RFID系統讀寫器與電子標簽硬件結構分析

徐麗萍

（南京工業職業技術學院 能源與電氣工程學院，江蘇 南京 210046）

0 引言

射頻識別（RFID）技術，是一種利用射頻通信方式實現的非接觸式自動識別技術[1]。射頻識別系統包含電子標簽(Tag)、讀寫器(Reader)和數據管理處理單元3部分組成[2]。電子標簽中保存有約定格式的電子數據，讀寫器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。

RFID讀寫器通過天線耦合實現射頻信號的空間耦合，在耦合通道根據時序關系實現能量的傳遞、信息的交換。一般讀寫器先發送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入磁場時產生感應電流獲得能量并做出應答，讀寫器讀取電子標簽自身編碼等信息并解碼后送至電腦主機進行有關處理[3-4]。

1 讀寫器硬件結構分析

讀寫器硬件結構框圖[5]如圖 1所示，由射頻電路模塊和基帶電路模塊構成。

1.1 射頻電路模塊

射頻電路模塊框圖如圖2所示，射頻電路模塊除了產生高頻信號激活電子標簽，給電子標簽提供能量外，還包括兩個獨立的收發通道，將按照協議編好的基帶信號進行調制并通過天線發送給電子標簽，接收并解調電子標簽反饋的微弱的背向散射高頻信號并將高頻信號還原成基帶信號。

圖1 讀寫器硬件結構框

圖2 讀寫器射頻電路框

1.2 基帶電路模塊

基帶電路框圖[5]如圖3所示，由微處理器+ASIC模塊構成。ASIC模塊專門處理信號的編碼、解碼及加密等處理?；鶐щ娐穼崿F與應用軟件通信，完成信號采集處理、運算、編碼、解碼和校驗，執行反碰撞協議算法，對讀寫器與電子標簽之間收發數據進行認證、加密和解密等。

圖3 讀寫器基帶電路框

應用軟件與基帶電路之間數據交換可通過USB、RS232、485和以太網接口，基帶電路輸出到射頻接口的信號是二進制數字信號，射頻電路輸出到天線的信號一般受二進制數字信號ASK調制的模擬信號。

2 電子標簽硬件結構分析

在 RFID系統中電子標簽是一種被動設備，電子標簽一般可分為帶存儲功能的電子標簽和帶微處理器的可編程的電子標簽。對基于 ISO/IEC18000-6B 協議的電子標簽，內部存儲容量為2 048 bit，即256字節，其對應地址為 0～255[6]。

2.1 帶存儲功能的電子標簽

帶存儲功能的電子標簽硬件結構框圖[7]如圖4所示。由HF接口電路、地址和安全邏輯形成電路、存儲器RAM、ROM、EEPROM、FRAM等部分構成。

HF接口為電子標簽提供能量，實現電子標簽與讀寫器之間的高頻傳輸通道以及電子標簽的數字電路。地址和安全邏輯電路是電子標簽的主要部分，它控制整個芯片的處理進程。專用 IO 寄存器完成與讀寫器數據交換，加密單元完成授權、數據加密及密匙管理等功能。數據存儲器主要包括 ROM 、EEPROM或 FRAM，ROM主要存放永久數據如序列號，EEPROM 或 FRAM連接芯片內部狀態機的地址線和數據線。所有程序的運行是受狀態機控制，而且程序一旦確定就被固定在芯片中，不能改變。

圖4 帶存儲功能的電子標簽硬件結構框

2.2 帶微處理器電子標簽

帶微處理器電子標簽硬件結構框圖[7]如圖 5所示。由微控制器+協處理器構成，協處理器進行加密算法處理。操作系統完成電子標簽接收和發送數據轉換、命令控制、文件管理及加密算法，在芯片的制作階段操作系統程序模塊寫在 ROM 代碼段，成為芯片的一部分。操作系統命令處理順序是：通過HF接口接收讀寫器發送的命令——IO管理器進行錯誤識別——安全信息管理器通過解密及核查接收一個無錯命令——高級別命令解釋器開始對命令進行解碼——若不能完成命令解碼——返回碼管理器將通過IO管理器發送一個返回碼返回給讀寫器。通過對電子標簽中的內存信息經過加密散列(hash)計算后存儲，可以有效防止標簽偽造[8]。

圖5 帶微處理器電子標簽硬件結構框

3 結語

讀寫器和電子標簽是 RFID系統兩個重要組成部分，在 RFID系統中，讀寫器在數據管理處理單元與電子標簽之間架起了一座橋梁[9]，讀寫器的頻率決定了射頻識別系統的工作頻段，讀寫器的功率直接影響了射頻識別的距離。當然 RFID系統除了以上談到的讀寫器、電子標簽之外，還牽涉到軟件、天線、系統中間件、系統可靠性等技術。

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