RFID原理与应用 教师:朱华贵 2015年04月02日 18970866755

RFID原理及应用 第5章 RFID技术及电路 朱华贵 2015年04月02日

一、125 kHz RFID技术 125 kHz RFID技术采用电感耦合方式工作。 由于电子标签的成本低，非金属材料和水对该频 率具有较低的吸收率，所以在动物识别、工业和 民用水表领域得到广泛应用。 电感耦合的射频载波频率为13.56MHz和小于135KHz 的频段，应答器和读写器之间的工作距离小于1m， 典型的作用距离为10～20cm 。 e5551芯片是Atmel公司生产的非接触式、无源、可读写、具有防碰撞能力的RFID器件，中心工作频率为 125K 。 由于e5551可以和低成本的射频卡基站U2270B构成完整的射频卡应用系统且具有很高的性能价格比， 因此在公交系统、餐饮服务系统等领域得到了广泛的应用。

一、125 kHz RFID技术 e5551应答器芯片主要技术性能指标 工作频率为125 kHz 低功耗、低工作电压； 非接触能量供给和读写数据； 工作频率范围为100~150 kHz； EEPROM存储器容量为264位，分为8块，每块33位； 具有7块用户数据，每块32位，共224位； 具有块写保护； 采用请求应答（Answer On Request，AOR）实现防碰撞； 完成块写和校验的时间小于50 ms； 可编程选择传输速率（比特率）、编码调制方式； 可工作于密码（口令）方式。

一、125 kHz RFID技术 e5551应答器芯片 内部电路组成

一、125 kHz RFID技术 1、调制器：调制器由数据编码器和调制方式两级电路组成，如下图。 其输入为来自存储器的二进制NRZ码，输出用于对载波的负载调制。

PSK调制的脉冲频率为RF/2，RF/4或RF/8，RF为载波频率fc。它的相位变化情况有以下： 2、编码 曼彻斯特码：逻辑1为倍频率NRZ码的10，逻辑0为倍频率 NRZ码的01； Biphase：每个位的开始电平跳变，数位0时位中间附加 一跳变 3、调制方式 PSK调制的脉冲频率为RF/2，RF/4或RF/8，RF为载波频率fc。它的相位变化情况有以下： PSK1：数位从1变为0或从0变为1时，相位改变180； PSK2：每当数位1结束时，相位改变180； PSK3：数位从0变为1（上升沿）时，相位改变180。

FSK调制方式有以下4种： 注意下面的组合不可使用： FSK1：数位1和0的脉冲频率为RF/8和RF/5; FSK1a：数位1和0的脉冲频率为RF/5和RF/8; FSK2：数位1和0的脉冲频率为RF/8和RF/10; FSK2a：数位1和0的脉冲频率为RF/10和RF/8。 注意下面的组合不可使用： 当编码为曼彻斯特码或Biphase码时，调制为PSK2或比特 率为RF/8且脉冲频率为RF/8的PSK调制； 比特率为RF/50或者RF/100的PSK调制，PSK的脉冲频率 不为比特率的整数倍。

4、存储器 存储器EEPROM的结构如下图，它由8块构成，每块 33位，第0位为锁存位，共264位。所有33位都可被编程，编 程所需电压来自片内。但若某块的锁存位被臵1，则该块被 锁存，不能通过射频再次编程。

块0为芯片工作的模式数据，它不能作为通常数据 被传送，块1至块6为用户数据；块7为用户口令， 若不需要口令保护，则块7也可作为用户数据存储 区。  存储器的数据以串行方式送出，从块1的位1开始 到最大块（ MAXBLK ）的位32，MAXBLK为用户设臵 的最大块号参数值。各块的锁存位L不能被传送。

EEPROM的块0（BLOCK0）用于设置e5551卡的各种操作特性，如同步信号、数据流格式、数据流长度、加密、口令唤醒和停止发射的启用/关闭等。 位数 功能描述 L 锁存位 1-11 保留 12-14 比特率编码 15 16-17 编码方式（00直接01曼彻斯特 10Biphase 11 保留 ） 18-20 调制方式（直接、PSK1、PSK2、PSK3、FSK1、FSK2、FSK1a、FSK2a） 21-22 PSK脉冲频率（RF/2、RF/4、RF/8、保留）

23 AOR 24 25-27 MAXBLK(0\1\2\3\4\5\6\7) 28 PWD 29 序列终止符ST 30 块终止符BT 31 STOP 32 保留

一、125 kHz RFID技术 e5551芯片的读工作模式 所示电压波形是e5551芯片所接谐振回路（即引脚Coil1和Coil2）两端的电压波形

1、读模式 （1）读模式时的传送数据序列 读模式时，传送数据序列从块1的第一位开始至最后一块的第32位，并循环传送。最后一块的块号 由配臵存储器的参数MAXBLK确定。 当工作于该模式时，在传送循环数据序列之前，发送的第1位为逻辑0，即e5551芯片传送的是逻辑0+循环数据序列。

一、125 kHz RFID技术 e5551芯片的写模式 １、写模式和gap 序列中的第一个gap称为起始gap。为了便于e5551 芯片的检测，在一般情况下，起始gap应长于其后的gap， 如下图： 写模式和gap

2、写数据过程 序读写器发出双位码，作为命令传送至e5551芯片， 命令的构成如下表所示： 命令 命令码 后续位构成 标准写 10 锁存位L+32位数据位+3位块地址号 口令模式 32位口令+锁存位L+32位数据位+3位块地址号 AOR唤醒模式 32位口令 直接访问 锁存位L+3位块地址号 停止STOP 11 ……

2、写数据过程 （2）编程写入（标准写）模式 标准写成功的过程

（3）口令模式 当块0的PWD=1时，为口令模式。此时，命令码后 面是32位的口令，它与存放在块7的口令从位1开始逐位 比较。如果不匹配，则不能对存储器编程，在写序列完 成后e5551芯片进入读模式（从块1开始）。 PWD AOR STOP 在Rest/POR后e5551芯片的工作模式 1 防碰撞模式 口令模式 AOR模式 标准写和直接访问模式

一、125 kHz RFID技术 e5551芯片的防碰撞技术 STOP命令 用于停止芯 片的调制， 使其进入休 眠状态，不 再向外发送 数据，直至 POR出现。

当检测到上面任何一个错误时，e5551芯片在离开写模式后立即进入读模式，从块1开始传送。 正确的位数应该是： 写序列进入期间出现的错误 在两个gap之间的时间长度错误 命令码既不是10也不是11 口令模式有效，但口令不匹配 接收到的位数不正确 当检测到上面任何一个错误时，e5551芯片在离开写模式后立即进入读模式，从块1开始传送。 正确的位数应该是： 标准写：38位；AOR唤醒命令：34位；STOP命令：2位。

编程期间出现的错误 寻址块的锁存位为1 编程电源Vpp过低

一、125 kHz RFID技术 e5551芯片的工作过程 右图给出了芯片处理各类错误的流程

一、125 kHz RFID技术 U2270B阅读器芯片 U22708B是工作于125kHz的用于读写器的集成芯片，它是电子标签和微控制器（MCU）之间的桥梁。它可以实现向电子 标签传送能量和读写操作，可与ｅ５５５x系列等电子标签 芯片配套使用。 它与微控制器的关系是，在微控制器的控制下，实现收发转换并将接收到的应答器的数据传送给微控制器

一、125 kHz RFID技术 U2270B芯片 性能 产生载波的频率范围为100 kHz~150 kHz； 在125 kHz载波频率下，典型的数据传输速率为5 kbps； 适用于采用曼彻斯特码及Biphase码调制的应答器； 电源可采用汽车蓄电池或5 V直流稳压电源； 具有可调谐的能力； 便于和微控制器接口； 可工作于低功耗模式（Standby模式）

一、125 kHz RFID技术 U2270B芯片 内部电路结构

1、供电方式 2、震荡器 电源有三种供电方式：单电源、双电源和电池供电 片内振荡器的频率可由馈入RF引脚的电流控制，频率 调节电路如图所示，通过改变电阻Rf的大小，可以 对振荡器频率进行调节。由振荡频率f0，可用下式 计算出电阻Rf。当振荡频率f0为125KHz时，电阻Rf的 阻值为110kΩ。 Rf=14375/f0(KHz)-5

3、低通滤波器 4、放大器 数据传输速率f0=125k Cgain C2的值 f0/32=3.9kbp 100nF 680nF 解调器采用包络检波解调 4、放大器 放大器的最大增 益为30，放大器的增益G和低频截 止频率fcut可由Gain引脚外接电阻 RGain调节，计算式为: G=30*Ri/(Ri+Rgain) fout=1/(2πCgain(Ri+Rgain)) Cgain值和数据传输速率有关，如下表 数据传输速率f0=125k Cgain C2的值 f0/32=3.9kbp 100nF 680nF f0/64=1.95kbps 1.2nF 220nF

5、施密特触发器 6、驱动电路 它用于对信号整形，以抑制噪声。当/OE引脚为低时， 可以使能开路集电极输出电路。 用于向天线提供能量和信息，它有两个独立的输出COIL0和 COIL1,可由MS引脚电平选择共模（MS=0,二者同相）或差分 （MS=1,二者反同相）工作模式（为增大灵敏度，通常选择差 分模式）。CFE引脚可用来控制振荡器信号的输出以便以短间 隙中断RF场的办法，实现对电阻标签的写操作。

一、125 kHz RFID技术 阅读器电路设计 基于U2270B芯片的阅读器典型电路 采用蓄电池供电方式的阅读器电路

一、125 kHz RFID技术 阅读器电路设计 基于U2270B芯片的阅读器典型电路 该电路采用蓄电池电源供电，U2270B芯片的VEXT引脚输出电压可提供微控制器作为电源 VEXT还接至晶体管BC639的基极，控制DVS的产生 Standby引脚电平由微控制器控制，可以方便地进入Standby模式，以节省蓄电池的能耗。 应答器送出的数据经U2270B芯片的Output引脚传送至微控制器。

2、振荡器控制环路 振荡器频率fosc和读写器天线电路的谐振频率fres应尽可能保持 一致。如果不能保持在一定的容限内，多应答器的使用及产品 的批量化都会遇到很多困难。此外，失谐时振荡器的调频噪声 会转换为解调电路能检测到的调幅噪声，从而降低了有效工作 距离。因而，需要采用一些调节手段来调节振荡器的频率fosc， 使其和天线电路的谐振频率fres能保持在一个误差允许范围内。 这样，天线电路的设计也就变得更为容易实现。

3、曼彻斯特码和Biphase码的软件解码 （1）基本时序关系 U2270B芯片接收通道处理后输出的Biphase码基带信 号，经Output引脚输出至微控制器的I/O端口，微控 制器通过软件程序实现对数据的读入。 微控制程序是通过对基带信号电平跳变的检测来判别 输入的数据码是0还是1，因此应根据数据传输速率来 计算基本时间参数，以确保同步和正确的解码。

（2）Biphase码的解码关系 Biphase码的解码可根据下图给出的时序关系进行。当检测下一个采样 跳变时，应在前一位确定后延时Tnext进行，Tnext可 取值为Ts2。

一、125 kHz RFID技术 阅读器电路设计 基于U2270B芯片的阅读器典型电路 具有天线谐振频率调节的电路

图中89C2051单片机为控制器，通过U2270B可完成对卡 片的读写。 在读卡时，单片机通过I/O接口，对由U2270B输入的调 制信号解调成二进制数据； 写卡也是利用I/O接口的，把二进制数据调制成两间隙 (gap)间宽度不等的脉冲，经U2270B以射频形式发射出 去。 单片机通过MAX232可完成与上位PC机的通信。此硬件 配合适当的软件可构成不同的应用系统。

二、13.56 MHz RFID技术 13.56 MHz射频存储器应答器按存储器的类型分：ROM、EEPROM两大类。 H4006（EM MICROELECTRONIC-MARIN SA公司产品）片内带有ROM类存储器，是只读应答器； MCRF355/360芯片（Microchip公司产品）集成的存储器是EEPROM，以接触式方式编程，在射频工作时为只读方式。 这两个应答器都是在应答器进入阅读器工作距离有效范围时即送出信息数据（TTF，Tag Talk First方式）。

二、13.56 MHz RFID技术 H4006芯片 工作频率范围为10~15 MHz，通常选用13.56 MHz工作频率； 片内有一个64位可编程存储器，可用于存储相关信息； 信息传输方式采用负载调制，编码为密勒码（Miller），数据传输速率为26484 bps（亦可为其他速率，但需预先选定）； 由于H4006芯片内含谐振回路的谐振电容和滤波电路的滤波电容，因而使用更方便。

二、13.56 MHz RFID技术 内部电路框图 H4006芯片电路的原理框图

二、13.56 MHz RFID技术 电感参数的设置 集成于片内的谐振电容C1（约为94.5 pF） L1电感值为1.4 μH Q值选择在30~40 信息数据输出的序列结构 序列结构组成 起始位 数据 CRC 停止位 空隙 长度 1b 64b 16b 9b

二、13.56 MHz RFID技术 CRC校验 16位CRC码的生成多项式为x16+x12+x5+1

二、13.56 MHz RFID技术 MCRF355/360芯片——Microchip 具有防碰撞能力； 采用接触式编程，编程后为只读器件； 数据传送采用曼彻斯特编码，数据时钟频率为70 kHz； 采用低功耗CMOS电路设计； 封装为PDIP或SOIC方式。

二、13.56 MHz RFID技术 工作原理 MCRF355/360芯片的内部结构

二、13.56 MHz RFID技术 编程 擦除方式的工作编码为01 1101 0100 写入方式的工作编码为01 1101 0010 读出方式的工作编码为01 1101 0110

二、13.56 MHz RFID技术 编程

二、13.56 MHz RFID技术 防碰撞技术 读多个MCRF355/360芯片的示意图

二、13.56 MHz RFID技术 MIFARE技术 非接触式与双接口IC智能射频卡主流技术为MIFARE技术 Philips推出的产品包含六个系列：MIFARE Classic，MIFARE Prox，MIFARE Ultralight，MIFARE双接口，MIFARE DESFire8，MIFARE阅读器芯片。 非接触式接口符合ISO/IEC14443 TYPE A标准，接触式接口符合ISO/IEC 7816标准

二、13.56 MHz RFID技术 MIFARE Classic 分为1 K字节 EEPROM 的 MIFARE® Standard及4 K字节 EEPROM的MIFARE® Standard 4k 以MIFARE1 IC S50系列芯片为核心 可靠性高、防碰撞能力强 一卡多用、安全性能好 卡与阅读器之间采用双向验证机制（采用三次认证技术）

二、13.56 MHz RFID技术 MIFARE1 IC S50芯片的电路组成框图

二、13.56 MHz RFID技术 PCD和M1卡之间的交互过程

二、13.56 MHz RFID技术 M1卡存储区构成 扇区0的块0是一个特殊的块，该块存储了卡的制造商代码

二、13.56 MHz RFID技术 MIFARE Prox

二、13.56 MHz RFID技术 PCD基站芯片 ISO/IEC 14443标准制定了非接触式射频卡（PICC）和阅读器（PCD）之间进行数据交换的接口标准TYPE A和TYPE B 比较常用的支持TYPE A的阅读器芯片是MF RC500（Philips Semiconductors产品）

二、13.56 MHz RFID技术 MF RC500芯片 载波频率为13.56 MHz； 集成了编码调制和解调解码的收发电路； 内部集成有并行接口控制电路，可自动检测外部微控制器（MCU）的接口类型； 具有内部地址锁存和IRQ线，可以很方便地与MCU接口； 集成有64字节的收发FIFO缓存器； 内部寄存器、命令集、加密算法可支持TYPE A标准的各项功能

二、13.56 MHz RFID技术 电路组成（参见教科书图8.3.1） 并行接口及控制电路 FIFO（先进先出）缓存器 密钥存储及加密算法（cypto1） 状态机与寄存器 数据处理电路 模拟电路（调制、解调及输出驱动电路） 电源管理 中断控制等部分组成。

二、13.56 MHz RFID技术 芯片内部寄存器配置 内部寄存器按页分配，并通过相应寻址方法获得地址； 内部寄存器共分8页，每页8个寄存器，每页的第1个寄存器称为页寄存器，用于选择该寄存器页； 内部寄存器的配置情况如书中表8.3.2所示，表中给出了页号、功能、寄存器地址（以16进制数给出）及各个页的寄存器名称。

二、13.56 MHz RFID技术 芯片各寄存器功能 每个寄存器由8位组成，具有读/写（r/w），只读（r），仅写（w）和动态（dy）4种特性。 dy属性位可由微控制器读写，也可以在执行实际命令后自动由内部状态机改变位值 r的值仅能由内部状态决定 w的值可由MCU写入但不能读出 r/w位可由MCU读写，但内部状态机只能读。

二、13.56 MHz RFID技术 EEPROM存储器 共有32块，每块16字节。 第一部分为块0，属性为只读，用于保存产品的有关信息； 第二部分为块1和块2，它们具有读/写属性，用于存放寄存器初始化启动文件； 第三部分为块3至块7，用于存放寄存器初始化文件，属性为读写； 第四部分从块8至块31，属性为只写，用于存放加密运算的密钥。

二、13.56 MHz RFID技术 FIFO缓存 用于缓存微控制器MCU与芯片之间的输入/输出数据流 写入FIFOData寄存器的字节也存入FIFO，并且内部FIFO写指针增量 从FIFOData寄存器读，得到的是FIFO读指针所指FIFO的内容，读后读指针增量 状态由PrimaryStatus、FIFOLevel、ErrorFlag、Control、FIFOLength寄存器的相关位指示

二、13.56 MHz RFID技术 中断请求 定时设置到、发送请求、接收请求、一个命令执行完、FIFO满、FIFO空 0页寄存器InterruptEn的相应位（读/写属性）用于相应中断请求的使能设置

二、13.56 MHz RFID技术 接收电路

二、13.56 MHz RFID技术 接收电路 载波（13.56 MHz）解调采用正交解调电路，所需的I和Q时钟（两者相位角差为90°）可在芯片内产生，解调器有I、Q两路输出，经增益可控放大（由寄存器RxControl 1的设置控制）和滤波后加至相关器，相关器有四路输出，可用寄存器RxControl 2的RcvClkSelI位（位7）选择I或Q时钟的相关器输出，经判决和数字化电路，判断有无位碰撞产生（根据曼彻斯特码前后半位的特性，通过RxThreShold寄存器的MinLevel和CollLevel位段的设置获得最佳效果），并送出有效的串行数据。

二、13.56 MHz RFID技术 MF RC500芯片应用电路

二、13.56 MHz RFID技术 MF RC500芯片应用电路 并行接口 初始化 寄存器地址的寻址 加密和认证

二、13.56 MHz RFID技术 MF RC500芯片天线电路设计 阅读器天线尺寸可以如下考虑：当作用距离为10 cm时，根据前面介绍的天线的最佳几何尺寸选择的算式，如果阅读器采用的是圆形天线，那么天线的半径应为10 cm，如果采用的是长方形或方形的天线，可以以圆形天线所围面积为参考进行修正。

二、13.56 MHz RFID技术 直接匹配天线 四层PCB的结构图

二、13.56 MHz RFID技术 50Ω匹配天线

二、13.56 MHz RFID技术 铁氧体屏蔽

二、13.56 MHz RFID技术 SLF9000芯片 阅读器（PCD）的专用芯片，符合ISO/IEC 14443标准 适用于接口标准TYPE A，也适用于接口标准TYPE B 载波频率为13.56 MHz，数据率为106 kbps； 支持ISO 14443标准协议； 帧长可达128字节； 硬件支持TYPE A防碰撞协议； 具有128字节的数据收发FIFO缓冲器； 错误检测采用16位CRC码； 支持TYPE A和TYPE B的编解码规范。

二、13.56 MHz RFID技术 内部电路 SLF9000芯片的内部结构

三、微波RFID技术 与HF、低频RFID技术的比较 RFID技术中微波频段通常所用频率是433 MHz，860~960 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz 工作距离：具有较远的读写距离，通常为大于1 m 耦合方式：多采用反向散射方式而不是电感耦合方式 天线：尺寸较小 防碰撞：必须有较快、有效的处理碰撞的能力 应答器功能：还可集成有传感器，例如温度传感器、应力传感器等

三、微波RFID技术 ISO/IEC空中接口标准 空中接口标准采用ISO/IEC 18000标准 ISO/IEC 18000-7是433 MHz标准 ISO/IEC 18000-6是860~930 MHz标准 ISO/IEC 18000-4是2.45 GHz标准 行业标准 EPCglobal UIC（Ubiquitous ID Center）

三、微波RFID技术 天线技术基础 作用是将发送器送来的高频电流变换为无线电波并传送到空间，或将空间传来的无线电波转变为能接收的高频电流 是一种能量转换器件 一般都是可逆的，即同一副天线既可用作接收天线，也可用作发射天线

三、微波RFID技术 基本元的辐射 天线可分割为无限多个基本元，元上载有交变的电流和磁流。 基本元上的电（磁）流的振幅、相位和方向均假设是相同的。 基本元可分为三类：电流元、磁流元和面元。 电流元上载有交变电流，称为电基本振子。 磁流元上载有交变磁流，称为磁基本振子。

三、微波RFID技术 电基本振子的辐射

三、微波RFID技术 电基本振子的场可分三种区域 近区场 ：Kr<<1 远区场 ：Kr>>1 中间区 ：介于远区和近区之间 远区场 ：Kr>>1

三、微波RFID技术 天线的电参数 效率 输入阻抗 辐射方向 主瓣宽度与副瓣 ZAin=RAin+jXAin

三、微波RFID技术 天线的电参数 方向系数 极化：在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹，分为线极化、圆极化和椭圆极化 增益系数 工作频带宽度

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 对称振子天线

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 微带天线

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 天线阵

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 平面等角螺旋天线

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 阿基米德螺旋天线

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 锥形等角螺旋天线

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 梯齿型对数周期天线

三、微波RFID技术 RFID系统常用天线 口径天线

三、微波RFID技术 微波应答器工作原理 微波应答器的基本电路组成

三、微波RFID技术 微波应答器工作原理 能量获取：①从射频能量获得；②应答器带有附加电池，但仅提供芯片运转能量，通信能量仍通过射频获得；③所带电池提供芯片运转和通信所需的能量。 信息传送方式 ：基于反向散射原理的反射调制

三、微波RFID技术 无源应答器芯片XRA00——ST（意法半导体 ） 工作在UHF的无源RFID应答器集成电路芯片 符合EPCglobal Class 1规范 载波频率范围从860 MHz到960 MHz，覆盖了北美、欧洲以及其他地区国家的频率使用规范 接收信号是异步脉宽调制（PWM）的50%到100%ASK调制信号（数据速率为15 kbps到70 kbps），应答为FSK位编码反射调制信号（数据速率为30 kbps到140 kbps） 内含带锁存的128位EEPROM（包括96位的EPC编码位） 提供了KILL命令，具有自毁功能 典型编程时间为30 ms 可循环擦写1万次以上，数据可保存40年以上。

三、微波RFID技术 XRA00芯片的基本结构框图

三、微波RFID技术 来自阅读器的请求帧 数据0和1 二进脉冲和二进响应窗

三、微波RFID技术 XRA00芯片的应答帧 应答帧的时序和格式 数据0和1的编码

三、微波RFID技术 XRA00芯片的状态和转换

三、微波RFID技术 主动式应答器设计 基于MSP430F2012和IA4420的主动式应答器