RFID应用及原理 第五章 RFID系统的电子标签

第四章 RFID电子标签
2.1 电子标签芯片
• 电子标签芯片是电子标签的一个重要组成部分，它主要负 责存储标签内部信息，还负责对标签接收到的信号以及发 送出去的信号做一些必要的处理。标签芯片可以分为逻辑 控制模块和存储模块两部分。
逻辑控制模块 接收编码 发送编码 收发控制 安全认证 主状态机 防冲突 存储器读 写控制 控制 地址 存储单元 数据 存储模块 高压产生
射频识别技术
RFID Technology
第四章 RFID电子标签
第四章 RFID电子标签
• 电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型小标 签。 • 标签中保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线 标签附着在待识别物体表面。 • 存储在芯片中的数据，由阅读器以无线电波的形式非接触 的读取，并通过阅读器的处理器，进行信息解读并进行相 关的管理。 • 因此说，电子标签是一种非接触式的自动识别技术，是目 前使用的条形码的无线版本。 • 电子标签的应用给零售、物流等产业带来了革命性的变化。 而且电子标签十分方便于大规模生产，并能够做到日常免 维护。
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2.2 电子标签天线
• 因此，在选择天线的时候，必须考虑如下因素： （1）天线的类型。 （2）天线的阻抗。 （3）在应用到电子标签上时的射频性能。 （4）在有其他的物品围绕标签物品时的射频性能。 • 在实际应用中，标签的使用方式有两种，一种是标签移动， 通过固定的阅读器进行识别；一种是标签不动，通过手持机 等移动的阅读器来进行识别。 • 在一个电子标签中，标签面积主要是由天线面积决定的。然 而天线的物理尺寸受到工作频率电磁波波长的限制，如超高 频（900MHz）的电磁波波长为30cm，因此应该在设计时考 虑到天线的尺寸，一般设计为5~10cm的小天线。
第四章 RFID电子标签
• • • • • • • 1、电子标签的特点 2、电子标签的组成 3、电子标签的分类 4、声表面波电子标签 5、电子标签的状态转移 6、电子标签的技术参数 7、电子标签的发展趋势
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1、电子标签的特点
• 电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电 子编码，附着在物体目标对象上。 • 电子标签内编写的程序可按具体需要进行随时读取和改写。 • 电子标签中的内容也可在被改写的同时可以被永久锁死、 进行保护。 • 通常电子标签的芯片体积很小，厚度一般不超0.35mm， 可印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装材料上， 也可以直接制作在商品标签上。
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2.2 电子标签天线
（3）偶极子天线 • 在远距离耦合的RFID系统中，最常用的为偶极子天线。 信号从偶极子天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂 上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁 场。 • 偶极子天线分为四种类型，分别为半波偶极子天线、双线 折叠偶极子天线、三线折叠偶极子天线和双偶极子天线。
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2、电子标签的组成
• 电子标签主要由天线、射频接口和芯片三部分组成，其内 部框图如下图所示：
射频接口 天 线
调制器 解调器 电压调节器 EEPROM
芯片
逻辑控制单元
ROM
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2、电子标签的组成
• 电子标签内部又可细分为以下几个小单元： ①天线：主要的功能是接收阅读器传送过来的电磁信号或者将 阅读器所需要的数据传回给阅读器，也就是负责发射和接收 电磁波。它是电子标签与读写器之间联系的重要一环； ②逻辑控制单元：负责对读写器传送来的信号进行译码，并且 按照读写器的要求回传数据给读写器； ③调制解调单元：由控制单元传出的数据需要经过调制单元的 调制以后，才能加载到天线上，成为天线可以传送的射频信 号，再回传给阅读器；解调单元负责将经过调制的信号加以 解调，将载波去除，以获得最初的调制信号；
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2.1 电子标签芯片
• 电子标签芯片内部的逻辑控制模块又可以细分为PPM译码模块、 命令处理模块、主状态机、编码模块、防碰撞控制、通用寄存 器、EEPROM接口等部分。其主要职责是对模拟解调后的数据 做一些必要的处理，并且负责与EEPROM及与读写器的通信。
模拟部分
Baidu NhomakorabeaPPM 解码
命令处理状态机
CRC EEPROM接口
模拟部分
数据发送
接收 数据
接收专用 寄存器
发送专用 寄存器
通用移位寄存器
EEPROM 接口
命令 标志 位寄 存器 主状态机
定时器 映射模块
命令处理 状态机
比较器
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2.2 电子标签天线
• 天线可以将导行波转换为自由空间波，也可以把自由空间 波转换为导行波。 • 天线的周围是一个三维空间，这三维分别是波束范围、立 体弧度和立体角。 • 由无线发射机发送的信号，首先经由馈线传送给天线，天 线接收完毕以后，再经由馈线传送给无线接收机。 • 由此可以看出，在传送信号的过程中，天线是必不可少的。 • 而在RFID系统中，电子标签的天线必须满足以下的一些 性能要求。
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2.2 电子标签天线
• 此外，考虑到天线的阻抗问题、辐射模式、局部结构、作用 距离等因素的影响，为了以最大功率进行传输数据，天线后 的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗相匹配。 • 因此在电子标签中应该使用方向性天线，而不是全向天线， 方向性天线具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。 • RFID电子标签主要有线圈型、微带贴片型和偶极子型三种。 工作距离小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工 艺简单、成本低的线圈型天线，工作在中、低频段。工作在 1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子的 RFID天线，工作在高频及微波频段。
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2.2 电子标签天线
（1）线圈型 某些应用要求RFID的线圈天线外形很小，且需要一定 的工作距离，如动物识别。为了增大RFID与读写器之间 的天线线圈互感量，通常在天线线圈内部插入具有高磁导 率μ的铁氧体材料，来补偿线圈横截面小的问题。 （2）微带贴片天线 微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的 辐射贴片导体构成的。微带贴片天线质量轻，体积小，剖 面薄，其馈线方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源 电路集成一体化等特点成为了印刷天线的主流。微带贴片 天线适用于通信方向变化不大的RFID应用系统中。
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3、电子标签的分类
• ①按照标签获取能量的方式分类 • 可以分为有源标签、半有源标签和无源标签。 • 有源标签的内部自带电源，标签工作时所需的能量全部来自 于这个自带电源。只要标签进入阅读器的有效工作范围内， 标签就可以主动发送信号。 • 有源标签由于其自带电源不需要阅读器为其提供能量，所以 有源标签的工作距离较远，应用较灵活。 • 但是由于其内部电源的寿命有限，需要定期更换电源，因此 它的使用寿命也较短。而且体积大，成本也高，这些缺点也 限制了有源标签的使用。
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3、电子标签的分类
• ①按照标签获取能量的方式分类 • 半有源标签的内部也自带电源，但是该电源并不提供标签工 作时所需的全部能量，它仅用来维持标签内部的电路工作， 并不提供传送电磁信号所需的能量。 • 无源标签，顾名思义，就是内部不带电源的标签，无源标签 工作时所需的能量全部来自于阅读器传送过来的射频信号， 其内部电路将该信号转化为直流电源为其工作提供能量。 • 因为这一点，所以无源标签的工作距离较短。 • 但是它的使用寿命相对要长很多，而且也比较便宜，体积也 比较小。 • 目前无源标签是使用最为广泛的一类标签。
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3、电子标签的分类
• ③按照数据调制方式分类 • 可以分为主动式、半主动式和被动式三种。 • 主动式标签的内部带有电源，也就是有源标签，可以主动 向阅读器发送数据，应用场合主要是那些对传输距离要求 比较高的场合中； • 半主动式标签的内部也带有电源，但必须经过阅读器的激 活才能向阅读器传送数据，也就是说不能主动传输数据； • 被动式标签主要采用散射调制方式传输数据，它的信号必 须经过调制以后才能进行传输，一般应用于对传输距离要 求不太高的场合。
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3、电子标签的分类
• ⑤按照标签作用距离分类 • 可以分为密耦合、近耦合、疏耦合和远耦合四类。其作用 距离分别为：小于1厘米、10厘米左右、1米左右和5-10米 或10米以上。 • ⑥按照标签封装材质分类 • 可以分为纸标签、塑料标签和玻璃标签。 • 纸标签：一般都具有自粘功能，用来粘贴在待识别物体上。 这种标签价格低，一般由面层、芯片线路层、胶层、底层 组成。
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3、电子标签的分类
• 塑料标签：采用特定的工艺将芯片和天线用特定的塑料基 材封装成不同的标签形式，如钥匙牌、手表形标签、狗牌、 信用卡等形式。 • 常用的塑料基材有PVC和PSP，标签结构包括面层、芯片 层和底层。 • 玻璃标签：应用于动物识别与跟踪，将芯片、天线采用一 种特殊的固定物质植入一定大小的玻璃容器中，封装成玻 璃标签。
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3、电子标签的分类
②按照标签的工作频率分类 • 可以分为低频、高频、超高频和微波标签。 • 低频标签的工作频段很低（135kHz以下），它的工作方式 是电感耦合式，主要运用在交通工具防盗、畜牧业管理等 领域； • 典型的高频标签工作频率为13.56MHz，它的工作方式也是 电感耦合式，主要运用在图书馆、IC卡等领域； • 超高频和微波标签的工作频率都很高，分别为860-960MHz 左右和2.4GHz以上，它们的工作方式多为电磁反向散射式， 主要运用在道路自动收费系统等领域。
半波偶极子 双线折叠偶极子
双偶极子
三线折叠偶极子
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3、电子标签的分类
• 射频识别系统可以应用于不同的领域和场合，不同的应用 场合对RFID系统中电子标签的要求也不尽相同。为了满 足这些多种多样的需求，电子标签的种类也多种多样。 • ①按照标签获取能量的方式分类 • ②按照标签的工作频率分类 • ③按照数据调制方式分类 • ④按照存储器类型分类 • ⑤按照标签作用距离分类 • ⑥按照标签封装材质分类
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2.2 电子标签天线
• ①体积要足够小，因为天线还要嵌入到体积很小的电子标 签中； • ②要具有全向性，或者覆盖半球的方向性； • ③要能够为电子标签当中的芯片供给能量，并保证芯片获 得的信号最大化； • ④要保证不管标签的位置在哪里，天线都能够正常的与阅 读器进行通信； • ⑤要具有鲁棒性。 • ⑥考虑到电子标签的价格，天线的价格也不应过高。
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1、电子标签的特点
总之，电子标签的特点有： （1）具有一定的存储容量，存储被识别物品的相关信息。 （2）在一定工作环境及技术条件下，能够对电子标签的存 储数据进行读取和写入操作。 （3） 维持对识别物品的识别及相关信息的完整。 （4） 具有可编程操作，对于永久性数据不能进行修改。 （5） 对于有源标签，通过读写器能够显示电池的工作状况。
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2、电子标签的组成
• ④电压调节单元：主要用来把从读写器接收过来的射频信 号转化为直流电源（DC），并且经由其内部的储能装置 （大电容）将能量储存起来，再通过稳压电路，以确保稳 定的电源供应； • ⑤存储单元：主要用于存储系统运行时产生的数据或者识 别数据等。 • 电子标签与读写器之间通过电磁波进行通信，与其他通信 系统一样，电子标签可以看做一个特殊的收发信机 （Transceiver）
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3、电子标签的分类
• ④按照存储器类型分类 • 可以分为只读标签、一次写入多次读取标签和可读写标签。 • 只读标签（RO）内部的数据信息出厂时就被写入，而且 以后都不能改变，内部构造简单，储存信息量也很少，价 格便宜； • 一次写入多次读取标签在出厂后可以被写入数据，一旦写 入以后也不能改变，内部存储器一般为PROM和PAL； • 可读写标签内部存储器的容量比上述两种标签的都要大， 其内部的信息可以被读出，也可以被随意更改，该类标签 的成本最高。