔽导致的。

1=k ：全耦合，即两个线圈处于相同的磁通量ψ中。全耦合变压器技术是将两个

或多个线圈绕制在高导磁的铁芯上。

2.2 射频识别（RFID ）系统分析

2.2.1 射频识别（RFID ）系统工作原理

电子标签进入天线周围的磁场后，如果接收到读写器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即Passive Tag ，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的射频信号（即Active Tag ，有源标签或主动标签），射频读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行相关数据处理。

从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低中高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），在超高频及微波频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射的电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）[14]。

电子标签与读写器之间的电磁耦合包含两种情况[14] [18] [19]：一是电感耦合方式，是低、中、高频段近距离非接触射频识别系统的耦合方式。在电感耦合方式中，读写器天线相当于变压器的初级线圈，电子标签的天线相当于变压器的次级线圈，所以这种方式也称为变压器方式。电感耦合方式通过空间磁场实现耦合，耦合磁场在读写器线圈与电子标签线圈之间构成闭合回路。二是电磁耦合方式。在电磁耦合方式中，读写器的天线将读写器产生的射频信号以电磁波的方式定向发送到空间范围内，形成读写器的有效读写区域，位于读写器有效读写区域中的电子标

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签从读写器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过电子标签的内部电路及标签天线将标签内存的数据信息回传到读写器。电磁耦合与电感耦合的差别在于电磁耦合方式中读写器将射频信号以电磁波的形式发送出去。而在电感耦合方式中，读写器将射频信号束缚在读写器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，形成读写器天线与电子标签天线之间的射频通道，而没有向空间辐射电磁能量。

电感耦合的射频识别系统中，电子标签在天线上形成的接收信号的调制方式常采用副载波负载调制技术。而电磁耦合的射频识别系统中，电子标签在天线上形成的接收信号的调制方式常采用电磁波反向散射调制技术。

射频识别（RFID）系统的工作过程：RFID读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，随即获取能量被激活。电子标签通过内置发送天线将自身编码等信息发送出去，射频识别系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到RFID读写器，读写器对接收的射频信号进行解调和解码，然后送到后台信息系统进行相关处理。后台信息系统根据逻辑运算判断该电子标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理，发出指令信号控制执行机构动作。射频识别读/写系统的工作原理如图2.1所示。

图2.1 射频读/写系统的工作原理

2.2.2 射频识别（RFID）系统的组成

典型的射频识别系统由应答器（Transponder）、读/写器（Read/Write Device）以及数据交换、管理系统等组成。一般情况下，射频识别（RFID）系统由如下两部分组成：

1）应答器：应答器通常放置在被识别的物体上，如IC卡、电子标签等都属于应答器。应答器是射频识别系统真正的数据载体。应答器一般由耦合元件、微电

第2章 射频识别（RFID）系统

子芯片组成。在读写器的响应范围之外，应答器处于无源状态。通常应答器没有自己的供电电源，只有在读写器的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需的射频能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元（非接触式）传输给应答器的。

2）读写器：读写器可以是读或读/写装置。典型的RFID读写器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及与应答器的耦合元件。通常大多数读写器还都有附加的接口，如USB、RS232、RS485等，以便将所获得的数据进一步传输给另外的计算机控制系统，从而建立相应的数据管理系统。

电子标签的射频识别系统由电子标签（TAG）、读/写器、天线（Antenna）和应用系统软件组成，直接与相应的管理信息系统相连。电子标签的射频识别（RFID）系统的基本组成如图2.2所示[20]：

主机

图2.2 射频识别系统的基本组成部分

2.2.3 射频识别（RFID）系统的分类

2.2.

3.1 按工作频率分类

射频识别（RFID）系统根据工作频率的不同可分为低频、中频、高频系统。低频系统一般工作在100～500kHz；中频系统一般工作在1～15MHz左右，主要应用于识别距离短、成本低的场合；高频系统可达850～950MHz及2.4～5GHz的微波段，主要应用于识别距离远、读写数据率高的场合。其具体可以分为：

1）低频段：125kHz，主要应用于门禁、考勤、城市轨道交通、巡更、防盗等领域。2）中频段：13.56MHz，主要应用于防伪、物流、身份识别和电子支付领域。本文所研究的射频识别系统基本上属于中频段系统。

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3）超高频：900MHz，目前专门应用于物流管理，一般响应距离为3m。

4）混频：134.2kHz和430MHz相混合，目前主要应用于车辆管理、远距离数据传输等领域。

2.2.

3.2 按工作距离分类

1）密耦合

射频识别系统的读写距离很近，典型的识别距离为0.1cm～10cm，因而电子标签必须靠近读写器才能被识别，但与接触式的识别不同，所以将其称为密耦合系统。

密耦合RFID系统通常适用于安全性能要求较高，而对识别距离要求不高的场合，如城市轨道交通、社保卡、POS系统等。因为在密耦合的射频识别系统中，电子标签与读写器之间的紧密耦合，使得电子标签能够获得更多的能量，此时电子标签内部就有足够的能量来执行各种复杂操作，甚至能够内嵌微处理器来执行更复杂的加密算法，从而达到更高安全性要求。

2）遥耦合

遥耦合系统的典型识别距离超过10cm甚至可以达到1m左右。它是依靠电子标签与读写器之间的电磁耦合方式来达到识别目的的。电子标签上的天线线圈和电容构成振荡回路，调谐到RFID读写器的发射频率，从而获得所需的工作电压。

电子标签与读写器之间传输数据主要是应用副载波的负载调制原理。由于当电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开时，在读写器发送频率的左右两边就会产生两条调制波边带。这两条调制波边带与RFID读写器较强的中心信号可以通过带通滤波器区分开来，经过放大后很容易解调出副载波信号，从而获得电子标签发送的数据。

通常情况下，遥耦合系统的效率不高，一般只适用于低电流电路。只有功耗极低的只读标签可以达到1m以上的读写距离。具有写入功能和复杂加密算法的电子标签功耗较大，相应的读写距离大大减少。遥耦合系统的典型工作频率为13.56MHz，是目前低成本射频识别（RFID）系统的主流。本文所研究的射频识别系统，从严格意义上来说应该属于遥耦合系统的范畴，但由于RFID读写器所遵循的ISO15693协议中定义的读写距离可以达到1m以上，所以本文所研究的射频识别系统在归类时暂时归为远距离射频识别系统这一类。

第2章 射频识别（RFID）系统

3）远距离系统

远距离系统的典型识别距离为1m～10m。利用的是电磁波在空间辐射形成空间电磁场，电子标签与读写器之间的通信方式类似雷达探测系统。工作时，电子标签位于读写器天线辐射场的远场区内，电子标签与读写器之间的耦合方式为电磁耦合。RFID读写天线通常为极化天线，如线极化、圆极化等，并在空间形成一个辐射场为无源电子标签提供射频能量。远距离RFID系统的工作频段为860～960MHz、2.4GHz和5.8GHz等，目前广泛应用于车辆管理、码头集装箱等大物件的流通领域。

2.3 电子标签介绍

电子标签也叫智能标签、Tag、或者Smart Labels。其核心是采用射频识别技术，具有一定存储容量并带有天线的芯片，芯片中存储有能够识别目标对象的信息。电子标签作为数据载体，能起到标识识别物品跟踪、信息数据采集的作用。电子标签由耦合元件及芯片组成，每个电子标签具有唯一的电子编码，附着在被识别物体上。当受到无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供读写器处理识别。这种电子标签只有在读写天线的响应范围之内才会从读写器的射频场中获取能量供数字电路部分使用。电子标签工作所需要的能量是通过电磁耦合单元或天线，以非接触的方式传送给电子标签的。

电子标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟电路及存储器组成。其工作过程为：时钟电路把所有电路功能时序化，以使存储器中的数据在精确的时间内传输至读写器，存储器中的数据是射频识别系统规定的唯一性编码，电子标签安装在被识别对象前就已写入。数据读出时，编码发生器把存储器中存储的数据编码，调制器接收由编码发生器编码后的信息，并通过读写天线将此信息发射/反射至读写器。数据写入时，由控制器控制，将天线接收到的信号解码后写入存储器[1]。

通常，电子标签具有如下功能：

1）具有一定容量的存储器，用以存储被识别对象的信息。

2）在一定工作环境及技术条件下，电子标签数据能被读出或写入。

3）维持对被识别对象的识别及相关信息的完整。

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4）数据信息编码后，工作时可传输给RFID读写器。

5）可编程，且一旦编程后，永久性数据不能再修改。

6）具有确定的使用期限，在使用期限内无需维修。

7）对于有源电子标签，通过读写器能显示出电池的工作状况。

2.3.1 电子标签的种类

电子标签依据发送射频信号方式不同，可分为有源标签（Active Tag）和无源标签（Passive Tag）两种[21]。

有源标签：1）主动向读写器发送射频信号，通常由内置电池供电；2）具有较远的识别距离，一般可达几十米甚至上百米；3）价格比较昂贵，主要适用于贵重物品远距离检测；4）有源电子标签通常有部分电路处于工作状态，有时被称为处于“睡眠”状态。当耦合的能量超过某一值时，有源电子标签才真正开始工作，这一过程称为“唤醒”，在睡眠状态有源电子标签的功耗一般很小。因此一个拇指大小的钮扣电池就可以保持很长的工作时间；5）与无源电子标签相比，有源电子标签的寿命通常要受电池寿命的限制而成为其本身一大缺陷。

无源标签：1）不带电池，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自读写器产生的电磁波；2）在接收到读写器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量；3）无源电子标签重量轻、体积小、价格也便宜，但其识别距离、存储容量等受到能量来源的限制，一般识别距离为几十厘米到几十米，且需要有较大的读写器发射功率；4）无源电子标签的寿命一般比较长，可达几十年。本文所研究的射频识别系统使用的电子标签为遵循ISO/IEC15693标准的Tag-it无源电子标签。

Tag-it无源电子标签完全与ISO/IEC15693协议标准兼容，是远耦合卡（VICC，Vicinity Card）的一种。其内有64位的UID（卡号）和8位的AFI（应用识别号）以及8位的DSFID（数据存储格式），用来标识电子标签和其特定应用的特征。标签内有2 kb EEPROM，分成64块，每块32 bit。每块均可以锁定，以保护数据免于修改。AFI、DSFID和32块均可读写，用于存储用户的数据。Tag-it采用13.56 MHz 的载波频率，工作于“读写器通话优先（Reader Talks First）”模式下，即一问一答的模式。标签内有防碰撞机制，可以同时读多张电子标签而不会产生相互碰撞[15]。

第2章 射频识别（RFID）系统

在实际应用中，一张电子标签可以有多种应用，不同的块可以存储不同应用的数据，即所谓的“一卡通”。但Tag-it内没有逻辑加密电路，无法实现加密功能，从而限制了Tag-it在一些保密性要求较高的领域的应用。目前Tag-it电子标签主要应用在智能标签领域，如特快专递、航空行李管理、电子门票等。

2.3.2 电子标签的特性

遵循IS015693协议的Tag-it电子标签的特性如下：

1）无源远距离读写：最大可达120cm。

2）防碰撞技术：与条形码技术相比，无需直线对准扫描，读写速度快，可多目标识别、运动目标识别，每秒最多可识别30个。

3）国际通用频率：13.56MHz ±7KHz。

4）灵活的内部存储空间：可以根据应用系统的具体需要定义各型号产品的存储容量和每个扇区的字节数，并且读写设备可以读取内存配置信息，以便在一些综合应用中操作不同的电子标签。

5）国际统一且不重复的8字节（64bit）唯一识别内码（Unique identifier，简称UID），其中第1～48 bit共6字节，为生产厂商的产品编码，第49～56 bit的1个字节为厂商代码（ISO/IEC7816-6/AM1），最高字节固定为“EO”。

6）可反复读写且扇区可以独立一次锁定，目前的电子标签产品一般采用4字节扇区，内存从512 bit～2048 bit不等。

7）使用寿命较长：无机械磨损、无机械故障，可应用于恶劣环境，工作温度可以在-25度～+70度范围内。

2.3.3 电子标签的防碰撞法

在射频识别（RFID）系统中，读写器与电子标签之间的通信，有可能会有多个电子标签同时处于读写器的有效作用范围内，此时二者之间的通信存在着两种基本形式：第一种是“无线广播”式，即在一个读写器的作用范围内有多个电子标签，读写器发出的数据流同时被多个电子标签接收，如图2.3所示。第二种通信形式是多路存取，也称多目标识别，即在读写器的作用范围内有多个电子标签同时传输数据给读写器，如图2.4所示。这种通信形式的信道有规定的通信容量，容

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量的大小是由这个通信通路的最大数据传输率与供给它使用的时间片确定的。分配给每个电子标签的通路容量必须满足：当多个电子标签同时把数据传输给一个单独的读出装置时，不能出现相互碰撞。

图2.3 一个读写器到多个电子标签的数据传输

图2.4 多个电子标签的数据同时传输给一个读写器

当读写器的天线区域内有多个电子标签同时到达时，它们将几乎同时响应读写器的指令而发送信号，这样就会产生信道争用的问题，信号相互干扰，读写器不能正确接收数据，也就不能正确识别电子标签，即发生了碰撞(Collision)。但在有些场合，需要射频识别（RFID）系统一次完成对多个电子标签的识别，因此就必须寻找一种防碰撞(Anti-collision)方法，以满足这种需要。所谓防碰撞方法，就是在读写器天线的识别区域内同时有多个电子标签存在时，可以通过一种机制，要么读写器可以正确识别多个电子标签同时发回的数据，采用并行的方式，以达到多目标识别的目的；要么使电子标签在规定的时间内依次发回数据，即每个电子标签占用一段特定的时间，在这段时间内只有一张电子标签工作。对于第一种情况，FDMA(频分多址)和CDMA(码分多址)是很好选择，但这样会大大增加射频识别系统的复杂程度和成本，对于射频识别系统来说不太现实；对于第二种情况，