物联网射频识别(RFID)技术与应用---第8章

物联网射频识别（RFID）技术与应用第8章读写器的体系结构点击此处结束放映读写器的组成与设计要求8.1低频读写器8.2高频读写器8.3微波读写器8.4物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映读写器的组成与设计要求8.1物联网射频识别（RFID）技术与应用各种读写器虽然在工作频率、耦合方式、通信流程和数据传输方式等方面有很大的不同，但在组成和功能方面是十分类似的。读写器的主要功能是将数据加密后发送给电子标签，并将电子标签返回的数据解密，然后传送给计算机网络。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.1.1读写器的组成1.读写器的软件读写器的所有行为均由软件来控制完成。软件向读写器发出读写命令，作为响应，读写器与电子标签之间就会建立起特定的通信。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.读写器的硬件读写器的硬件一般由天线、射频模块、控制模块和接口组成。图8.1读写器的结构框图点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（1）控制模块控制模块由ASIC（特定用途集成电路ApplicationSpecificIntegratedCircuit）组件和微处理器组成。（2）射频模块射频模块主要由发送电路和接收电路构成。（3）读写器的接口接口主要有RS-232、RS-485、RJ-45或WLAN。（4）天线点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.1.2读写器的设计要求读写器在设计时需要考虑许多因素，包括基本功能、应用环境、电器性能和电路设计等。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1．读写器的基本功能和应用环境（1）读写器是便携式还是固定式。（2）支持一种还是多种类型电子标签的读写。（3）读写器的读取距离和写入距离(一般前者大于后者)。（4）读写器周边的电磁环境、温度、湿度和安全等环境。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2．读写器的电气性能（1）空中接口的方式。（2）防碰撞算法的实现方法。（3）加密的需求。（4）供电方式与节约能耗的措施。（5）电磁兼容（EMC:ElectroMagneticCompatibility）性能。所谓EMC是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.读写器的电路设计（1）选用现有的读写器芯片或是自行进行设计。（2）天线的形式与匹配的方法。（3）收、发通道信号的调制方式与带宽。（4）若是自行进行电路模块设计，还应设计相应的编码与解码、防碰撞处理、加密和解密等电路。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映低频读写器8.2物联网射频识别（RFID）技术与应用低频读写器主要工作在125KHz，可以用于门禁考勤、汽车防盗和动物识别等方面。下面以U2270B芯片为例，介绍低频读写器的构成和主要应用。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.2.1基于U2270B芯片的读写器1.U2270B芯片U2270B芯片是ATMEL公司生产的基站芯片，该基站可以对一个IC卡进行非接触式的读写操作。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.U2270B芯片内部结构U2270B芯片的内部由振荡器（Oscillator）、天线驱动器（Driver）、电源供给电路（PowerSupply）、频率调节电路（FrequencyAdjustment）、低通滤波电路（Low-PassFilter）、放大电路（Amplifier）和施密特触发器（SchmittTrigger）等部分组成。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.2.2基于U2270B芯片的读写器由U2270B构成的读写器模块，关键部分是天线、射频读写基站芯片U2270B和微处理器。基站芯片U2270B通过天线以125KHz的调制射频信号为RFID电子标签提供能量(电源)，同时接收来自RFID电子标签的信息，并以曼彻斯特编码输出。微处理器可以采用多种型号，如单片机AT89C2051、单片机AT89S51等。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.2.3低频读写器实例-汽车防盗系统射频识别以非接触、无视觉、高可靠的方式传递特定的识别信息，适合用于汽车防盗装置，能够有效地达到汽车防盗的目的。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.工作原理汽车防盗装置的基本原理是将汽车启动的机械钥匙与电子标签相结合，即将小型电子标签直接装入到钥匙把手内，当一个具有正确识别码的钥匙插入点火开关后，汽车才能用正确的方式进行启动。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.系统组成图8.7汽车防盗系统的基本组成点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.硬件设计（1）发送通道。（2）接收通道。（3）载波产生器。（4）时钟产生电路。（5）微控制器（MCU）。（6）天线。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.软件设计软件系统设计包括读卡软件设计、写卡软件设计、语音报警程序设计和串行通信程序设计等。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映高频读写器8.3物联网射频识别（RFID）技术与应用高频读写器主要工作在13.56MHz，典型的应用有我国第二代身份证、电子车票和物流管理等。下面以飞利浦的MFRC500芯片为例，介绍高频读写器的构成和主要应用。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.3.1MFRC500芯片MFRC500芯片主要应用于13.56MHz，是非接触、高集成的IC读卡芯片。该IC读卡芯片具有调制和解调功能，并集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500支持快速CRYPTOI加密算法，用于验证MIFARE系列产品。MFRC500的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，给读卡器的设计提供了极大的灵活性。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用MFRC500芯片如图8.9所示。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用MFRC500芯片的主要引脚如图8.10所示。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.3.2基于MFRC500芯片的读写器MFRC500芯片支持ISO/IEC14443A所有的层。MFRC500内部包括微控制器接口单元、模拟信号处理单元、ISO14443A规定的协议处理单元以及MIFARE卡的Crypto1安全密钥存储单元。MFRC500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用图8.12由MFRC500构成的读写器点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.3.3高频读写器实例根据MFRC500的特性，可以设计基于MFRC500芯片和P89C58BP单片机的RFID读写器。MFRC500还可以设计基于MFRC500芯片和P89C58BP单片机的RFID读写器系统。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用图8.13基于P89C58BP和MFRC500的读写器系统点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.发卡器和读卡器发卡器实际上是一种通用写卡器，发卡器由系统管理员管理，通过PC机设置或选择好要写入的数据，发出写卡命令，完成对MIFARE卡的数据及密码写入。读卡器往往可以脱离PC机工作，只要有非接触式IC卡进入读卡器天线的能量范围，读卡器便可读写卡中相关指定扇区的数据。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.读卡器硬件系统发卡器与读卡器在硬件设计上大同小异，都是由单片机控制读写芯片(MFRC500)，再加上外围器件组成。图8.14读卡器硬件系统点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映微波读写器8.4物联网射频识别（RFID）技术与应用微波RFID系统是目前射频识别系统研发的核心，是物联网的关键技术。微波RFID常见的工作频率是433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz等，该系统可以同时对多个电子标签进行操作，主要应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合。微波读写器的射频电路与低频和高频读写器有本质上的差别，需要考虑分布参数的影响，可以采用ADS软件进行仿真设计。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.4.1射频电路与ADS在射频频段，电路出现了许多独特的性质，这些性质在常用的低频电路中从没遇到过，因此需要建立新的射频电路设计体系。射频和微波EDA软件平台——ADS（AdvancedDesignSystem）软件由美国安捷伦（Agilent）公司开发，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件。在深入理解射频电路的基础上，结合ADS软件工具进行设计，是通向射频电路设计成功的最佳路线。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.ADS的四种工作视窗ADS软件主要有4种工作视窗，分别为主视窗、原理图视窗、版图视窗和数据显示视窗，主要可以完成文件管理、原理图设计、版图设计和仿真数据显示等功能。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（1）主视窗启动ADS后，首先进入主视窗，主视窗是进入和退出ADS系统的桥梁。图8.15ADS主视窗点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（2）原理图视窗原理图视窗提供了设计、编辑、仿真原理图的环境，是进行电路设计时使用最多的视窗。图8.16ADS原理图视窗点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（3）数据显示视窗当完成设计仿真后，可以在数据仿真视窗显示仿真结果。图8.19ADS数据显示视窗点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（4）版图视窗版图视窗用来进行版图的设计、编辑与仿真。图8.21版图视窗中的微带线分支定向耦合器点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.ADS的设计功能（1）设计面板（2）设计工具（3）设计向导（4）设计指南（5）仿真与数据显示点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.ADS的仿真功能1.线性分析2.谐波平衡和增益压缩分析3.高频SPICE瞬态分析4.电路包络分析5.电磁仿真分析点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用8.4.2UHF频段读写器实例—915MHz读写器读写器的工作频率为915MHz，是基于无源反射调制技术和模块化设计原理的RFID读写器，工作距离长达10m。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.RFID系统构成UHF频段RFID系统是无源RFID系统，由读写器和电子标签组成。图8.23UHF频段RFID系统点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.读写器硬件结构915MHz的读写器主要由天线、射频模块和主控模块3部分组成。射频模块由发送部分和接收部分构成，发送部分产生射频信号及射频能量，给无源电子标签提供能量；接收部分对由天线接收的反射调制信号进行解调、放大及滤波。主控模块控制与电子标签的通信过程；主机应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（1）数字锁相环技术。在射频部分，采用晶体振荡器和压控振荡器以全数字锁相环的形式产生915MHz射频信号。（2）信号接收。天线接收的反射调制信号经过定向耦合器到接收通路，检波后的信号通过差动放大、低通滤波器和运算放大后，进行A/D转换再送至主控模块进行解码。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（3）主控模块。主控模块的核心处理器为数字信号处理器（DigitalSignalProcessing，DSP）。图8.24主控模块点击此处结束放映