射頻識別技術原理分析
2015-08-24
射頻識別(RFID)技術相對于傳統的磁卡及IC卡技術具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點，在最近幾年里得到快速發展。為加強中國工程師對該技術的理解，本文詳細介紹了RFID技術的工作原理、分類、標準以及相關應用。
RFID技術利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的。與傳統的條型碼、磁卡及IC卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環境影響、壽命長、便于使用的特點和具有防沖突功能，能同時處理多張卡片。在國外，射頻識別技術已被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。
系統組成和工作原理
最基本的RFID系統由三部分組成：
1. 標簽(Tag，即射頻卡)：由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線間進行通信。
2. 閱讀器：讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標簽信息的設備。
3. 天線：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。
有些系統還通過閱讀器的RS232或RS485接口與外部計算機(上位機主系統)連接，進行數據交換。
系統的基本工作流程是：閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去；系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。
在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數據傳輸方法(負載調制、反向散射、高次諧波)以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設計構造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。高頻接口包含發送器和接收器，其功能包括：產生高頻發射功率以啟動射頻卡并提供能量；對發射信號進行調制，用于將數據傳送給射頻卡；接收并解調來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統的高頻接口設計具有一些差異，電感耦合系統的高頻接口原理圖如圖1所示。
射頻識別系統的讀寫距離是一個很關鍵的參數。目前，長距離射頻識別系統的價格還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的RF輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和射頻卡的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發送信息的能量等。大多數系統的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%～80%。
射頻卡的標準及分類
目前生產RFID產品的很多公司都采用自己的標準，國際上還沒有統一的標準。目前，可供射頻卡使用的幾種標準有ISO10536、ISO14443、 ISO15693和ISO18OOO。應用最多的是ISO14443和ISO15693，這兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協議四部分組成。
按照不同得方式，射頻卡有以下幾種分類：
1. 按供電方式分為有源卡和無源卡。有源是指卡內有電池提供電源，其作用距離較遠，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環境下工作；無源卡內無電池，它利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉化為直流電源為卡內電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環境要求不高。
2. 按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125kHz和134.2kHz兩種，中頻射頻卡頻率主要為13.56MHz，高頻射頻卡主要為433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低頻系統主要用于短距離、低成本的應用中，如多數的門禁控制、校園卡、動物監管、貨物跟蹤等。中頻系統用于門禁控制和需傳送大量數據的應用系統；高頻系統應用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合，其天線波束方向較窄且價格較高，在火車監控、高速公路收費等系統中應用。
3. 按調制方式的不同可分為主動式和被動式。主動式射頻卡用自身的射頻能量主動地發送數據給讀寫器；被動式射頻卡使用調制散射方式發射數據，它必須利用讀寫器的載波來調制自己的信號，該類技術適合用在門禁或交通應用中，因為讀寫器可以確保只激活一定范圍之內的射頻卡。在有障礙物的情況下，用調制散射方式，讀寫器的能量必須來去穿過障礙物兩次。而主動方式的射頻卡發射的信號僅穿過障礙物一次，因此主動方式工作的射頻卡主要用于有障礙物的應用中，距離更遠(可達 30米)。
4. 按作用距離可分為密耦合卡(作用距離小于1厘米)、近耦合卡(作用距離小于15厘米)、疏耦合卡(作用距離約1米)和遠距離卡(作用距離從1米到10米，甚至更遠)。
5. 按芯片分為只讀卡、讀寫卡和CPU卡。
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