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RFID技术热探讨

时间:2015-03-04 16:04:26  来源:  作者:  点击数:

 在今天早上你到达办公室的那一刻为止,你可能在没有意识到的情况下已经使用了4次射频标签(RFID),分别是:在你插入车钥匙、关闭发动机防盗锁止系统电路之时;在你开车经过无人收费站自动付费之时;在你使用手机支付早上的热牛奶咖啡之时;在你利用身份证件登记进入办公室之时。RFID也许还没有广泛普及,但正在逐渐取得成功。

第一批由射频输入供电的无源应答器可以追溯到20世纪70年代初,当时就像今天大多数各式各样的RFID应用情景一样。正是有了今天半导体技术的可喜进步,才使得RFID真正开始腾飞。
 
在商业市场中,RFID提供了史无前例的机会,通过提供非常细致的数据以及使支付和记录保留等服务实现自动化,可以提高产能并改善用户体验。RFID被广泛用于各种应用,如牲畜身份识别、零售库存管理、病历管理、电子不停车收费、电子护照,以及更近一些的手机,它们将是特定RFID技术的重要推手。
 
RFID标签(RFID的身份部分)的市场正在快速增长,并有望得到加速发展。例如IDTechEx公司就预测,2021年无源RFID标签数量将从2011年的不到30亿个增长到约2500亿个。
 
从工程角度看,RFID不是一种单一技术,它随频率改变而有所变化。其可以采用许多种载波频率,但其中三种占主导地位(见表1)。低频(LF)使用125kHz至135kHz频段,高频(HF)工作在13.56MHz。UHF(超高频)主要在865MHz至955MHz频段中使用,虽然它也可能包含2.4GHz频段

 

 

RFID走热,设计机会将激增(电子工程专辑)
表1:RFID频段及应用

 

大多数RFID系统设计工作主要集中在读取器系统。半导体公司设计和制造的应答器(标签)的应用和特性将主要决定读取器的设计。一般来说,有两种类型的标签可以用来与读取器通信:含嵌入式电池的有源标签,和无电池的无源标签。无源标签更加常见,本文将只讨论无源标签。

电磁耦合在决定无源标签的读取范围方面发挥着重要的作用。LF和HF RFID系统使用电感耦合。能量通过共享磁场从读取器线圈传送到应答器(标签)线圈。

 

LF和HF系统中的读取器天线会在一个被称为近场的电磁区域中创建一个强大磁场,范围距天线最多约一个波长。这个磁场的强度足以唤醒标签,并给它提供将身份数据传送给读取器所需的电源。电感耦合还可以使用相同的能量传送机制用来写标签(图1)。

 

 

RFID走热,设计机会将激增(电子工程专辑)
图1:用于LF和HF系统(包括NFC在内)的电感耦合发生在近场区域内。

 

UHF RFID系统工作在距天线约两个波长到无限远的“远场”,可以实现比LF和HF系统更大的读取范围。标签天线利用一种被称为后向散射耦合的技术接收读取器天线的电磁能量,RFID芯片再使用这个能量改变天线上的负载,并反射回包含身份信息的改变信号。

 

在实际应用中,标签是为特定应用设计的,在频率、内存容量、支持的标准和天线设计方面都有变化。德州仪器(TI)公司的Tag-it HF-I Plus应答器在微小的矩形外形中提供了2kb的内存,适合用于产品鉴定、资产管理和供应链管理。它是一种工作在13.56MHz频率的HF标签。

 

在内存规模的另一端,恩智浦(NXP)公司的HITag μ应答器集成了128kb的内存。这是一种LF标签,适合用于牲畜识别、洗衣自动化以及啤酒桶和煤气罐的物流运输。

 

设计目标

 

特定RFID系统读取器的特性很大程度上取决于具体应用,虽然有一些目标跨越应用界限。就像在大多数工程项目中成本很重要,这通常意味着尽量减少材料清单,尽量提高标签制造商提供的附加价值,如开发工具、参考设计和软件。

 

机械设计应该坚固耐用,并提供防破坏保护功能。还要注意系统所在地政府的频率分配。系统很容易部署和操作也很重要,因为最终用户不是技术人员。

 

近场通信

 

功耗也非常重要,尤其是在电池供电的应用,例如带嵌入式近场通信(NFC)功能的智能手机中。虽然NFC是RFID技术的一个子集,但具有一些独特的增强性能:

 

更短距离——NFC的工作距离特别短(<10cm),因此可以防止一些偶然或未授权的链路活动。加密则确保了更高的安全性。

 

直观的链接过程——NFC对最终用户要求极低。举例来说,具有NFC功能的智能手机只需彼此或与NFC读取器靠近或扫过一下就能启动会话。

 

能够与无源的RFID产品进行通信——NFC在自我供电设备之间的工作方式是传统的方式。它也支持与非接触式智能卡或RF应答器等无源设备的通信。

 

与蓝牙和Wi-Fi的协作——除了与RFID技术是补充关系外,NFC还具有与使用蓝牙和Wi-Fi无线网络的设备进行通信的内置功能。因此,NFC在现有技术之间提供了多协议桥接。

 

据IMS Research公司预测,NFC应用将快速增长,而手机是背后的主要驱动力。随着制造商在手机产品中将无线通信与支付技术作为事实上的标准,具有NFC功能的手机数量从2012年到2017年将增加10倍,达到12亿部。今年交付的数量计划将增加到2.68亿部,在2012年的1.2亿部基础上增长123%。主要的NFC应用包括:

 

* 娱乐门票、乘坐出租车或任何销售点(POS)应用的支付;商店代金券也可以存储在NFC手机中。

* 使用NFC智能手机实现安防大楼的身份验证和门禁控制;还有电脑登录、上锁/解锁车门等。

* 在智能手机、数码相机和平板电脑等NFC产品之间进行点到点的数据传送。

* 与蓝牙或Wi-Fi建立通信链路实现数据传送。

* 提供对数字信息的访问,因为NFC设备将能够从智能海报到NFC手机等产品读取日程表;从智能海报下载地图;在你的手机上记录你停车的地方。

 

NFC技术基础

 

NFC工作在13.56MHz频率范围,数据传送速率从106kbit/s到424kbit/s。为了尽量提高其有用性,该技术后向兼容基于ISO/IEC 14443A和ISO/IEC 14443B的智能卡协议,以及索尼的FeliCa卡(JIS X 6319-4)。

 

为了实现两个NFC设备之间的信息交换,业界开发了一种新的协议,并在ECMA-340和ISO/IEC 18092标准中对其进行了定义。NFC论坛开发了相关的规范,用于确保NFC产品的互操作性。

 

NFC有三种工作模式。在卡片模拟模式(无源模式)时,NFC设备像现有符合某个传统标准的非接触卡一样工作。在读/写模式(有源模式)时,NFC设备是有源的,并读取或写入传统的无源RFID标签。在点对点模式中,两个NFC设备交换信息。发起设备(轮询设备)的功耗比读/写模式低,因为目标(监听设备)使用自己的电源。

 

三种传统模式中每种都有自己的传送技术:NFC-A(后向兼容ISO/IEC 14443A);NFC-B(后向兼容ISO/IEC 14443B);NFC-F(后向兼容JIS X 6319-4)。为了支持传统技术,NFC设备必须轮询监听设备(标签)以确定使用哪种协议:NFC-A,NFC-B,或NFC-F(图2)。

 

 

RFID走热,设计机会将激增(电子工程专辑)
图2:为了支持传统技术,NFC设备必须使用这个轮询顺序轮询监听设备(标签)以确定使用哪种协议(NFC-A、NFC-B或NFC-F)。

 

控制器芯片

 

在NFC系统设计中,控制器芯片扮演着重要角色。判断使用哪种通信模式只是开始。在其它的典型MCU任务中,控制器必须监控收发器、电源管理和主机接口。NFC特定接口包括安全访问模块(SAM)接口、用户身份模块(SIM)接口和非接触技术(CLESS)接口。

 

恩智浦的PN544是一款带嵌入式80C51内核的全功能NFC控制器,非常适合集成进手机。在读取器一侧,应用包括移动支付设备、交通与活动票务,以及对象交换(如vCard和数字版权)。TI的TRF7970ARHBT支持相同范围的应用。

 

本文小结

 

虽然RFID应用通常不是高性能、高速设计,但由于不同标准、频率选择和最重要的应用需求,系统级存在大量的复杂性。每个新的设计都会带来有关安全、范围、信号方向、环境条件、功耗、内存要求和接口设计方面的决策。然而,一旦系统架构考虑成熟,主要由半导体公司推出的众多设计工具和开发套件,就能为我们的项目提供一条通达成功的清晰路径。

本文来自《电子工程专辑》2015年03月《微波与射频》特刊 作者: Jack Shandle

 

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