硬学|谈谈RFID技术

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　　RFID简介

　　射频标签是产品电子代码(EPC)的物理载体，附着于可跟踪的物品上，可全球流通并对其进行识别和读写。RFID(Radio Frequency Identification)技术作为构建"物联网" 的关键技术近年来受到人们的关注。

　　射频识别(RFID)是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。

　　无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池;也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波(调成无线电频率的电磁场)。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。

　　RFID电子标签的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。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。

　　标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象;

　　读写器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式;

　　天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。

　　图一：RFID系统原理图

　　无源RFID产品发展最早，也是发展最成熟，市场应用最广的产品。比如，公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，这个在我们的日常生活中随处可见，属于近距离接触式识别类。其产品的主要工作频率有低频125KHZ、高频13.56MHZ、超高频433MHZ，超高频915MHZ。

　　有源RFID产品，是最近几年慢慢发展起来的，其远距离自动识别的特性，决定了其巨大的应用空间和市场潜质。在远距离自动识别领域，如智能监狱，智能医院，智能停车场，智能交通，智慧城市，智慧地球及物联网等领域有重大应用。有源RFID在这个领域异军突起，属于远距离自动识别类。产品主要工作频率有超高频433MHZ，微波2.4GHZ和5.8GHZ。

　　空中接口通信协议规范读写器与电子标签之间信息交互，目的是为不同厂家生产设备之间的互联互通性。ISO/IEC制定五种频段的空中接口协议。

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　　无源RFID设计案例

　　在当前的技术应用中，应用最多最广泛的还是无源RFID的产品。在许多应用到无源RFID的电路设计中，很多情况下是选用13.56MHZ的RC522模块，这是一款应用广泛的无源RFID模块。对于RC522的应用电路，是使用3V3的直流电源供电，然后将接收到的信息通过SPI接口进行通信。应用原理图如下图二所示：

　　图二：RC522应用原理图

　　13.56MHZ天线电路包括信号接收电路和信号发射电路，信号发射电路分为EMC滤波部分、匹配电路部分和线圈电路部分。

　　发射电路：信号发射部分可细分为EMC滤波电路、谐振与阻抗匹配电路、线圈三部分。其中：

　　EMC滤波电路：主要是由LC低通滤波电路组成低通滤波器，读卡芯片经由TX1和TX2送出的天线信号主要是13.56Mhz，但是不可避免也会有高次谐波存在。所以该部分的低通滤波器主要作用就是滤除高于13.56Mhz的无用信号。这样即有利于读卡器与卡片之间的正常通信，也能减少天线部分对空间或者附近电路的电磁干扰。

　　匹配电路：此部分主要是调整整个天线发射部分的谐振频率点到13.56Mhz附近，这样可以使得线圈上的信号幅度增加有利于磁场辐射。另外匹配电路还要将发射部分电路的电阻匹配到与读卡芯片的输出电阻附件，典型的是50欧姆(不同芯片不一样)。这样可以使得天线部分获得最大功率有利于读卡距离提升。

　　线圈：线圈可以是PCB线圈或者铜线绕制线圈。

　　接收电路：信号接收电路比较简单，由四个元器件构成，Cmin电容可稳定读卡芯片内部提供的固定参考电压Vmin，R1则将此参考电压引入到RX引脚，为芯片的接收信号添加固定直流电平，CRx则从发生电路引入反馈信号与Vmin叠加后送入芯片内部。通过调节R2和R1的比值可以调节Rx脚信号的幅度，使得芯片的读卡距离最佳。

　　在PCB设计时还要注意以下几点：

　　整个发射部分电路一定要注意对称设计，从Tx1和Tx2出来的两路信号的走线长度尽量做到一致。

　　两只电感应该用0805以上的封装，以保证有足够的电流通过(680nH/0805)，否则不利于远距离读卡。

　　PCB线圈的长宽视具体情况而定，如果电路板不受模具限制可设计为与普通卡片长宽一致，如果线圈大小受限制也可减小线圈面积。一般原则是设计为与所读的卡片大小一致最好;再说线圈的圈数问题，长宽在3x3cm以上4圈即可，过多反而不好调整参数。如果是在3x3cm以下可以将圈数增加至6圈或者更多;PCB线圈走线宽度在0.5mm~1mm之间，间距与线宽相同即可，另外线圈拐角以圆弧过渡最好。

　　线圈部分，不可大面积敷铜，否则会引起磁场涡流效应造成能量严重损耗要注意线圈作用范围内(线圈周围全部空间)不可有大面积的金属元件、金属物体、金属镀膜等。

　　整个发射电路所有器件的地必须连接到同一根地线上并且返回芯片的TVSS脚，且天线电路器件附近不可大面积覆铜，器件之间以导线连接。

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　　总结

　　在物联网技术不断发展的这个时代，RFID作为一个物联网中采用的感知层技术，与物联网有着不解之缘。近年来，RFID技术也极大地增加物联网的功能，丰富了物联网的内涵，物联网的发展也推动了RFID技术的发展应用，如针对生鲜物品、药物等“物”对物联网提出的特殊要求，RFID标签不但能够提供商品的静态信息，还能提供商品所在位置以及周围的温度、湿度等动态信息，大大提高了RFID标签的智变度。目前采用RFID感知层的物联网已实现了“人与人”通信与“人与物”通信，但要在未来的物联网中要实现“物与物”通信与互动，必须提升装在“物”上使“物”智能化的RFID标签的智能化水平。此外，标准化、互操作性、协议、法规以及连接技术等，仍有待提升和完善。