无线射频识别rfid技术

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1、Key Laboratory of Animal Nutrition And Feed Science of Yunnan Province可 溯 源 系 统 标 识 件 的 设 计报 告 人 ： 赵 金 燕云 南 省 动 物 营 养 与 饲 料 重 点 实 验 室 一 、 RFID技 术 介 绍 无 线 射 频 识 别 技 术 （ Radio Frequency Identification， 简 称 RFID） 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

2、 预 ， 可 工 作 于 各 种 恶 劣 环 境 ，可 识 别 高 速 运 动 物 体 ， 并 可 同 时 识 别 多 个标 签 ， 操 作 快 捷 方 便 。 因 此 ， “ RFID技 术 ”已 经 成 为 21世 纪 全 球 自 动 识 别 技 术 发 展 的主 要 方 向 。 RFID系 统 组 成v 应 用 RFID技 术 组 成 的 自 动 识 别 系 统 称 为 RFID系 统 。RFID系 统 主 要 由 三 部 分 组 成 ：v （ 1） 、 电 子 标 签 (Tag)： 由 IC芯 片 及 一 些 耦 合 元 件组 成 ， 标 签 含 有 内 置 天 线 ， 用 于 和 射

3、 频 天 线 间 进 行通 信 。v （ 2） 、 阅 读 器 （ Reader， 也 叫 读 写 器 ） ： 读 取 电子 标 签 信 息 的 设 备 。 许 多 阅 读 器 还 带 有 附 加 的 接 口RS232或 RS485等 与 外 部 计 算 机 (上 位 机 主 系 统 )连接 ， 进 行 数 据 交 换 。v （ 3） 、 计 算 机 ： 进 行 数 据 管 理 。 RFID系 统 工 作 原 理 框 图 如 下 ： RFID系 统 的 工 作 原 理 阅 读 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

4、工 作 区 域 时 产 生 感 应 电 流 ，电 子 标 签 获 得 能 量 被 激 活 ； 电 子 标 签 将 自 身 唯 一 识别 码 等 信 息 通 过 卡 内 置 发 送 天 线 发 送 出 去 ； 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 阅 读 器 ， 阅 读 器 对 接 收 的 信 号 进 行解 调 和 解 码 ， 然 后 送 到 后 台 主 系 统 进 行 相 关 处 理 ；主 系 统 根 据 逻 辑 运 算 判 断 该 卡 的 合 法 性 ， 针 对 不 同的 设 定 做 出 相 应 的 处 理

5、 和 控 制 ， 发 出 指 令 信 号 控 制执 行 机 构 动 作 。 电 子 标 签 的 分 类 电 子 标 签 （ Tag） 是 射 频 识 别 系 统 真 正 的 数 据载 体 ， Tag具 有 智 能 读 写 和 加 密 通 讯 的 功 能 ， 它 的基 本 构 成 是 由 IC芯 片 和 一 些 外 围 元 件 组 成 。 依 据 电 子 标 签 供 电 方 式 的 不 同 ， 电 子 标 签 可 以分 为 有 源 卡 (Active tag)和 无 源 卡 (Passive tag)，有 源 卡 内 装 有 电 池 ， 无 源 卡 内 没 有 装 电 池 。 按 照能 量 供

6、给 方 式 ， RFID系 统 分 为 有 源 系 统 与 无 源 系统 ； 按 照 工 作 频 率 ， RFID系 统 有 低 频 、 中 频 、 高频 、 超 高 频 、 微 波 射 频 等 几 种 。 RFID技 术 的 优 势v快 速 扫 描 （ 读 写 器 可 同 时 读 取 多 个 标 签 ）v体 积 小 、 形 状 多 样 化v抗 污 染 能 力 和 耐 久 性 （ 防 水 、 防 磁 、 耐 高 温等 ）v可 重 复 使 用v穿 透 性 和 无 屏 障 阅 读 （ 读 取 距 离 大 ）v数 据 的 记 忆 容 量 大 、 存 储 信 息 可 更 改v安 全 性 （ 标 签 上

7、 的 数 据 可 以 加 密 ） 基 于 RFID技 术 的 食 品 安 全 可 溯 源 系 统v RFID技 术 在 动 物 食 品 安 全 可 溯 源 系 统 的 应 用 ， 不 仅包 括 对 动 物 从 出 生 到 进 入 屠 宰 场 整 个 饲 养 过 程 （ 饲养 管 理 、 兽 医 预 防 、 疾 病 治 疗 、 饲 料 使 用 ） 的 记 录与 监 控 ， 还 包 括 畜 产 品 进 入 消 费 市 场 （ 超 市 等 ） 后 ，消 费 者 可 通 过 每 一 只 动 物 的 唯 一 识 别 码 ， 查 询 该 产品 的 整 个 饲 养 过 程 。 该 系 统 从 生 产 到 销

8、 售 的 各 个 环节 追 踪 检 查 动 物 产 品 ， 有 利 于 监 测 任 何 对 人 类 健 康和 环 境 的 影 响 。 一 旦 发 生 不 良 影 响 可 以 将 产 品 迅 速撤 出 市 场 ， 而 且 可 在 危 险 发 生 前 采 取 应 对 措 施 ， 达到 预 防 预 警 效 果 。 二 、 可 溯 源 系 统 标 识 件 的 设 计v1、 芯 片 的 功 能 和 原 理 框 图v2、 芯 片 的 外 围 电 路 原 理 图v3、 PCB电 路 图 的 可 靠 性 设 计 可 溯 源 系 统 标 识 件 的 设 计 标 识 件 的 设 计 是 可 溯 源 系 统 的 硬

9、 件 基 础 和 关 键 问题 之 一 。 可 溯 源 系 统 的 标 识 件 包 括 电 子 标 签 、 读写 器 两 部 分 。 RFID系 统 根 据 使 用 工 作 频 率 的 不 同 ， 主 要 分 为 四类 ： 低 频 （ 30300kHz） 、 高 频 （ 330MHz） 、超 高 频 （ 300MHz3 GHZ） 以 及 微 波 （ 2.45 GHZ以 上 ） 。 通 过 不 同 频 段 RFID系 统 的 优 缺 点 的 分 析 ， 再 根 据本 课 题 要 求 ， 能 在 50米 内 自 动 监 测 动 物 个 体 ， 并且 自 动 更 新 数 据 ， 通 信 速 率 要

10、求 快 ， 我 们 选 用2.45 GHZ的 微 波 频 段 。 工 作 频 段 优 点 缺 点低 频 技 术 简 单 、 无 频 率 限 制受 环 境 影 响 较 小 通 信 速 率 低 、 工 作 距 离 短 （ 小于 10cm） 、 天 线 尺 寸 大高 频 与 低 频 相 比 有 较 高 的 通 信 速率 和 较 长 的 工 作 距 离 距 离 不 够 远 （ 最 大 75 cm）天 线 尺 寸 大 ， 受 金 属 材 料 影响 较 大超 高 频 工 作 距 离 长 （ 大 于 1m） 、 天线 尺 寸 小 、 可 绕 开 障 碍 物 ，无 须 视 线 接 触 ， 可 定 向 识别 各

11、 国 都 有 不 同 的 频 段 管 制 ， 对人 体 有 伤 害 ， 发 射 功 率 受限 制 ， 受 某 些 材 料 影 响 较大微 波 除 具 有 超 高 频 标 签 的 优 点 外 ，还 具 有 更 高 的 带 宽 和 通 信速 率 ， 更 长 的 工 作 距 离 和更 小 的 天 线 尺 寸 共 享 此 频 段 产 品 多 ， 易 受 干 扰 ，技 术 复 杂 ， 对 人 体 有 伤 害 ，发 射 功 率 受 限 制 ， 受 某 些材 料 影 响 较 大不 同 频 段 RFID系 统 的 优 缺 点 ： v 根 据 本 课 题 要 求 ， 我 们 选 用 的 芯 片 必 须 具 备

12、下 列 功能 ：v 工 作 在 工 业 、 科 学 和 医 疗 （ ISM） 频 段 ， 设 计 标 准 频段 为 2.4GHz， 采 用 嵌 入 式 MCU， 其 闪 存 存 储 量 可 为8/16/32KB， 随 机 存 储 器 存 储 量 可 为 1/2/4KB。 具 有集 成 索 相 环 （ PLL） 、 功 率 放 大 器 （ PA） 、 低 噪 声 放大 器 （ LNA） 、 调 制 解 调 器 （ MODEM） 等 功 能 。 采 用QLP封 装 ， 体 积 较 小 。 并 支 持 流 行 的 跳 频 技 术 ， 以 及各 种 调 制 方 式 ， 能 够 使 数 据 传 输 率

13、达 到 500Kbps。1、 芯 片 的 功 能 芯 片 无 线 射 频 部 分 原 理 框 图 芯 片 的 无 线 射 频 收 发 原 理v把 接 收 到 的 RF信 号 通 过 低 噪 声 放 大 器 和 积 分转 换 ， 输 入 到 混 频 器 中 ， 再 经 过 频 率 合 成 器（ 包 括 集 成 的 LC振 荡 器 和 90度 的 相 位 转 换 ） ，以 及 自 动 增 益 控 制 （ AGC） ， 调 制 解 调 和 同步 信 号 校 准 （ FEC） 、 信 息 包 处 理 ， 然 后 通过 嵌 入 式 的 微 控 制 单 元 （ MCU） ， 进 行 处 理之 后 送 入

14、RX/TX中 。 2、 结 合 芯 片 特 性 和 课 题 需 要 ， 芯 片 的 外 围 电 路 图 为 芯 片 外 围 电 路 图 的 简 单 说 明v C232、 C242、 L231和 L241共 同 组 成 不 平 衡 变 压 器 ，用 于 芯 片 不 同 RF端 口 转 换 成 单 个 RF信 号 ， 再 通 过一 个 LC滤 波 器 的 作 用 ， 和 天 线 达 到 最 佳 的 阻 抗 匹 配 。偏 置 电 阻 R271用 于 设 置 一 个 精 确 的 偏 置 电 流 ； 退 藕电 容 C301用 于 提 供 PCB板 精 确 的 功 率 供 给 ； C171、C181和 C

15、201、 C211分 别 为 晶 体 X2和 X1的 负 载 电容 。v 因 为 该 芯 片 具 有 接 收 和 发 送 两 种 功 能 ， 所 以 它 既 可以 做 电 子 标 签 使 用 ， 也 可 以 做 读 写 器 主 芯 片 使 用 ，读 写 器 的 应 用 电 路 图 略 。 3、 PCB电 路 图 的 可 靠 性 设 计v 实 践 证 明 ， 即 使 电 路 原 理 图 设 计 正 确 ， 印 制 电 路 板设 计 不 当 ， 也 会 对 电 子 设 备 的 可 靠 性 产 生 不 利 影 响 。例 如 ， 如 果 印 制 板 两 条 细 平 行 线 靠 得 很 近 ， 则 会

16、形成 信 号 波 形 的 延 迟 ， 在 传 输 线 的 终 端 形 成 反 射 噪 声 。v 因 此 ， 在 设 计 印 制 电 路 板 的 时 候 ， 应 注 意 以 下 方 面 :（ 1） 、 地 线 设 计（ 2） 、 去 耦 电 容 配 置 （ 3） 、 电 磁 兼 容 性 设 计 地 线 设 计v 在 电 子 设 备 中 ， 接 地 是 控 制 干 扰 的 重 要 方 法 。 如 能将 接 地 和 屏 蔽 正 确 结 合 起 来 使 用 ， 可 解 决 大 部 分 的干 扰 问 题 。v 电 子 设 备 中 地 线 结 构 大 致 有 系 统 地 、 机 壳 地 （ 屏 蔽地 ）

17、、 数 字 地 （ 逻 辑 地 ） 和 模 拟 地 等 几 种 。v 地 线 设 计 中 应 注 意 以 下 几 点 ： 正 确 选 择 单 点 接 地 与多 点 接 地 ； 将 数 字 电 路 与 模 拟 电 路 分 开 ； 尽 量 加 粗接 地 线 （ 接 地 线 的 宽 度 应 大 于 3mm） ； 将 接 地 线 构成 闭 合 环 路 。 去 耦 电 容 配 置v在 直 流 电 源 回 路 中 ， 负 载 的 变 化 会 引 起 电 源噪 声 。 例 如 在 数 字 电 路 中 ， 当 电 路 从 一 个 状态 转 换 为 另 一 种 状 态 时 ， 就 会 在 电 源 线 上 产生

18、一 个 很 大 的 尖 峰 电 流 ， 形 成 瞬 变 的 噪 声 电压 。 配 置 去 耦 电 容 可 以 抑 制 因 负 载 变 化 而 产生 的 噪 声 ， 是 印 制 PCB板 可 靠 性 设 计 的 一 种常 规 做 法 。 电 磁 兼 容 性 设 计v电 磁 兼 容 性 是 指 电 子 设 备 在 各 种 电 磁 环 境 中仍 能 够 协 调 、 有 效 地 进 行 工 作 的 能 力 。 电 磁兼 容 性 设 计 的 目 的 是 使 电 子 设 备 既 能 抑 制 各种 外 来 的 干 扰 ， 使 电 子 设 备 在 特 定 的 电 磁 环境 中 能 够 正 常 工 作 ， 同

19、时 又 能 减 少 电 子 设 备本 身 对 其 它 电 子 设 备 的 电 磁 干 扰 。v为 了 避 免 高 频 信 号 通 过 印 制 导 线 时 产 生 的 电磁 辐 射 ， 在 印 制 电 路 板 布 线 时 ， 应 注 意 以 下几 点 ： v尽 量 减 少 印 制 导 线 的 不 连 续 性 ， 例 如 导 线 宽 度不 要 突 变 ， 导 线 的 拐 角 应 大 于 90度 （ 一 般 选 择135度 或 圆 角 ） ， 禁 止 环 状 走 线 等 。v时 钟 信 号 引 线 最 容 易 产 生 电 磁 辐 射 干 扰 ， 走 线时 尽 量 与 地 线 回 路 相 靠 近 。v

20、数 据 总 线 的 布 线 应 每 两 根 信 号 线 之 间 夹 一 根 信号 地 线 。 最 好 是 紧 紧 挨 着 最 不 重 要 的 地 址 引 线放 置 地 回 路 ， 因 为 后 者 常 载 有 高 频 电 流 。v在 双 面 、 多 面 印 制 板 中 ， 上 下 两 层 信 号 线 的 走线 方 向 要 尽 量 相 互 垂 直 或 斜 交 叉 ， 尽 量 避 免 平行 走 线 ， 减 少 寄 生 耦 合 的 产 生 。 v静 电 放 电 可 通 过 直 接 传 导 、 电 容 耦 合 和 电 感耦 合 三 种 方 式 进 入 电 子 线 路 中 。 直 接 对 电 路的 静 电

21、 放 电 经 常 会 引 起 电 路 的 损 坏 ， 对 邻 近物 体 的 放 电 通 过 电 容 或 电 感 耦 合 ， 会 影 响 到电 路 工 作 的 稳 定 性 。v静 电 防 护 的 措 施 有 很 多 ， 例 如 建 立 完 善 的 屏蔽 结 构 ， 带 有 接 地 的 金 属 屏 蔽 壳 体 可 将 放 电电 流 释 放 到 地 。 或 者 在 PCB板 入 口 处 增 加 保护 环 （ 环 与 接 地 端 相 连 ） 。 三 、 结 论v 上 述 设 计 方 法 使 用 目 前 流 行 的 电 路 设 计 软 件 ， 通 过自 行 设 计 RFID系 统 的 电 子 标 签 （

22、 读 写 器 ） 电 路 原 理图 和 PCB电 路 图 。 并 使 用 SMT的 加 工 设 备 ， 制 作 出相 应 的 PCB板 ， 在 PCB板 上 安 装 相 应 外 设 元 件 ， 并进 行 相 关 参 数 的 测 试 和 设 计 的 修 改 校 验 ， 最 终 制 作出 符 合 课 题 要 求 的 样 机 。 已 传 统 的 电 路 设 计 方 法 相比 ， 该 方 法 设 计 的 电 路 可 移 植 性 高 ， 采 用 大 量 的SMD元 件 ， 可 使 电 子 标 签 （ 读 写 器 ） 的 体 积 减 小 ，硬 件 的 稳 定 性 也 得 到 提 高 。 结 论v通 过 自 行 设 计 制 作 样 机 的 整 个 过 程 ， 掌 握 了电 子 标 签 （ 读 写 器 ） 制 作 的 相 关 硬 件 技 术 ，从 而 从 根 本 上 解 决 电 子 标 签 （ 读 写 器 ） 成 本过 高 的 问 题 ， 推 动 动 物 食 品 安 全 可 溯 源 系 统的 全 面 实 施 。 感 谢 各 位 专 家 ！请 各 位 专 家 批 评 指 正 ！