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一種超高頻RFID標簽的設計
作者：于峰 周曉光 王曉華 姜善林
來源：RFID世界網
日期：2007-12-12 17:27:04
摘要：本文通過研究超高頻段RFID標簽的特性，提出了一種符合ISO 18000-6B標準的標簽設計方案，重點介紹了標簽的系統結構、關鍵部分的電路和工作流程。該標簽具有識別距離遠、通信速度快、尺寸較小、可重復使用等優點，應用范圍較廣。
1. 引言
RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，因此廣泛應用于工業生產自動化、供應鏈管理、物流貨物跟蹤、交通運輸管理等領域。
當前國內對RFID標簽的研究都集中在頻率為125KHz、134KHz的低頻和13.56MHz的高頻頻段，在860～960MHz的超高頻段和2.45GHz以上的微波頻段研究相對較少。而后者由于具有操作距離遠、通信速度快、尺寸小等優點，未來的應用將更廣泛[1]。
2．工作原理及工作特性
2.1 工作原理
RFID系統一般包括閱讀器、標簽（或稱射頻卡）兩部分。根據供電方式的不同，標簽可分為有源標簽和無源標簽兩種，都由標簽芯片和天線組成。本文設計的是一種符合ISO18000-6B標準的超高頻無源標簽，本身無電源，靠從閱讀器的射頻場獲取能量。
每個標簽都含有唯一的識別碼，用來標識標簽所附著的物體。當標簽收到閱讀器主動發出的信號時，標簽被喚醒，一方面通過射頻耦合的方式獲取能量，另一方面將收到的信號進行解調，從載波中還原出數字信號，然后根據其中包含的指令完成相應的操作，并將應答信息通過反向散射回送給閱讀器。當同時有多個標簽出現在閱讀器的射頻場時，閱讀器通過啟動防沖突算法，逐個識別標簽。
2.2 物理接口
標簽和閱讀器之間基于“閱讀器先發言”的傳輸機制，采用半雙工的通信方式。前向鏈路采用Manchester基帶編碼，便于防沖突檢測；采用ASK載波調制，調制深度為11%或99%（本文設計的標簽取99%），占用頻道帶寬為200KHz。反向鏈路采用FM0編碼，經ASK載波調制后，反向散射給閱讀器[2]。
2.3存儲特性
標簽內置一個4Kbit的EEPROM存儲器，通過一個8位的地址塊來尋址，因此可以尋址256個存儲器塊，每塊包含1字節的數據。存儲器的第0塊到第17塊被保留用作存儲系統信息，第18塊以上的存儲器用作標簽中普通的應用數據存儲區。
2.4 標簽的應答格式
標簽收到閱讀器的命令后，進行處理并應答，應答格式如下：
3．系統結構
標簽由天線、模擬電路部分、數字電路部分和EEPROM存儲器組成。圖1示出了標簽的系統結構框圖。天線用于發射和接收電磁波；模擬電路主要是由包絡檢波電路、ASK調制電路、穩壓電路、時鐘產生電路、偏置電路以及上電復位電路組成，用于獲取能量并調制解調信號；數字電路內部包含控制邏輯、微處理器（CPU），用于控制相關協議、指令及處理功能；EEPROM存儲器用于存儲標簽的系統信息和數據，存儲時間可以長達幾十年，并且在沒有供電的情況下，其數據信息不會丟失。
4.1 天線的設計
采用如圖2所示的半波對稱振子天線，發送和接收射頻信號。由于對稱振子的輻射損耗和末端效應引起電流的波長縮短，導致實際的天線長度縮短[3]，縮短系數為0.85-0.9之間。本文設計的標簽中心頻率為915MHz，半個波長為16.39cm，取縮短系數為0.85，實際天線振子的長度為13.93cm，此時的天線為諧振狀態，損耗較小。
包絡檢波電路的作用非常重要，一方面要從射頻輸入端提供的信號提取包絡，并通過檢波電路進行解調，為數字電路提供數字基帶信號；另一方面還要從射頻信號中提取穩定的偏置電流和時鐘信號，供數字電路和調制電路使用。本論文設計了一種倍壓整流檢波電路，其等效電路圖如圖3所示，其中Rs為封裝電路的等效串聯電阻，RL為負載電阻。
根據系統要求，微處理器應滿足如下條件：①完成與閱讀器的實時快速通信。②完成對閱讀器指令的應答。③完成對數字基帶信號的編解碼操作。④實現對發射電路的可靠控制。⑤完成對EEPROM存儲器的存取操作。⑥超低功耗。
本文微處理器采用廣東周立功公司的型號為P89C51X2的單片機，完成系統的信號處理及通信控制功能。P89C51X2單片機核心處理單元為80C51，帶有64K字節的ROM，可供寫入引導程序以及廠商信息使用；64K字節的RAM，可用做緩沖器，提高處理速度；4K字節的FLASH EEPROM內部程序存儲器，可用來存儲代碼和數據[4]，支持每字節最少10000次擦除或編程周期；提供內部振蕩器，為基帶數字信號處理單元提供可靠的時鐘信號；內含計數器，可供防沖突處理部分計數使用；FLASH存儲器中內含3個可編程保密位，可為片內的代碼和數據提供不同級別的保護；支持掉電模式，可進一步降低功耗[5]。
單片機的工作流程如圖4所示，①當標簽進入閱讀器的射頻場后，芯片上電復位；②單片機完成初始化；③啟動二進制樹防沖突單元，讀取“Select”標志位，如果等待一定時間后未被選中，則返回①狀態，繼續等待，如果收到“選中”指令，則繼續下一步；④接收檢波電路送來的數字基帶信號；⑤啟動CRC糾錯電路；⑥對基帶信號進行Manchester解碼；⑦對信號中的指令進行識別，如果發現滿足指令執行的條件，就執行閱讀器指定的操作，并根據通信協議，決定是否返回應答信號，反之，則向閱讀器發出出錯信息，并將工作狀態返回至初始狀態；⑧對應答信號進行FM0編碼；⑨控制射頻端的ASK調制和發射；⑩保持一定時間的靜默后，進入下電復位狀態。
本文設計的超高頻RFID標簽基于80C51單片機微控制器，能夠實現ISO18000-6B要求的特性和功能，成本較低，易于開發，具有識別距離遠、通信速度快、尺寸較小等特點，可廣泛應用于集裝箱跟蹤、物流管理等活動。
參考文獻
[1] 張綱,石亦欣,谷波,程君俠. 一種超高頻電子標簽電路及應用. 電子元器件應用, 2004,5（6）:36-37
[2] 張綱,楊慶森,程君俠等. ISO/IEC 18000-6（CD）研究綜述. 信息技術與標準化, 2004.4:24-28
[3] Giuseppe De Vita and Giuseppe Iannaccone. Design Criteria for the RF Section of UHF and Microwave Passive RFID Transponders. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005,9(53):2978-2990
[4] Klaus Finkenzeller著,陳大材編譯,《射頻識別（RFID）技術（第二版）》,北京:電子工業出版,2001.7
[5] 楊寧等,《單片機與控制技術》,北京:北京航空航天大學出版社,2005.3
RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，因此廣泛應用于工業生產自動化、供應鏈管理、物流貨物跟蹤、交通運輸管理等領域。
當前國內對RFID標簽的研究都集中在頻率為125KHz、134KHz的低頻和13.56MHz的高頻頻段，在860～960MHz的超高頻段和2.45GHz以上的微波頻段研究相對較少。而后者由于具有操作距離遠、通信速度快、尺寸小等優點，未來的應用將更廣泛[1]。
2．工作原理及工作特性
2.1 工作原理
RFID系統一般包括閱讀器、標簽（或稱射頻卡）兩部分。根據供電方式的不同，標簽可分為有源標簽和無源標簽兩種，都由標簽芯片和天線組成。本文設計的是一種符合ISO18000-6B標準的超高頻無源標簽，本身無電源，靠從閱讀器的射頻場獲取能量。
每個標簽都含有唯一的識別碼，用來標識標簽所附著的物體。當標簽收到閱讀器主動發出的信號時，標簽被喚醒，一方面通過射頻耦合的方式獲取能量，另一方面將收到的信號進行解調，從載波中還原出數字信號，然后根據其中包含的指令完成相應的操作，并將應答信息通過反向散射回送給閱讀器。當同時有多個標簽出現在閱讀器的射頻場時，閱讀器通過啟動防沖突算法，逐個識別標簽。
2.2 物理接口
標簽和閱讀器之間基于“閱讀器先發言”的傳輸機制，采用半雙工的通信方式。前向鏈路采用Manchester基帶編碼，便于防沖突檢測；采用ASK載波調制，調制深度為11%或99%（本文設計的標簽取99%），占用頻道帶寬為200KHz。反向鏈路采用FM0編碼，經ASK載波調制后，反向散射給閱讀器[2]。
2.3存儲特性
標簽內置一個4Kbit的EEPROM存儲器，通過一個8位的地址塊來尋址，因此可以尋址256個存儲器塊，每塊包含1字節的數據。存儲器的第0塊到第17塊被保留用作存儲系統信息，第18塊以上的存儲器用作標簽中普通的應用數據存儲區。
2.4 標簽的應答格式
標簽收到閱讀器的命令后，進行處理并應答，應答格式如下：
3．系統結構
標簽由天線、模擬電路部分、數字電路部分和EEPROM存儲器組成。圖1示出了標簽的系統結構框圖。天線用于發射和接收電磁波；模擬電路主要是由包絡檢波電路、ASK調制電路、穩壓電路、時鐘產生電路、偏置電路以及上電復位電路組成，用于獲取能量并調制解調信號；數字電路內部包含控制邏輯、微處理器（CPU），用于控制相關協議、指令及處理功能；EEPROM存儲器用于存儲標簽的系統信息和數據，存儲時間可以長達幾十年，并且在沒有供電的情況下，其數據信息不會丟失。
4.1 天線的設計
采用如圖2所示的半波對稱振子天線，發送和接收射頻信號。由于對稱振子的輻射損耗和末端效應引起電流的波長縮短，導致實際的天線長度縮短[3]，縮短系數為0.85-0.9之間。本文設計的標簽中心頻率為915MHz，半個波長為16.39cm，取縮短系數為0.85，實際天線振子的長度為13.93cm，此時的天線為諧振狀態，損耗較小。
包絡檢波電路的作用非常重要，一方面要從射頻輸入端提供的信號提取包絡，并通過檢波電路進行解調，為數字電路提供數字基帶信號；另一方面還要從射頻信號中提取穩定的偏置電流和時鐘信號，供數字電路和調制電路使用。本論文設計了一種倍壓整流檢波電路，其等效電路圖如圖3所示，其中Rs為封裝電路的等效串聯電阻，RL為負載電阻。
根據系統要求，微處理器應滿足如下條件：①完成與閱讀器的實時快速通信。②完成對閱讀器指令的應答。③完成對數字基帶信號的編解碼操作。④實現對發射電路的可靠控制。⑤完成對EEPROM存儲器的存取操作。⑥超低功耗。
本文微處理器采用廣東周立功公司的型號為P89C51X2的單片機，完成系統的信號處理及通信控制功能。P89C51X2單片機核心處理單元為80C51，帶有64K字節的ROM，可供寫入引導程序以及廠商信息使用；64K字節的RAM，可用做緩沖器，提高處理速度；4K字節的FLASH EEPROM內部程序存儲器，可用來存儲代碼和數據[4]，支持每字節最少10000次擦除或編程周期；提供內部振蕩器，為基帶數字信號處理單元提供可靠的時鐘信號；內含計數器，可供防沖突處理部分計數使用；FLASH存儲器中內含3個可編程保密位，可為片內的代碼和數據提供不同級別的保護；支持掉電模式，可進一步降低功耗[5]。
單片機的工作流程如圖4所示，①當標簽進入閱讀器的射頻場后，芯片上電復位；②單片機完成初始化；③啟動二進制樹防沖突單元，讀取“Select”標志位，如果等待一定時間后未被選中，則返回①狀態，繼續等待，如果收到“選中”指令，則繼續下一步；④接收檢波電路送來的數字基帶信號；⑤啟動CRC糾錯電路；⑥對基帶信號進行Manchester解碼；⑦對信號中的指令進行識別，如果發現滿足指令執行的條件，就執行閱讀器指定的操作，并根據通信協議，決定是否返回應答信號，反之，則向閱讀器發出出錯信息，并將工作狀態返回至初始狀態；⑧對應答信號進行FM0編碼；⑨控制射頻端的ASK調制和發射；⑩保持一定時間的靜默后，進入下電復位狀態。
本文設計的超高頻RFID標簽基于80C51單片機微控制器，能夠實現ISO18000-6B要求的特性和功能，成本較低，易于開發，具有識別距離遠、通信速度快、尺寸較小等特點，可廣泛應用于集裝箱跟蹤、物流管理等活動。
參考文獻
[1] 張綱,石亦欣,谷波,程君俠. 一種超高頻電子標簽電路及應用. 電子元器件應用, 2004,5（6）:36-37
[2] 張綱,楊慶森,程君俠等. ISO/IEC 18000-6（CD）研究綜述. 信息技術與標準化, 2004.4:24-28
[3] Giuseppe De Vita and Giuseppe Iannaccone. Design Criteria for the RF Section of UHF and Microwave Passive RFID Transponders. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005,9(53):2978-2990
[4] Klaus Finkenzeller著,陳大材編譯,《射頻識別（RFID）技術（第二版）》,北京:電子工業出版,2001.7
[5] 楊寧等,《單片機與控制技術》,北京:北京航空航天大學出版社,2005.3
