电子标签的原理应用～
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发布时间：2022-04-23 10:46
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时间：2023-07-04 23:54
RFID
RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签。
什么是RFID技术？
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。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。
埃森哲实验室首席科学家弗格森认为RFID是一种突破性的技术："第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。"
什么是RFID的基本组成部分？
最基本的RFID系统由三部分组成：
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；
阅读器(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。
一套完整的系统还需具备：数据传输和处理系统。
RFID技术的基本工作原理是什么？
RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至*信息系统进行有关数据处理。
什么是RFID中间件？
RFID是2005年建议企业可考虑引入的十大策略技术之一，而 中间 件（Middleware）可称为是RFID运作的中枢，因为它可以加速关键应用的问世。
RFID产业潜力无穷，应用的范围遍及制造、物流、医疗、运输、零售、国防等等。Gartner Group认为，RFID是2005年建议企业可考虑引入的十大策略技术之一，然而其成功之关键除了标签（Tag）的价格、天线的设计、波段的标准化、设备的认证之外，最重要的是要有关键的应用软件（Killer Application），才能迅速推广。而 中间件（Middleware）可称为是RFID运作的中枢，因为它可以加速关键应用的问世。
是什么让零售商如此推崇RFID？
据Sanford C. Bernstein公司的零售业分析师估计，通过采用RFID，沃尔玛每年可以节省83.5亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。尽管另外一些分析师认为80亿美元这个数字过于乐观，但毫无疑问，RFID有助于解决零售业两个最大的难题：商品断货和损耗（因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品），而现在单是盗窃一项，沃尔玛一年的损失就差不多有20亿美元，如果一家合法企业的营业额能达到这个数字，就可以在美国1000家最大企业的排行榜中名列第694位。研究机构估计，这种RFID技术能够帮助把失窃和存货水平降低25%。
RFID技术的典型应用是什么？
物流和供应管理
生产制造和装配
航空行李处理
邮件/快运包裹处理
文档追踪/图书馆管理
动物身份标识
运动计时
门禁控制/电子门票
道路自动收费
无源RFID标签结构组成以及工作原理
无源RFID标签本身不带电池，依靠读卡器发送的电磁能量工作。由于它结构简单、经济实用，因而获得广泛的应用。无源RFID标签由RFID IC、谐振电容C和天线L组成，天线与电容组成谐振回路，调谐在读卡器的载波频率，以获得最佳性能。
生产厂商大多遵循国际电信联盟的规范，RFID使用的频率有6种，分别为135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz（即UHF）、2.45GHz以及5.8GHz。无源RFID主要使用前二种频率。
RFID标签结构
RFID标签天线有两种天线形式：（1）线绕电感天线；（2）在介质基板上压印或印刷刻腐的盘旋状天线。天线形式由载波频率、标签封装形式、性能和组装成本等因素决定。例如，频率小于400KHz时需要mH级电感量，这类天线只能用线绕电感制作；频率在4~30MHz时，仅需几个礖，几圈线绕电感就可以，或使用介质基板上的刻腐天线。
选择天线后，下一步就是如何将硅IC贴接在天线上。IC贴接也有两种基本方法：（1）使用板上芯片（COB）；（2）裸芯片直接贴接在天线上。前者常用于线绕天线；而后者用于刻腐天线。CIB是将谐振电容和RFID IC一起封装在同一个管壳中，天线则用烙铁或熔焊工艺连接在COB的2个外接端了上。由于大多数COB用于ISO卡，一种符合ISO标准厚度（0.76）规格的卡，因此COB的典型厚度约为0.4mm。两种常见的COB封装形式是IST采用的IOA2（MOA2）和美国HEI公司采用的WorldⅡ。
裸芯片直接贴接减少了中间步骤，广泛地用于低成本和大批量应用。直接贴接也有两种方法可供选择，（1）引线焊接；（2）倒装工艺。采用倒装工艺时，芯片焊盘上需制作专门的焊球，材料是金的，高度约25祄，然后将焊球倒装在天线的印制走线上。引线焊接工艺较简单，裸芯片直接用引线焊接在天线上，焊接区再用黑色环氧树脂密封。对小批量生产，这种工艺的成本较低；而对于大批量生产，最好采有倒装工艺。
基本工作原理
无线RFID标签的性能受标签大小，调制形式、电路Q值、器件功耗以及调制深度的极大影响。下面简要地介绍它的工作原理。
RFID IC内部备有一个154位存储器，用以存储标签数据。IC内部还有一个通导电阻极低的调制门控管（CMOS），以一定频率工作。当读卡器发射电磁波，使标签天线电感式电压达到VPP时，器件工作，以曼彻斯特格式将数据发送回去。
数据发送是通过调谐与去调谐外部谐振回路来完成的。具体过程如下：当数据为逻辑高电平时，门控管截止，将调谐电路调谐于读卡器的截波频率，这就是调谐状态，感应电压达到最大值。如此进行，调谐与去调谐在标签线圈上产生一个幅度调制信号，读卡器检测电压波形包络，就能重构来自标签的数据信号。
门控管的开关频率为70KHz，完成全部154位数据约需2.2ms。在发送完全部数据后，器件进入100 ms的休眠模式。当一个标签进入休眠模式时，读卡器可以去读取其它标签的数据，不会产生任何数据冲突。当然，这个功能受到下列因素的影响：标签至读卡器的距离、两者的方位、标签的移动以及标签的空间分布。
设计实例
MCRF 355/360是Microchip公司生产的13.56MHz器件。355既可用于COB，也可用于直接贴接；而360内部有1个100pf电容，只需外部电感。该器件近乎以100%调制发送数据，调制深度决定了标签的线圈电压从“高”至“低”的变化，亦即区分调谐状态和去调谐状态。
外接元件值通常在三分之一至二分之一处优化。例如，在天线A与天线B之间电感线圈是3圈的话，那未天线B至VSS之间为1圈。当MCRF 355制作成COB时，内置2个串联的68Pf相同电容。电容C1连接在天线A至天线B之间，C2在天线B至VSS之间。
为了达到设计的性能，标签应准确地调谐在读卡器的载波频率。然而使用的元件总会有偏差的，引起读数距离的变化。电感的误差可控制在1~2%以内，因此读数距离主要由电容误差引起的。外接电容的误差应在5%以内，Q值大于100。MCRF360R的内部电容是用氧化硅制作的，同一硅片上的误差在5%以内，而不同批次的误差在10%左右。
MCRF355/360的存储器数据可以托付生产厂在出厂前编程好，也可以在现场用接触式编程器编程.
RFID工作频率指南和典型应用 （1）
不同频段的RFID产品会有不同的特性，本文详细介绍了无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。
目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和甚高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品,而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。
一、低频(从125KHz到134KHz)
其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作, 也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用.通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用. 磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。
特性：
1. 工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz, TI 的工作频率为134.2KHz。该频段的波长大约为2500m.
2. 除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。
3. 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可*。
4．低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。
5．虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。
6．相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。
7．感应器的价格相对与其他频段来说要贵。
主要应用：
1． 畜牧业的管理系统
2． 汽车防盗和无钥匙开门系统的应用
3． 马拉松赛跑系统的应用
4． 自动停车场收费和车辆管理系统
5． 自动加油系统的应用
6． 酒店门锁系统的应用
7． 门禁和安全管理系统
符合的国际标准：
a) ISO 11784 RFID畜牧业的应用－编码结构
b) ISO 11785 RFID畜牧业的应用－技术理论
c) ISO 14223-1 RFID畜牧业的应用－空气接口
d) ISO 14223-2 RFID畜牧业的应用－协议定义
e) ISO 18000-2 定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议
f) DIN 30745 主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准
二、高频(工作频率为13.56MHz)
在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式 的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。
特性：
1. 工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。
2. 除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。感应器需要离开金属一段距离。
3. 该频段在全球都得到认可并没有特殊的*。
4. 感应器一般以电子标签的形式。
5. 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。
6. 该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。
7. 可以把某些数据信息写入标签中。
8. 数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。
主要应用：
1． 图书管理系统的应用
2． 瓦斯钢瓶的管理应用
3． 服装生产线和物流系统的管理和应用
4． 三表预收费系统
5． 酒店门锁的管理和应用
6． 大型会议人员通道系统
7． 固定资产的管理系统
8． 医药物流系统的管理和应用
9． 智能货架的管理
符合的国际标准：
a) ISO/IEC 14443 近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm.
b) ISO/IEC 15693 疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m.
c) ISO/IEC 18000-3 该标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议。
d) 13.56MHz ISM Band Class 1 定义13.56MHz符合EPC的接口定义。
三、甚高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)
甚高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。
特性：
1． 在该频段，全球的定义不是很相同－欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz，北美定义的频段为902到905MHz之间，在日本建议的频段为950到956之间。该频段的波长大概为30cm左右。
2． 目前，该频段功率输出目前统一的定义(美国定义为4W，欧洲定义为500mW)。 可能欧洲*会上升到2W EIRP。
3． 甚高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开来。
4． 电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。
5． 该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。
6． 有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。
主要应用：
1． 供应链上的管理和应用
2． 生产线自动化的管理和应用
3． 航空包裹的管理和应用
4． 集装箱的管理和应用
5． 铁路包裹的管理和应用
6． 后勤管理系统的应用
符合的国际标准：
a) ISO/IEC 18000-6 定义了甚高频的物理层和通讯协议；空气接口定义了Type A和Type B两部分；支持可读和可写操作。
b) EPCglobal 定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议。例如：Class 0, Class 1, UHF Gen2。
c) Ubiquitous ID 日本的组织，定义了UID编码结构和通信管理协议。
在将来，甚高频的产品会得到大量的应用。例如WalMart, Tesco, 美国国防部和麦德龙超市都会在它们的供应链上应用RFID技术。
四、有源RFID技术（2.45GHz、5.8G）
有源RFID具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大,可靠性高和兼容性好等特点,与无源RFID相比,在技术上的优势非常明显。被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。
射频识别系统 RFID system
由射频标签、识读器和计算机网络组成的自动识别系统。通常，识读器在一个区域发射能量形成电磁场，射频标签经过这个区域时检测到识读器的信号后发送存储的数据，识读器接收射频标签发送的信号，解码并校验数据的准确性以达到识别的目的。
参考资料：http://www.chuandong.com/cdbbs/2008-1/31/0813131D338C36.html
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