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一种超高频RFID标签的设计
作者：于峰 周晓光 王晓华 姜善林
来源：RFID世界网
日期：2007-12-12 17:27:04
摘要：本文通过研究超高频段RFID标签的特性，提出了一种符合ISO 18000-6B标准的标签设计方案，重点介绍了标签的系统结构、关键部分的电路和工作流程。该标签具有识别距离远、通信速度快、尺寸较小、可重复使用等优点，应用范围较广。
1. 引言
RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术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预，因此广泛应用于工业生产自动化、供应链管理、物流货物跟踪、交通运输管理等领域。
当前国内对RFID标签的研究都集中在频率为125KHz、134KHz的低频和13.56MHz的高频频段，在860～960MHz的超高频段和2.45GHz以上的微波频段研究相对较少。而后者由于具有操作距离远、通信速度快、尺寸小等优点，未来的应用将更广泛[1]。
2．工作原理及工作特性
2.1 工作原理
RFID系统一般包括阅读器、标签（或称射频卡）两部分。根据供电方式的不同，标签可分为有源标签和无源标签两种，都由标签芯片和天线组成。本文设计的是一种符合ISO18000-6B标准的超高频无源标签，本身无电源，靠从阅读器的射频场获取能量。
每个标签都含有唯一的识别码，用来标识标签所附着的物体。当标签收到阅读器主动发出的信号时，标签被唤醒，一方面通过射频耦合的方式获取能量，另一方面将收到的信号进行解调，从载波中还原出数字信号，然后根据其中包含的指令完成相应的操作，并将应答信息通过反向散射回送给阅读器。当同时有多个标签出现在阅读器的射频场时，阅读器通过启动防冲突算法，逐个识别标签。
2.2 物理接口
标签和阅读器之间基于“阅读器先发言”的传输机制，采用半双工的通信方式。前向链路采用Manchester基带编码，便于防冲突检测；采用ASK载波调制，调制深度为11%或99%（本文设计的标签取99%），占用频道带宽为200KHz。反向链路采用FM0编码，经ASK载波调制后，反向散射给阅读器[2]。
2.3存储特性
标签内置一个4Kbit的EEPROM存储器，通过一个8位的地址块来寻址，因此可以寻址256个存储器块，每块包含1字节的数据。存储器的第0块到第17块被保留用作存储系统信息，第18块以上的存储器用作标签中普通的应用数据存储区。
2.4 标签的应答格式
标签收到阅读器的命令后，进行处理并应答，应答格式如下：
3．系统结构
标签由天线、模拟电路部分、数字电路部分和EEPROM存储器组成。图1示出了标签的系统结构框图。天线用于发射和接收电磁波；模拟电路主要是由包络检波电路、ASK调制电路、稳压电路、时钟产生电路、偏置电路以及上电复位电路组成，用于获取能量并调制解调信号；数字电路内部包含控制逻辑、微处理器（CPU），用于控制相关协议、指令及处理功能；EEPROM存储器用于存储标签的系统信息和数据，存储时间可以长达几十年，并且在没有供电的情况下，其数据信息不会丢失。
4.1 天线的设计
采用如图2所示的半波对称振子天线，发送和接收射频信号。由于对称振子的辐射损耗和末端效应引起电流的波长缩短，导致实际的天线长度缩短[3]，缩短系数为0.85-0.9之间。本文设计的标签中心频率为915MHz，半个波长为16.39cm，取缩短系数为0.85，实际天线振子的长度为13.93cm，此时的天线为谐振状态，损耗较小。
包络检波电路的作用非常重要，一方面要从射频输入端提供的信号提取包络，并通过检波电路进行解调，为数字电路提供数字基带信号；另一方面还要从射频信号中提取稳定的偏置电流和时钟信号，供数字电路和调制电路使用。本论文设计了一种倍压整流检波电路，其等效电路图如图3所示，其中Rs为封装电路的等效串联电阻，RL为负载电阻。
根据系统要求，微处理器应满足如下条件：①完成与阅读器的实时快速通信。②完成对阅读器指令的应答。③完成对数字基带信号的编解码操作。④实现对发射电路的可靠控制。⑤完成对EEPROM存储器的存取操作。⑥超低功耗。
本文微处理器采用广东周立功公司的型号为P89C51X2的单片机，完成系统的信号处理及通信控制功能。P89C51X2单片机核心处理单元为80C51，带有64K字节的ROM，可供写入引导程序以及厂商信息使用；64K字节的RAM，可用做缓冲器，提高处理速度；4K字节的FLASH EEPROM内部程序存储器，可用来存储代码和数据[4]，支持每字节最少10000次擦除或编程周期；提供内部振荡器，为基带数字信号处理单元提供可靠的时钟信号；内含计数器，可供防冲突处理部分计数使用；FLASH存储器中内含3个可编程保密位，可为片内的代码和数据提供不同级别的保护；支持掉电模式，可进一步降低功耗[5]。
单片机的工作流程如图4所示，①当标签进入阅读器的射频场后，芯片上电复位；②单片机完成初始化；③启动二进制树防冲突单元，读取“Select”标志位，如果等待一定时间后未被选中，则返回①状态，继续等待，如果收到“选中”指令，则继续下一步；④接收检波电路送来的数字基带信号；⑤启动CRC纠错电路；⑥对基带信号进行Manchester解码；⑦对信号中的指令进行识别，如果发现满足指令执行的条件，就执行阅读器指定的操作，并根据通信协议，决定是否返回应答信号，反之，则向阅读器发出出错信息，并将工作状态返回至初始状态；⑧对应答信号进行FM0编码；⑨控制射频端的ASK调制和发射；⑩保持一定时间的静默后，进入下电复位状态。
本文设计的超高频RFID标签基于80C51单片机微控制器，能够实现ISO18000-6B要求的特性和功能，成本较低，易于开发，具有识别距离远、通信速度快、尺寸较小等特点，可广泛应用于集装箱跟踪、物流管理等活动。
参考文献
[1] 张纲,石亦欣,谷波,程君侠. 一种超高频电子标签电路及应用. 电子元器件应用, 2004,5（6）:36-37
[2] 张纲,杨庆森,程君侠等. ISO/IEC 18000-6（CD）研究综述. 信息技术与标准化, 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,陈大材编译,《射频识别（RFID）技术（第二版）》,北京:电子工业出版,2001.7
[5] 杨宁等,《单片机与控制技术》,北京:北京航空航天大学出版社,2005.3
RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术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预，因此广泛应用于工业生产自动化、供应链管理、物流货物跟踪、交通运输管理等领域。
当前国内对RFID标签的研究都集中在频率为125KHz、134KHz的低频和13.56MHz的高频频段，在860～960MHz的超高频段和2.45GHz以上的微波频段研究相对较少。而后者由于具有操作距离远、通信速度快、尺寸小等优点，未来的应用将更广泛[1]。
2．工作原理及工作特性
2.1 工作原理
RFID系统一般包括阅读器、标签（或称射频卡）两部分。根据供电方式的不同，标签可分为有源标签和无源标签两种，都由标签芯片和天线组成。本文设计的是一种符合ISO18000-6B标准的超高频无源标签，本身无电源，靠从阅读器的射频场获取能量。
每个标签都含有唯一的识别码，用来标识标签所附着的物体。当标签收到阅读器主动发出的信号时，标签被唤醒，一方面通过射频耦合的方式获取能量，另一方面将收到的信号进行解调，从载波中还原出数字信号，然后根据其中包含的指令完成相应的操作，并将应答信息通过反向散射回送给阅读器。当同时有多个标签出现在阅读器的射频场时，阅读器通过启动防冲突算法，逐个识别标签。
2.2 物理接口
标签和阅读器之间基于“阅读器先发言”的传输机制，采用半双工的通信方式。前向链路采用Manchester基带编码，便于防冲突检测；采用ASK载波调制，调制深度为11%或99%（本文设计的标签取99%），占用频道带宽为200KHz。反向链路采用FM0编码，经ASK载波调制后，反向散射给阅读器[2]。
2.3存储特性
标签内置一个4Kbit的EEPROM存储器，通过一个8位的地址块来寻址，因此可以寻址256个存储器块，每块包含1字节的数据。存储器的第0块到第17块被保留用作存储系统信息，第18块以上的存储器用作标签中普通的应用数据存储区。
2.4 标签的应答格式
标签收到阅读器的命令后，进行处理并应答，应答格式如下：
3．系统结构
标签由天线、模拟电路部分、数字电路部分和EEPROM存储器组成。图1示出了标签的系统结构框图。天线用于发射和接收电磁波；模拟电路主要是由包络检波电路、ASK调制电路、稳压电路、时钟产生电路、偏置电路以及上电复位电路组成，用于获取能量并调制解调信号；数字电路内部包含控制逻辑、微处理器（CPU），用于控制相关协议、指令及处理功能；EEPROM存储器用于存储标签的系统信息和数据，存储时间可以长达几十年，并且在没有供电的情况下，其数据信息不会丢失。
4.1 天线的设计
采用如图2所示的半波对称振子天线，发送和接收射频信号。由于对称振子的辐射损耗和末端效应引起电流的波长缩短，导致实际的天线长度缩短[3]，缩短系数为0.85-0.9之间。本文设计的标签中心频率为915MHz，半个波长为16.39cm，取缩短系数为0.85，实际天线振子的长度为13.93cm，此时的天线为谐振状态，损耗较小。
包络检波电路的作用非常重要，一方面要从射频输入端提供的信号提取包络，并通过检波电路进行解调，为数字电路提供数字基带信号；另一方面还要从射频信号中提取稳定的偏置电流和时钟信号，供数字电路和调制电路使用。本论文设计了一种倍压整流检波电路，其等效电路图如图3所示，其中Rs为封装电路的等效串联电阻，RL为负载电阻。
根据系统要求，微处理器应满足如下条件：①完成与阅读器的实时快速通信。②完成对阅读器指令的应答。③完成对数字基带信号的编解码操作。④实现对发射电路的可靠控制。⑤完成对EEPROM存储器的存取操作。⑥超低功耗。
本文微处理器采用广东周立功公司的型号为P89C51X2的单片机，完成系统的信号处理及通信控制功能。P89C51X2单片机核心处理单元为80C51，带有64K字节的ROM，可供写入引导程序以及厂商信息使用；64K字节的RAM，可用做缓冲器，提高处理速度；4K字节的FLASH EEPROM内部程序存储器，可用来存储代码和数据[4]，支持每字节最少10000次擦除或编程周期；提供内部振荡器，为基带数字信号处理单元提供可靠的时钟信号；内含计数器，可供防冲突处理部分计数使用；FLASH存储器中内含3个可编程保密位，可为片内的代码和数据提供不同级别的保护；支持掉电模式，可进一步降低功耗[5]。
单片机的工作流程如图4所示，①当标签进入阅读器的射频场后，芯片上电复位；②单片机完成初始化；③启动二进制树防冲突单元，读取“Select”标志位，如果等待一定时间后未被选中，则返回①状态，继续等待，如果收到“选中”指令，则继续下一步；④接收检波电路送来的数字基带信号；⑤启动CRC纠错电路；⑥对基带信号进行Manchester解码；⑦对信号中的指令进行识别，如果发现满足指令执行的条件，就执行阅读器指定的操作，并根据通信协议，决定是否返回应答信号，反之，则向阅读器发出出错信息，并将工作状态返回至初始状态；⑧对应答信号进行FM0编码；⑨控制射频端的ASK调制和发射；⑩保持一定时间的静默后，进入下电复位状态。
本文设计的超高频RFID标签基于80C51单片机微控制器，能够实现ISO18000-6B要求的特性和功能，成本较低，易于开发，具有识别距离远、通信速度快、尺寸较小等特点，可广泛应用于集装箱跟踪、物流管理等活动。
参考文献
[1] 张纲,石亦欣,谷波,程君侠. 一种超高频电子标签电路及应用. 电子元器件应用, 2004,5（6）:36-37
[2] 张纲,杨庆森,程君侠等. ISO/IEC 18000-6（CD）研究综述. 信息技术与标准化, 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,陈大材编译,《射频识别（RFID）技术（第二版）》,北京:电子工业出版,2001.7
[5] 杨宁等,《单片机与控制技术》,北京:北京航空航天大学出版社,2005.3
