2.2阅读器的组成
虽然所有RFID系统的阅读器均可以简化为两个基本的功能块:控制系统和由发送器及接收器组成的高频接口(如图5),但由于众多的非接触传输方法的存在使得阅读器内部的结构存在较大区别同。因此本文仅就阅读器中的两个基本模块的功能实现方面对阅读器的组成进行简单的介绍。
控制指令 应用软件 (带应用软件的计算机) 数据载体
控制 (信号编码协议) 数据 高频接口
图5阅读器功能模块图
1、高频接口
阅读器的高频接口主要完成如下任务:产生高频的发射功率,以启动标签并为其提供能量;对发射信号进行调制,用于将数据传送给标签;接收并调制来自标签的高频信号。在高频接口中有两个分隔开的信号通道,分别用于标签两个方向上的数据流。传送到标签去的数据流通过发送器分支,而来自标签的数据通过接收器分支。不同的非接触传输方法,这两个信号通道的具体实现有所不同。
2、控制单元
阅读器的控制单元担负如下任务:与应用系统软件进行通信,并执行应用系统软件发来的命令、控制与标签的通信过程、信号的编码与解码。对于复杂系统,控制单元还可能具有以下功能:
1、执行防冲突算法;
2、对标签与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密; 3、进行标签与阅读器之间的身份验证等。
4、应用系统软件与阅读器间的数据交换是通过RS232或RS485串口进行的,而阅读器中的高频接口与控制单元间的接口将高频借口的状态以二进制的形式表示出来。
3射频识别系统工作原理
作为无线自动识别技术,RFID技术有许多非接触的信息传输方法,主要从耦合方式(能量或信号的传输方式)、标签到阅读器的数据传输方法和通信流程进
行分析比较。其中主要讲述RFID系统阅读器与标签间耦合方式的工作原理。
3.1耦合方式
1、电容耦合
电容耦合方式,阅读器与标签间互相绝缘的耦合元件工作时构成一组平板电容。当标签入时,标签的耦合平面同阅读器的耦合平面间相互平行(如图6所示)。
电场E
阅读器耦合平面
应答器耦合平面
芯片
图6电容耦合示意图
电容耦合合只用于密耦合(工作距离小于1cm)的RFID系统中。ISO10536中就规定了使用该耦合方法的密耦合IC卡的机械性能和电气性能。
2、磁耦合
磁耦合是现在使用的中、低频RFID系统中最为广泛的耦合方法,其中以13.56MHz无源系统最为典型。阅读器的线圈生成一个磁场,该磁场在标签的线圈内感应出电压从而为标签提供能量。这与变压器的工作原理正好完全一样,因此磁耦合也称作电感耦合。
与高频RFID系统不同的是,磁耦合RFID系统的工作区域是阅读器传输天线的“近场区”。一般说来,在单天线RFID系统中,系统的操作距离近似为传输天线的直径。对于距离大于天线直径的点,其场强将以距离的3次方衰减。那就意味着如仍保持原有场强的话,发射功率就需以6次方的速率增加。因此,此耦合主要用于密耦合或是遥耦合(操作距离小于lm)的RFID系统中。
3、电磁耦合
电磁辐射是作用距离在lm以上的远距离RFID系统的耦合方法。在电磁辐射场中,阅读器天线向空中发射电磁波,其时电磁波以球面波的形式向外传播。置于工作区中的标签处于阅读器发射出的电磁波之中并在电磁波通过时收集其中的部分能量。场中某点的可获得能量的大小取决于该点与发射天线之间的距离,同时能量的大小与该距离的平方成反比。
对于远距离系统而一言,其工作频率主要在UHF频段甚至更高。从而阅读器与标签之间的耦合元件也就从较为庞大且复杂的金属平板或是线圈变成了一些简单形式的天线,如半波振子天线。这样一来,远距离RFID系统体积更小,结构更简单。
3.2通信流程
在电子数据载体上,存储的数据量可达到数千字节。为了读出或写入数据,必须在标签和阅读器间进行通信。这里主要有三种通信流程系统:半双工系统、全双工系统和时序系统。
在半双工法(HDX)中,从标签到阅读器的数据传输与从阅读器到标签的数据传输交替进行。当频率在30MHz以下时常常使用负载调制的半双工法。
在全双工法(HDX)中,数据在标签和阅读器间的双向传输是同时进行的。其中,标签发送数据所用的频率为阅读器发送频率的几分之一,即采用“分谐波”,或是用一个完全独立的“非谐波”频率。
以上两种方法的共同特点是:从阅读器到标签的能量传输是连续的,与数据传输的方向无关。与此相反,在使用时序系统(SEQ)的情况下,从阅读器到标签的能量传输总是在限定的时间间隔内进行的(脉冲操作,脉冲系统)。从标签到阅读器的数据传输是在标签的能量供应间隙是进行的。
3.3标签到阅读器的数据传输方法
无论是只读系统还是可读写系统,作为关键技术之一的标签到阅读器的数据传输在不同的非接触传输实现方案的系统中有所区别。作为RFID系统的两大主要耦合方式,磁耦合和电磁耦合分别采用负载调制和后向散射调制。
所谓负载调制是用某些差异所进行的用于从标签到阅读器的数据传输方法。在磁耦合系统中,通过标签振荡回路的电路参数在数据流的节拍中的变化,从而实现调制功能。在标签的振荡回路的所有可能的电路参数中,只有负载电阻和并联电容两个参数被数据载体改变。因此,相应的负载调制被称作电阻(或有效的)负载调制和电容负载调制。
对于高频系统而言,随着频率的上升其穿透性越来越差,而其反射性却越发明显。在高频电磁耦合的RFID系统中,类似于雷达工作原理用电磁波反射进行从标签到阅读器的数据传输。雷达散射截面是目标反射电磁波能力的测度,而即RFID系统中散射截面的变化与负载电阻值有关。当阅读器发射的载频信号辐射到标签时,标签中的调制电路通过待传输的信号控制馈接电路是否与天线匹配实现信号的幅度调制。当天线与馈接电路匹配时,阅读器发射的载频信号被吸收;反之,信号被反射。