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沈阳理工大学硕士学位论文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(RadioFrequencyIdentification，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，昀后介绍了射频识别（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沈阳理工大学硕士学位论文AbstractAutomaticidentificationtechnologyisanimportantmeanandmethodofreadinginformationautomaticallyandenteringtheinformationintothecomputer.Itisanintegratedscienceandtechnologybasedoncomputerandcommunicationtechnology.Automaticidentificationtechnologyhasbeentherapiddevelopmentonaglobalscaleinrecentdecades.Itformedinitiallythehigh-techdisciplines,includingcode,magnetic,OCR,RFID,biometricsandimagerecognition,etc,setingofcomputing,optical,mechanicalandelectrical,communicationtechnologyinone.Codetechnologyastheforerunnerappearedtobepowerlessintheeraofchangingrapidly.RFID(RadioFrequencyIdentification)expressfullytheadvantagesofautomaticidentificationtechnologyonitsheadasanewinformationtechnology.RFIDhassomeadvantagesofwaterproof,anti-magnetic,resistanceofhightemperature,longservicelife,long-rangereading.Atthesametime,ithasotheradvantages,likedatabeingeasilyencrypted,bigdatastoragecapacity,storeinformationbeingchangedeasily.Onthecontrary,thecodesdon’thavetheseadvantages.Itisusedwidelytocontrolinlogistics,monitorinproductionprocess,intelligentidentification,managementofcargoandotherareas.Anditcanimprovesignificantlythemanagementandoperationalefficiencyandreducethecosts.Therefore,itisverycriticalandimportanttoresearchanddevelopahighlyreliableRFIDsystem.Thelong-rangeRFIDreader,bythefrequencyof13.56MHz,usingacombinationofanaloganddigitaldemodulationstorealizethefunctionsofreadingandwriting,analysingtheanti-collisionalgorithmoftag.Inthispaper,wedescribetheRFIDfirstly,thenanalysistheRFIDsystemsandstudydeeplythedesignoflong-rangeRFIDreader.ItmainlyincludesRFIDreadermodules,micro-controlunit,RFoutputcircuit,RFreceivercircuit,serialcommunicationcircuit,focusingonresearchingondesigninganddebuggingforRFIDantenna.Andfinally,weintroduceISO15693standardsandrelationalsoftwaredesign.Keywords:RFID,RFreader,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。作者（签字）：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：日期：第1章绪论-1-第1章绪论1.1射频识别技术概述射频识别(RadioFrequencyIdentification，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，射频识别技术的昀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。而由于高频沈阳理工大学硕士学位论文-2-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，昀受到重视和发展昀快的是频率为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昀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(HarryStockman)在无线电工程师协会(InstituteofRadioEngineers)学报上发表的“利用能量反射进行通讯(CommunicationbyMeansofReflectedPower)”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世纪的昀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-3-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