简易读写器设计程飞.docx

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简易读写器设计程飞

成绩

课程设计说明书

课程设计名称：

计算机网络通信综合设计

题目：

RFID技术的应用设计

学生姓名：

程飞

专业：

信息工程

学号：

312007*********

指导教师：

李斌

日期：

2010年12月29日

RFID技术的应用设计

摘要：

RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。

　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。

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。

本次设计主要是应用RFID技术设计一个简易的读写器，对RFID中间件技术的概念、原理、功能、系统结构和标准等进行了研究。

应用RFID专用芯片EM4095设计出了一个低频简易读写器的原理图。

关键词：

射频识别；电子标签；简易读写器。

Abstract：

RadioFrequencyIdentificationRFIDistheacronymforradiofrequencyidentification,commonlyknownasRFID.RadioFrequencyIdentificationRFIDisanon-contactautomaticidentificationtechnology,radiofrequencysignalthroughtheautomatictargetrecognitionandaccesstorelevantdata,toidentifyworkwithouthumanintervention,canworkinavarietyofharshenvironments.RFIDtechnologycanidentifythehigh-speedmovingobjectscanalsoidentifymultipletags,theoperationquicklyandconveniently.

RFIDisadisruptivetechnology:

"First,theindividualcanidentifyveryspecificobjects,ratherthanbarcodesthatcanidentifyaclassofobjects;Second,theuseofradiofrequency,canbereadthroughexternalmaterials,andmustrelyonthelasertoreadbarcodeinformation;Third,multipleobjectscanberead,andthebarcodecanonlybereadonebyone.TheapplicationofRFIDtechnologydesignedprimarilytodesignasimplereaderandwriterforRFIDmiddlewaretechnologyconcepts,principles,function,systemstructureandstandardswerestudied.ASICEM4095RFIDapplicationsdesignedasimpleschematicofthereader.

Keywords：

RadioFrequencyIdentification;Tag;SimpleReaderandWriter。

目录

1前言1

1.1课题的背景与目的2

1.2RFID技术的介绍2

1.3我国RFID技术应用领域分析2

2射频识别技术的相关标准4

3不同频段RFID系统分析7

4总体方案设计8

4.1设计内容8

4.2方案比较8

4.3方案选择与论证9

5单元模块电路简介与设计10

5.1晶体振荡电路模块10

5.2程序串口下载电路模块10

5.3电源电路模块11

5.4实时时钟电路模块与数据存储模块12

5.5射频模块13

5.6微控制器模块16

6设计总结17

6.1设计总结17

6.2设计收获17

7致谢18

8参考文献19

附录一：

简易读写器原理图20

1前言

RFID技术是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，是自动识别技术在无线电技术方面的具体应用和发展。

技术的核心内容是，通过采用一些先进的技术手段，实现人们对不同条件（移动、静止或恶劣环境）下的实体对象（包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装、生产零部件以及设施设备、人员、生物体等）的电子标示（ID）自动进行识别和管理。

射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段，完成非接触式双向通信，获取相关数据的一种自动识别技术。

射频识别卡最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。

RFID技术并不是全新的技术，其应用最早可以追溯到第二次世界大战时期英国空军基地的军事设施上。

近年来随着微电子、计算机和网络技术的发展，RFID技术的应用范围和深度都得到了迅速地发展。

美国在伊拉克战争中对RFID技术的成功应用，以及全球有影响的大企业计划未来几年里在零售商店和货栈开始使用RFID系统，使得该技术现在迅速成为全球瞩目的焦点，并被列为21世纪最有前途的重要产业和应用技术之一。

 作为快速、准确地采集与处理ID信息的这项技术，因其具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签数据可加密、存储数据容量大、存储信息更改自如等优点，所以在生产制造、交通运输、流通零售、物流与供应链、安全防伪、人员和动物跟踪以及监管等方面都具有广阔的应用前景，现已逐渐成为企业提高物流供应链管理水平，降低成本，企业管理信息化、参与国际经济大循环、增强企业核心竞争力的不可缺少的工具和手段。

RFID技术作为我国一种新兴的自动识别技术，除了政府着手制定政策并采取有效措施，引导、支持相关技术产品研发，积极拓展RFID应用领域，实施示范工程之外，还有为数众多的企业投入了大量的人力、物力和财力用于RFID产品研发和应用拓展。

目前，我国RFID标准正在制定，该技术的应用正在向日常生活和工作的各个方面快速渗透。

RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。

目前已经发布或者是正在制订中的标准主要是与数据采集相关的，主要有电子标签与读写器之间的空中接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、RFID电子标签与读写器的性能和一致性测试规范以及RFID电子标签的数据内容编码标准等。

1.1课题的背景与目的

RFID技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了射频技术，还包含了射频技术、密码学、通信原理和半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。

因此，对RFID技术的认识和研究具有深远的理论意义。

随着21世纪数字化时代的到来，基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求，RFID技术智能管理系统将在各个领域中发挥巨大的作用。

RFID技术正在成为一个新的经济增长点，在全球范围内蔓延开来，研究开发RFID技术有着巨大的经济效益和社会意义。

1.2RFID技术的介绍

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。

　　电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。

阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。

通常阅读器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。

与传统的识别方式相比，RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷。

能够广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域，并且认为是条形码标签的未来代替品。

通常阅读器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率，从工作频率来看，可以分为低频（125KHz~135KHz）,高频（13.56MHz），超高频（UHF，868MHz~928MHz）,微波（2.45GHz,5.8GHz）等几大类。

1.3我国RFID技术应用领域分析

RFID技术作为未来最有前途的信息技术之一，近些年得到了全世界的高度重视。

RFID技术作为我国一种新兴的自动识别技术，除了政府着手制定政策并采取有效措施，引导、支持相关技术产品研发，积极拓展RFID应用领域，实施示范工程之外还有为数众多的企业投入了大量的人力、物力和财力用于RFID产品研发和应用拓展。

目前我国RFID标准正在制定，该技术的应用正在向日常生活和工作的各个方面快速渗透。

2005年，我国RFID技术的应用开始进入理性阶段，务实成为最大特点。

本文试图从RFID技术在我国的应用领域、频段实用、市场状况、发展特征以及应用中所面临的问题等对我国RFID技术的应用进行多方位的分析，为该技术的应用和推广提供参考性的策略和建议。

我国RFID技术应用领域分析　目前RFID技术在我国比较典型的应用主要有防伪、工业自动化、交通信息化管理、物流与供应链管理等几个方面。

　　在仿伪领域，RFID技术主要应用于各类电子票证、身份鉴别、特殊商品防伪等。

目前，在交通信息化方面的应用主要是城市“公交——卡通”工程、公路和铁路的调度和统计系统，以及高速公路的不停车收费系统、智能化停车场等。

“公交——卡通”工程使用非接触式IC卡作为地铁、出租、公交的电子车票，电子标签使用13.56MHz频率下的ISO/LEC14443标准，交易便捷，快速通过，可靠性高，而且越来越多的城市正在为准备使用的电子车票增加更多的功能。

　　RFID技术在全网通讯、民航行李和邮政速递包裹管理、图书和文档管理、医药卫生、食品安全、检验检疫、港口生产、海关监管、汽车防盗、车辆管理、货物（危险品）和动物体以及人员的追踪管理与监控、运动计时、资产管理等方面也有所应用，其它一些新的应用也在不断开拓。

尽管现在我国RFID技术的应用已经从前两年较为少见发展到在很多领域均可见到，但总体来说仍处于初级阶段，其主要标志是规模化的行业应用较少，成功案例不是很多。

与发达国家相比，我国在RFID技术的应用上还处于发展初期．特别是超高频应用方面基础薄弱、应用分散和缺乏规模优势，没有掌握芯片设计制造、天线设计、封装技术及装备等核心技术。

目前，由于RFID无论是设备成本还是系统导入成本均比较高，用户希望通过采用新系统来实现降低成本、带来实际收益的愿望要最终实现还存在一定难度。

故目前的应用普遍存在于以提升管理的信息化水平为主要目的对价格不敏感的行业或组织。

　因为低频、高频RFID技术门槛较低、参与的企业多、产品应用成本较低，所以这两个频段的RFID技术有着良好的应用，进来得到了充分发展，应用也趋于成熟并得以全面推广，其市场占有率达到80%以上，主要应用为电子票证．不过产品同质化十分严重。

而超高频RFID技术因为门槛略高，再加上相关的工作频率标准没有确定，涉足的企业相对少，产品应用成本高，因此该频段的RFID技术应用相对滞后，其市场占有率还不到10%，有待于进一步发展，但是由于其在高速度、远距离识别应用中有低频、高频无法比拟的优势．超高频的应用现在正在快速增长。

2射频识别技术的相关标准

RFID技术由Auto-ID中心开发，其应用形式为标记（tag）、卡和标签（label）设备。

标记设备由RFID芯片和天线组成，标记类型分为三种：

自动式，半被动式和被动式。

现在市场上开发的基本上是被动式RFID标记，因为这类设备造价较低，且易于配置。

被动标记设备运用无线电波进行操作和通信，信号必须在识别器允许的范围内，通常是10英尺（约3米）。

这类标记适合于短距离信息识别，如一次性剃须刀或可移动刀片包装盒这类小商品。

RFID芯片可以是只读的，也可是读/写方式，依据应用需求决定。

被动式标记设备采用E2PROM（电擦写可编程只读存储器），便于运用特定电子处理设备往上面写数据。

一般标记设备在出厂时都设定为只读方式。

Auto-ID规范中还包含有死锁命令，以在适当情形下阻止跟踪进程。

从身份识别到货品运送甚至食品追踪，无线射频识别标签（RFID）已经慢慢走进了平常百姓的生活，也创造出一个快速成长的市场。

IDTechEx预测2006年全球RFID市场规模将达到27.1亿美元，而这一数字将在2016年攀升至262.3亿美元。

作为自动识别领域最具发展潜力的技术趋势，RFID市场正在创造出巨大的商业价值。

RFID技术最早应用在军事领域，比如美国海军部选择与著名RFID生产商Zebra合作，通过使用RFID技术提高其海上和陆地供应链、物流、维护、原材料管理、仓库管理。

目前RFID技术的应用十分广泛，特别是在物流、货物收发、仓储、以及制造行业供应链管理等领域，RFID技术具有广阔的应用前景。

在过去几年中，对RFID技术最主要的推动力量还是来自政府以及大型企业，全球最大零售商沃尔玛（Wal-Mart）要求其供应商采用RFID技术，更加扩大了这一技术在全球制造企业中的影响力。

全球现状：

多标准并存竞争激烈虽然目前RFID还未形成统一的全球标准，市场中多种标准并存，但制定统一的RFID标准已经得到业界认可。

RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。

目前已经发布或者正在制定中的标准主要与数据采集相关，其中包括电子标签与读写器之间的接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范以及RFID标签的数据内容编码标准等。

谁也不愿放弃RFID这个酝酿巨大商机的市场，而在RFID标签的数据内容编码领域，各路标准竞争最为激烈。

目前全球共有五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。

其中EPCGlobal是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立，在全球拥有上百家成员，并且得到了零售巨头沃尔玛、制造业巨头强生、宝洁等大型企业的强力支持。

而AIM、ISO、UID则代表一部分欧美国家以及日本对RFID标准的争夺；IP-X的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主，比较而言，EPCGlobal得到更多厂商的认可和支持。

EPC标准是由EPCglobal针对全球产品识别建立的标准体系，可以为单一产品标记唯一标识，从而达到区分产品的目的，目前已经在RFID系统中得到广泛应用和采纳。

在自动识别和数据采集系统方面，EPC系统定义了产生特殊ID识别号码的数据结构，并且还定义了读取器进行标签通讯以及标签（或读取器子系统）性能的技术规范。

EPC系统为每个标签分配一个ID识别号来识别产品。

EPC代码可以作为序列号或者数码出生证明，并且可用于从相似的产品中区分单个产品（可以是货盘、货箱、纸箱或个别产品）。

EPC是一种“牌照代码”，其中的数据未描述产品及其拥有者，而只是为存储信息的数据库提供了个体查询识别符，就像汽车的牌照一样。

作为一种公开标准，EPC可以规范供应商开发产品的技术标准，开发标签以及读取器等等产品，有利于未来的部署工作。

而客户不仅可以拥有更大的选择空间，在未来系统升级时，可以确保不同产品和系统之间的兼容，保证投资效果的最大化。

比如目前由通用、福特、克莱斯勒等200多家汽车厂商组成的AIAG（TheAutomotiveIndustryActionGroup，汽车工业行动集团）就考虑采用EPC标准来统一汽车市场标准。

Zebra技术公司是提供按需式条形码标签方案的领先厂商，这种优势已扩展至射频识别技术当中。

Zebra是引进射频识别打印机/编码器的首家公司，该产品可以同时打印条形码标签并对内嵌的射频识别芯片进行编码，从而生成智能标签，目前Zebra智能标签打印机/编码器已在五大洲的39个国家全面上市。

2006年1月，Zebra成为首家能够满足沃尔玛EPCglobal第二代（Gen2）RFID协议要求的供应商，它提供了打印机/编码器以生成符合规范的智能标签。

2006年2月斑马技术成为首家发布关于Gen2标准的注意事项、以方便客户在企业发展中更有效的应用RFID技术的公司。

中国标准：

处酝酿之中面临挑战RFID产业链作为一个新型的高新技术产业群，将成为信息产业新的增长点。

从全球的范围来看，美国已经在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。

欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。

在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。

而在亚洲RFID标准也已日益受到重视，但仍处于推广的初级阶段。

日本虽然已经提出UID标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。

RFID在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视，但至今韩国在RFID标准上仍模糊不清。

国外政府以及大型企业成功应用RFID技术的经验将促进RFID技术在中国市场的进一步发展和需求。

近几年RFID技术在全球商品流通、商品跟踪以及物流管理中的应用进一步提高，大大推动了作为全球制造中心中国对RFID技术的发展和普及，尤其是来自大型制造企业的需求，推动了RFID技术在中国的进一步发展。

在RFID标准的制定领域，中国起步比较晚，但随着RFID产业的发展以及中国制造企业在全球竞争中的重要地位，推动了中国在RFID标准制定领域的发展步伐。

就在2005年年底，由信息产业部产品司司长张琪亲自挂帅的RFID标准工作组正式成立，中国RFID标准制定迈出了重要一步。

2006年6月9日，中国官方十五个部委（含发改委、商务部、信产部、公安部等）、历时近一年半时间共同编制的《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》正式发布，虽然此前RFID标准在中国的制定过程一波三折，但随着政府推动力量不断加强，相信未来RFID技术在中国的发展前景将更加美好。

目前作为国家标准的中国RFID标准还在酝酿之中，但随着中国参与到RFID标准争夺中，全球RFID标准的竞争也将更为激烈。

3不同频段RFID系统分析

（1）低频段（LF）射频标签（10KHz~1MHz）

 低频段射频标签，一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。

低频标签的阅读距离一般情况下小于lm。

低频标签主要用于短距离、低成本的系统中，其典型应用主要有：

动物监管、马拉松赛跑、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）、自动停车场收费和车辆管理等方面。

（2）中高频段射频标签 （1MHz~400MHz）

中高频段射频标签，一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。

中频标签的阅读距离一般情况下也小于lm。

中频标签由于可方便地做成卡状，故被广泛应用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统中。

（3）超高频（UHF）与微波频段的射频标签（400MHz~1GHz）

 超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，可分为有源标签与无源标签两类。

工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。

阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。

相应的射频识别系统阅读距离一般大干1m，典型情况为4m～6m，最大可达10m以上。

阅读器天线一般均为定向天线，其天线波束方向较窄，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读／写。

由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。

超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别、反向散射射频识别、供应链上的管理、航空包裹识别、后勤管理、生产线自动化管理，还可用于公路车辆识别与自动收费等领域。

4总体方案设计

4.1设计内容

（1）了解射频识别技术的发展。

（2）熟悉射频识别技术的相关标准。

（3）熟悉射频识别技术的工作原理。

（4）给出一个应用的设计实例。

基于以上内容我们利用射频识别技术设计了一个简易的读写器。

具体方案如下：

4.2方案比较

本设计是采用单片机或CPLD器件两种方案来作为简易读写器的主控芯片，加入时钟芯片DS1302电路和存储器模块芯片，存储器模块用EEPROM芯片AT24C1024，该系统的射频模块采用EM4095；器件采用多种传输协议（如EM4OOX、EM4150等），利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率，而无须外接晶振振荡器，工作频率为100~150kHz，具有睡眠模式，与微控制器接口简单，采用调幅同步解调技术，工作电压+5V。

图4.1系统总体框图

方案一：

如上系统总体框图所示，本次的简易读写器主要包括六个模块，分别是：

主控制器模块，系统电源模块，时钟芯片模块，存储电路模块，程序下载串口模块，和系统复位模块，此方案的主控芯片为CPLD在主控芯片的控制下，实现读写器的简单读写功能，并能将数据从存储器读出，同时也能把接收到的数据写入存储器。

方案二：

本方案与方案一大体系统模块相同，只是主控芯片有了变化，将方案一中的主控芯片用单片机替换，以实现相同的功能。

4.3方案选择与论证

两种方案的不同之处仅在于主控芯片的选择上，方案一选择CPLD作为此设计的主控制器，CPLD的功能想当强大，仅用很少的外围电路通过对主控芯片编程就能实现本设计的要求，但这样的编程想当复杂，所以还是用相对容易的硬件外围电路来实现设计的要求。

而方案二则采用单片机作为主控芯片，相对来说单片机的功能比不上CPLD强大，但加上一定的外围电路，实现本设计要求还是完全能行的，单片机的编程也相对于CPLD要容易得多。

单片机的价格比CPLD要相对便宜一些。

由于以上的原因，实现同样的功能，相对来说单片机作为主控芯片要更容易上手些，所以本设计采用单片机作为主控芯片，选择方案二。

5单元模块电路简介与设计

5.1晶体振荡电路模块

89C51单片机作为主控芯片的时钟电路比较简单。

本系统采用的12M无源晶振。

时钟电路为系统提供工作所需的时钟电平，是整个系统的心脏。

其原理图如图5.1所示：

图5.1晶振电路模块

5.2程序串口下载电路模块

图5.2程序下载电路

此电路为供主控芯片程序烧写使用，其原理图如上所示。

5.3电源电路模块

图5.3电源电路

电源电路主要是为系统提供电源，本系统的各个模块均与TTL电平兼容，故整个系统