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一种微波频段有源RFID系统设计
作者：余强
来源：一卡通世界
日期：2010-08-18 09:42:07
摘要：本文介绍了一种以低功耗射频收发芯片CC2430 为核心，可工作于2。4GHz 的国际通用ISM 频段的有源RFID 系统。
1.引言
RFID(RadioFrequeneyIdentification)射频识别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，可工作于各种恶劣环境。射频识别系统主要由阅读器和电子标签两部分组成，数据存储在电子标签中，当电子标签进入阅读器有效作用距离内，双方即可按照一定的协议进行通信。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。 短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等[6]。另外，由于该技术很难被仿冒、侵入，使电子标签具备了极高的安全防护能力。RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。各国及相关国际组织都在积极推进RFID 技术标准的制定。目前，还未形成完善的关于RFID的国际和国内标准。当前主要的RFID 相关规范有欧美的EPC 规范、日本的UID(UbiquitousID)规范和ISO 18000系列标准。
RFID电子标签种类很多，分类方式多样。按照供电方式可分为有源和无源的电子标签;按照载波频率可分为低频(134.2kHz)、高频(13.56MHz)、超高频(433MHz和915MHz)，以及微波电子标签(2.45GHz以上)[6];RFID电子标签的单项技术已经趋于成熟，但不管在物流业还是制造业的实际应用中还存在大量的技术难题。如：经济性、信号干扰、识别率的提高、信息安全和隐私保护、标准化等问题。
基本 RFID 系统由 RFID 标签(Tag)、RFID 阅读器(Reader)及应用支撑软件等几部分组成。CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。同时也适用2.4 GHz频率的设备。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类[5]。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。特别适合应用于RFID系统的设计。本文以TI公司的CC2430为核心，设计有源RFID标签。使用3。3-4。5V。可使用纽扣电池供电，该芯片功耗低。所需外围电路少，高频元件全部集成于芯片内其工作性能稳定不受外界影响。非常适合于对低功耗，高性能要求的应用环境。
2．标签的硬件设计
2．1 硬件电路结构
典型的有源RFID标签由天线，射频模块，控制模块，存储器，唤醒电路，电池模块等组成如图1所示。其中射频模块完成调制和解调标签和读写器之间的控制信号和应答信号。控制器执行读写器的指令。存储器存储标签的相关信息和单片机的控制程序。控制器对存储器进行读写操作。射频模块包括发射部分和接收部分。发射部分主要有调制器，功放，带通滤波器，混频器和本振等组成。接收部分由低噪放，带通滤波器，解调器，检波整形等组成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的无线通信系统部分只需添加少数的外围电路即可使之构成无线通信模块，这样降低了系统成本和简化了标签的设计。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封装，共有48个脚。全部引脚可分为I／O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。特别适合应用于RFID系统的设计。本标签设计匹配电路使输出匹配50欧的微带贴片天线。PCB设计中全采用表贴元件，这样简化了系统的复杂度和标签的尺寸大小。整个PCB控制在10CM*5CM内，满足了标签小型化的设计。标签的电路图如图2所示。
对于有源标签，由于其使用电池供电，所以标签的工作寿命有限这就要求标签要节能并且其功耗要低。从而节省电池的能量达到延长标签的工作寿命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25 mA。在标签的设计过程中加入一定的控制程序可使得标签仅在读写器的工作范围内才进入工作状态响应读写器的查询请求。从而最大程度的节省了能量。
2．3 读写器的设计
读写器要与计算机应用网络连接。我们采用串行通信方式。其最大传输距离30米．通信速率一般低于20kbps[7]。由于大多数MCU计算机上的串行口都是RS-232C标准的９芯接口．而MCU的引脚一般输入／输出使用TTL电平，距离短传输质量差[4]．所以我们要转换这两种不同的电平才能正确的实现读写器与计算机的通信连接．读写器的电路图如图3所示。
3．标签的软件设计
3．1 寄存器的设置
芯片射频部分的重要参数，如：接收地址，收发频率，无线传输速率，收发模式等均要在其相应的寄存器配置字里面设置。正确的设置这些参数可以提高标签的工作效率和可靠性。
3．2 标签工作流程
标签在平时处于断电状态，当标签进入读写器的工作区域内。唤醒信号的能量使功率比较器输出高电平激活触发器使之控制电源芯片为主电路供电。这样标签控制器按照防碰撞算法程序在适当时机从存储器读出标签的信息，然后将其通过射频模块调制，放大通过天线发射出去。当读写器正确识别标签后将发送该标签的关闭信号。标签收到后进行判断，如果为本标签的关闭信号，则标签不再向读写器发送信息。当标签离开了读写器的工作范围时。触发器控制电源开关芯片使标签主工作电路断电。从而达到节能的目的。标签的工作流程图如图4所示。
计算机端设计的软件界面如图所示，它由串口设置区，通信状态区，接收和发送区，ID 信息显示区组成。当标签收到读写器的请求后，发送自身的信息给读写器，通过天线接收读写器对信息进行处理相应，然后通过串口发送给计算机。计算机在数据库中查询相应的信息进行处理后。将其对应的信息显示在软件界面上如图5 所示。
完整的RFID 系统的关键技术有数据传输方法，数据传输的完整性，数据传输的安全性，安全与隐私，反碰撞算法。RFID 系统的信息安全是极为重要的部分，它涉及通信的安全保密、存储数据的安全及工作状态的控制三个方面。通信的安全就是要保证信息交换过程数据的机密性、完整性、有效性和真实性[6]。数据的完整性，可通过校验和纠错的方法实现，而数据的机密性和有效性是通过对消息鉴权来实现的。
在读写器与电子标签进行射频通信的过程中，存在许多干扰数据通信的因素，其中最主要的两个因素是信道噪声和多卡操作(即有多张卡在读写器的天线感应范围内)引起的数据干扰。因此，需要采用信道编码和访问控制技术，以保证读写器和电子标签之间数据传输的完整、可靠和快速。为了提高系统的抗噪声能力，就需要采用信道编码技术，对可能或已经出现的差错进行控制[9]，RFID 标签应能予以防范以下攻击:非法访问和修改TAG 信息，用特殊设备假冒和欺骗系统，窃听无线电通信并重放数据。
5. 标签的防碰撞设计
射频识别读写器是通过无线射频信号与电子标签进行通信、数据交换的，其工作模式一般是单频率点、半双工。要同时与多张电子标签进行通信，必然会发生信道争夺、数据干扰、通信冲撞等问题[14]。在射频识别系统工作时，读写器与电子标签之间的无线通信冲撞问题，一般可分为以下两大类:1)读写器之间的冲撞2)电子标签之间的冲撞。在读写器的作用范围内存在多张电子标签，它们同时对读写器做出响应、同时发送数据，就会出现通信冲撞，数据相互干扰(冲撞)。有时也有可能多个电子标签处在多个读写器的工作范围之内，它们之间的数据通信也会引起数据干扰[16]。为了防止这些冲撞的发生，射频识别系统需要设置一定的相关指令，解决冲撞问题，这些指令被称为防冲撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系统中解决这种多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），频分多址（FDMA)，码分多址法（CDMA），时分多址法（TDMA）。但对RFID 系统来说空分多址的天线系统非常复杂、实施费用相当高。频分多址读写器的费用相当高，码分多址法则由于通信频带及其技术复杂性等，很难在RFID 系统中应用[6]。时分多址法是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户的技术。对射频识别系统而言，TDMA 分为标签驱动法和阅读器驱动法。标签驱动法主要代表性的算法是ALOHA 算法。阅读器驱动需要准确的同步进而无错误的检测出碰撞位。它再划分为“轮询法和二进制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二进搜索算法的改进。
ALOHA 算法是采取“标签先发言”的方式，即标签一进入阅读器作用区域就自动向阅读器发送其自身的信息，对同一个标签来说它的发送数据帧的时间也是随机的。如果在标签信息发送过程中有其它标签也在发送数据，那么发生信号重叠从而导致部分冲突或者完全冲突，阅读器检测信号判断有无冲突，一旦发生冲突，阅读器发送命令让标签停止发送，标签随机延迟一段时间再发送，则因为延迟的随机数不同，避开了冲突。如果没有冲突，阅读器发送一个应答信号给标签，标签从此转入休眠状态，不再响应读写器的查询请求。直到识别过程结束。ALOHA 算法的示意图如图6 所示。
下面是ALOHA 和Grouping ALOHA 仿真的一些结果。从表1 和图8、图9，中可以看出采用了Grouping ALOHA 后。识别的时间减小了并且发生碰撞的次数也大幅减小。对于有很多标签的场合Grouping ALOHA 比起ALOHA 有明显的优势。
表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比较
本文介绍了一种以低功耗射频收发芯片CC2430 为核心，可工作于2。4GHz 的国际通用ISM 频段的有源RFID 系统。带片上系统（SOC）的芯片使系统简化，增强了无线通信的数据安全性和可靠性，同时使得开发变的简单，降低了成本，在室外标签和读写器的识别距离可达80 米，如果有良好的天线匹配设计或者外加功放可进一步提高工作距离。本设计中的防碰撞算法加入到标签与配套设计的读写器中即可实现系统在体积小，功耗低，可靠性高要求较高的环境当中。
RFID(RadioFrequeneyIdentification)射频识别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，可工作于各种恶劣环境。射频识别系统主要由阅读器和电子标签两部分组成，数据存储在电子标签中，当电子标签进入阅读器有效作用距离内，双方即可按照一定的协议进行通信。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。 短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等[6]。另外，由于该技术很难被仿冒、侵入，使电子标签具备了极高的安全防护能力。RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。各国及相关国际组织都在积极推进RFID 技术标准的制定。目前，还未形成完善的关于RFID的国际和国内标准。当前主要的RFID 相关规范有欧美的EPC 规范、日本的UID(UbiquitousID)规范和ISO 18000系列标准。
RFID电子标签种类很多，分类方式多样。按照供电方式可分为有源和无源的电子标签;按照载波频率可分为低频(134.2kHz)、高频(13.56MHz)、超高频(433MHz和915MHz)，以及微波电子标签(2.45GHz以上)[6];RFID电子标签的单项技术已经趋于成熟，但不管在物流业还是制造业的实际应用中还存在大量的技术难题。如：经济性、信号干扰、识别率的提高、信息安全和隐私保护、标准化等问题。
基本 RFID 系统由 RFID 标签(Tag)、RFID 阅读器(Reader)及应用支撑软件等几部分组成。CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。同时也适用2.4 GHz频率的设备。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类[5]。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。特别适合应用于RFID系统的设计。本文以TI公司的CC2430为核心，设计有源RFID标签。使用3。3-4。5V。可使用纽扣电池供电，该芯片功耗低。所需外围电路少，高频元件全部集成于芯片内其工作性能稳定不受外界影响。非常适合于对低功耗，高性能要求的应用环境。
2．标签的硬件设计
2．1 硬件电路结构
典型的有源RFID标签由天线，射频模块，控制模块，存储器，唤醒电路，电池模块等组成如图1所示。其中射频模块完成调制和解调标签和读写器之间的控制信号和应答信号。控制器执行读写器的指令。存储器存储标签的相关信息和单片机的控制程序。控制器对存储器进行读写操作。射频模块包括发射部分和接收部分。发射部分主要有调制器，功放，带通滤波器，混频器和本振等组成。接收部分由低噪放，带通滤波器，解调器，检波整形等组成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的无线通信系统部分只需添加少数的外围电路即可使之构成无线通信模块，这样降低了系统成本和简化了标签的设计。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封装，共有48个脚。全部引脚可分为I／O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。特别适合应用于RFID系统的设计。本标签设计匹配电路使输出匹配50欧的微带贴片天线。PCB设计中全采用表贴元件，这样简化了系统的复杂度和标签的尺寸大小。整个PCB控制在10CM*5CM内，满足了标签小型化的设计。标签的电路图如图2所示。
对于有源标签，由于其使用电池供电，所以标签的工作寿命有限这就要求标签要节能并且其功耗要低。从而节省电池的能量达到延长标签的工作寿命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25 mA。在标签的设计过程中加入一定的控制程序可使得标签仅在读写器的工作范围内才进入工作状态响应读写器的查询请求。从而最大程度的节省了能量。
2．3 读写器的设计
读写器要与计算机应用网络连接。我们采用串行通信方式。其最大传输距离30米．通信速率一般低于20kbps[7]。由于大多数MCU计算机上的串行口都是RS-232C标准的９芯接口．而MCU的引脚一般输入／输出使用TTL电平，距离短传输质量差[4]．所以我们要转换这两种不同的电平才能正确的实现读写器与计算机的通信连接．读写器的电路图如图3所示。
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3．标签的软件设计
3．1 寄存器的设置
芯片射频部分的重要参数，如：接收地址，收发频率，无线传输速率，收发模式等均要在其相应的寄存器配置字里面设置。正确的设置这些参数可以提高标签的工作效率和可靠性。
3．2 标签工作流程
标签在平时处于断电状态，当标签进入读写器的工作区域内。唤醒信号的能量使功率比较器输出高电平激活触发器使之控制电源芯片为主电路供电。这样标签控制器按照防碰撞算法程序在适当时机从存储器读出标签的信息，然后将其通过射频模块调制，放大通过天线发射出去。当读写器正确识别标签后将发送该标签的关闭信号。标签收到后进行判断，如果为本标签的关闭信号，则标签不再向读写器发送信息。当标签离开了读写器的工作范围时。触发器控制电源开关芯片使标签主工作电路断电。从而达到节能的目的。标签的工作流程图如图4所示。
计算机端设计的软件界面如图所示，它由串口设置区，通信状态区，接收和发送区，ID 信息显示区组成。当标签收到读写器的请求后，发送自身的信息给读写器，通过天线接收读写器对信息进行处理相应，然后通过串口发送给计算机。计算机在数据库中查询相应的信息进行处理后。将其对应的信息显示在软件界面上如图5 所示。
完整的RFID 系统的关键技术有数据传输方法，数据传输的完整性，数据传输的安全性，安全与隐私，反碰撞算法。RFID 系统的信息安全是极为重要的部分，它涉及通信的安全保密、存储数据的安全及工作状态的控制三个方面。通信的安全就是要保证信息交换过程数据的机密性、完整性、有效性和真实性[6]。数据的完整性，可通过校验和纠错的方法实现，而数据的机密性和有效性是通过对消息鉴权来实现的。
在读写器与电子标签进行射频通信的过程中，存在许多干扰数据通信的因素，其中最主要的两个因素是信道噪声和多卡操作(即有多张卡在读写器的天线感应范围内)引起的数据干扰。因此，需要采用信道编码和访问控制技术，以保证读写器和电子标签之间数据传输的完整、可靠和快速。为了提高系统的抗噪声能力，就需要采用信道编码技术，对可能或已经出现的差错进行控制[9]，RFID 标签应能予以防范以下攻击:非法访问和修改TAG 信息，用特殊设备假冒和欺骗系统，窃听无线电通信并重放数据。
5. 标签的防碰撞设计
射频识别读写器是通过无线射频信号与电子标签进行通信、数据交换的，其工作模式一般是单频率点、半双工。要同时与多张电子标签进行通信，必然会发生信道争夺、数据干扰、通信冲撞等问题[14]。在射频识别系统工作时，读写器与电子标签之间的无线通信冲撞问题，一般可分为以下两大类:1)读写器之间的冲撞2)电子标签之间的冲撞。在读写器的作用范围内存在多张电子标签，它们同时对读写器做出响应、同时发送数据，就会出现通信冲撞，数据相互干扰(冲撞)。有时也有可能多个电子标签处在多个读写器的工作范围之内，它们之间的数据通信也会引起数据干扰[16]。为了防止这些冲撞的发生，射频识别系统需要设置一定的相关指令，解决冲撞问题，这些指令被称为防冲撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系统中解决这种多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），频分多址（FDMA)，码分多址法（CDMA），时分多址法（TDMA）。但对RFID 系统来说空分多址的天线系统非常复杂、实施费用相当高。频分多址读写器的费用相当高，码分多址法则由于通信频带及其技术复杂性等，很难在RFID 系统中应用[6]。时分多址法是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户的技术。对射频识别系统而言，TDMA 分为标签驱动法和阅读器驱动法。标签驱动法主要代表性的算法是ALOHA 算法。阅读器驱动需要准确的同步进而无错误的检测出碰撞位。它再划分为“轮询法和二进制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二进搜索算法的改进。
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ALOHA 算法是采取“标签先发言”的方式，即标签一进入阅读器作用区域就自动向阅读器发送其自身的信息，对同一个标签来说它的发送数据帧的时间也是随机的。如果在标签信息发送过程中有其它标签也在发送数据，那么发生信号重叠从而导致部分冲突或者完全冲突，阅读器检测信号判断有无冲突，一旦发生冲突，阅读器发送命令让标签停止发送，标签随机延迟一段时间再发送，则因为延迟的随机数不同，避开了冲突。如果没有冲突，阅读器发送一个应答信号给标签，标签从此转入休眠状态，不再响应读写器的查询请求。直到识别过程结束。ALOHA 算法的示意图如图6 所示。
下面是ALOHA 和Grouping ALOHA 仿真的一些结果。从表1 和图8、图9，中可以看出采用了Grouping ALOHA 后。识别的时间减小了并且发生碰撞的次数也大幅减小。对于有很多标签的场合Grouping ALOHA 比起ALOHA 有明显的优势。
表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比较
本文介绍了一种以低功耗射频收发芯片CC2430 为核心，可工作于2。4GHz 的国际通用ISM 频段的有源RFID 系统。带片上系统（SOC）的芯片使系统简化，增强了无线通信的数据安全性和可靠性，同时使得开发变的简单，降低了成本，在室外标签和读写器的识别距离可达80 米，如果有良好的天线匹配设计或者外加功放可进一步提高工作距离。本设计中的防碰撞算法加入到标签与配套设计的读写器中即可实现系统在体积小，功耗低，可靠性高要求较高的环境当中。
