今天早上在去辦公室的路上，您可能已在不知不覺中用了四次RFID：不用拿出車鑰匙就發(fā)動了汽車;走ETC專用車道時自動支付過路費;手機揮一下就買好了今天的早點;用胸牌通過了辦公室門禁。RFID也許還沒有廣泛普及，但正在逐漸取得成功。
第一個由傳入射頻驅(qū)動的無源應(yīng)答器可以追溯到20世紀(jì)70年代初，當(dāng)今許多RFID應(yīng)用的設(shè)想也是如此。正是有了半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步(更不用說摩爾定律)，才使得RFID真正開始騰飛。
對于企業(yè)而言，RFID提供了前所未有的機會，可通過提供非常細(xì)致的數(shù)據(jù)以及自動實現(xiàn)支付和記錄保存等服務(wù)，來提高生產(chǎn)率并改善客戶體驗。RFID廣泛用于各種應(yīng)用，如牲畜識別、零售庫存管理、病歷管理、電子收費、電子護照以及最近在手機方面的應(yīng)用，將成為特定RFID技術(shù)的關(guān)鍵推手。
RFID標(biāo)簽市場(RFID的ID部分)正在快速增長，并有望加速發(fā)展。例如，據(jù)IDTechEx預(yù)測，無源RFID標(biāo)簽的數(shù)量將從2011年的不到30億個增加到2021年的大約2500億個。
從工程的角度來看，RFID并不是單一的技術(shù)，因頻率的不同而分為不同類型。可能用到的載頻有許多種，但有三個占主導(dǎo)地位：工作頻率為125至135 KHz的LF;工作頻率為13.56 MHz的HF;以及主要在865至955 MHz頻段使用的UHF(2.4 GHz頻段也可包含在UHF中。) 表1總結(jié)了三大RFID頻段的應(yīng)用和讀取距離。
表1：RFID頻段和應(yīng)用
大多數(shù)RFID系統(tǒng)設(shè)計工作都集中在讀卡器系統(tǒng)上;讀卡器的設(shè)計主要由應(yīng)用以及半導(dǎo)體公司設(shè)計和制造的應(yīng)答器(標(biāo)簽)特性決定。從廣義上講，可以使用兩種類型的標(biāo)簽與讀卡器進(jìn)行通信：具有嵌入式電池的有源標(biāo)簽和沒有電池的無源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽更為常見，所以本文將只討論該類型。
耦合技術(shù)
電磁耦合在決定無源標(biāo)簽的讀取距離方面起著主導(dǎo)作用。LF和HF RFID系統(tǒng)使用電感耦合：能量通過共享磁場從讀卡器線圈傳輸?shù)綉?yīng)答器(標(biāo)簽)線圈。
LF和HF系統(tǒng)中的讀卡器天線在稱為“近場”的電磁區(qū)域(距離天線最多一個波長)內(nèi)產(chǎn)生強磁場。這個磁場的強度足以喚醒標(biāo)簽并為其提供將身份數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶x卡器所需的能量。電感耦合也可使用相同的能量傳輸機制寫入標(biāo)簽。圖1說明了電感耦合的概念。
圖1：LF和HF系統(tǒng)(包括NFC)的電感耦合發(fā)生在近場區(qū)域
UHF RFID系統(tǒng)工作在距天線約兩個波長到無限遠(yuǎn)的“遠(yuǎn)場”，可以實現(xiàn)比LF和HF系統(tǒng)更大的讀取距離。標(biāo)簽天線使用一種稱為反向散射耦合的技術(shù)接收讀卡器天線的電磁能量，而RFID芯片使用這種能量來改變天線上的負(fù)載并反射回包含身份信息的更改信號。
實際上，標(biāo)簽是為特定應(yīng)用而設(shè)計的，在頻率、內(nèi)存容量、支持的標(biāo)準(zhǔn)和天線設(shè)計方面各不相同。Texas Instruments的Tag-itTM HF-I Plus應(yīng)答器 (595-RI-I03-112A-03) 在微型矩形形狀中提供2Kb內(nèi)存，適用于產(chǎn)品認(rèn)證、資產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理， 這是一種工作頻率為13.56 MHz的HF標(biāo)簽。而NXP的HITag® μ應(yīng)答器 (771-HTMS1101FTBAF1) 集成了128Kb的內(nèi)存， 這是一種適用于牲畜識別、洗衣自動化以及啤酒桶和氣瓶物流的LF標(biāo)簽。
設(shè)計目標(biāo)
特定的RFID系統(tǒng)讀卡器功能很大程度上取決于應(yīng)用，有一些跨應(yīng)用功能。與大多數(shù)工程項目一樣，成本是非常重要的因素，這通常意味著盡量減少材料清單，盡量提高標(biāo)簽制造商提供的附加價值，如開發(fā)工具、參考設(shè)計和軟件。機械設(shè)計應(yīng)堅固耐用，并提供防破壞保護。還應(yīng)考慮系統(tǒng)部署地區(qū)的政府頻率分配。系統(tǒng)還一定要非常易于部署和操作，因為最終用戶并不是技術(shù)人員。
近場通信
功耗同樣十分關(guān)鍵，尤其是電池供電應(yīng)用，例如具有嵌入式近場通信 (NFC) 功能的智能手機。雖然NFC是RFID技術(shù)的一個子集，但其具有一些獨特的增強功能：
(1)更短的距離：NFC極短(<10厘米)的工作范圍可防止鏈路意外或未經(jīng)授權(quán)激活。加密可確保更高的安全性。
(2)直觀的鏈接程序：NFC不需要最終用戶費多大的精力。例如，對于具有NFC功能的智能手機，只需彼此或與NFC讀卡器靠近或掃過一下即可啟動對話。
(3)與無源RFID產(chǎn)品通信的能力：NFC在自供電設(shè)備之間以傳統(tǒng)方式工作，還支持與無源設(shè)備(如非接觸式智能卡或RF應(yīng)答器)進(jìn)行通信。
(4)與藍(lán)牙和Wi-Fi的協(xié)作：除了與RFID技術(shù)的互補關(guān)系外，NFC還具有與使用藍(lán)牙和Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行通信的內(nèi)置功能。因此，NFC提供了現(xiàn)有技術(shù)之間的多協(xié)議橋梁。
IMS Research公司預(yù)測，NFC應(yīng)用將快速增長，而手機是背后的主要驅(qū)動力。隨著制造商在其產(chǎn)品中采用無線通信和支付技術(shù)作為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，支持NFC的手機在2012年至2017年間將增長10倍，達(dá)到12億部。今年的出貨量預(yù)計將增長至2.68億部，比2012年的1.2億部增長123%。主要的NFC應(yīng)用包括：
(1)娛樂門票、出租車或任何POS應(yīng)用的支付。商店代金券也可以存儲在NFC手機上。
(2)使用NFC智能手機進(jìn)行安全樓宇的身份驗證和門禁控制;還有PC登錄、車門上鎖/解鎖等。
(3)NFC單元(例如智能手機、數(shù)碼相機和平板電腦)之間的點對點數(shù)據(jù)傳輸。
(4)通過藍(lán)牙或Wi-Fi建立通信鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
(5)對數(shù)字信息的訪問：NFC設(shè)備將能夠從智能海報下載地圖;將日程表從智能海報讀取到NFC手機;在手機上記錄停車位置。
NFC技術(shù)基礎(chǔ)
NFC在13.56 MHz頻率范圍內(nèi)運行，數(shù)據(jù)傳輸速率為106至424Kbps。為了最大限度地發(fā)揮其實用性，這項技術(shù)向后兼容基于ISO/IEC 14443 A和ISO/IEC 14443 B的智能卡協(xié)議，還兼容Sony FeliCaTM卡 (JIS X 6319-4)。
為了在兩臺NFC設(shè)備之間交換信息，制定了一種新的協(xié)議，并在ECMA-340和ISO/IEC 18092標(biāo)準(zhǔn)中對其進(jìn)行了定義。NFC論壇制定了確保NFC產(chǎn)品互操作性的規(guī)范。NFC具有三種操作模式：
(1)卡模擬模式(無源模式)：NFC設(shè)備的行為類似于符合傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之一的現(xiàn)有非接觸式卡;
(2)讀寫器模式(有源模式)：NFC設(shè)備處于有源狀態(tài)，讀取或?qū)懭氲絺鹘y(tǒng)的無源RFID標(biāo)簽;
(3)點對點模式：兩臺NFC設(shè)備交換信息。與讀寫器模式相比，發(fā)起設(shè)備(輪詢設(shè)備)需要的功率更小，因為目標(biāo)(監(jiān)聽設(shè)備)使用自己的電源。
三種傳統(tǒng)模式都有自己的傳輸技術(shù)：NFC-A(向后兼容ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(向后兼容ISO/IEC 14443 B)和NFC-F(向后兼容JIS X 6319-4)。
為了支持傳統(tǒng)技術(shù)，NFC設(shè)備必須輪詢監(jiān)聽設(shè)備(標(biāo)簽)以確定使用哪種協(xié)議(NFC-A、NFC-B和NFC-F)。圖2說明了輪詢序列的主要流程。
定NFC通信協(xié)議
在NFC系統(tǒng)設(shè)計中，控制器芯片起著核心作用。決定使用哪種通信模式僅僅是開始。除了其他典型的MCU任務(wù)外，它必須監(jiān)視和控制收發(fā)器、電源管理和主機接口。NFC特定接口包括安全訪問模塊 (SAM) 接口、用戶身份模塊 (SIM) 接口和非接觸式技術(shù) (CLESS) 接口。
NXP的PN544 (771-PN5441A2EC20501) 是一款具有嵌入式80C51內(nèi)核的全功能NFC控制器，適合集成到手機中。在讀卡器端，應(yīng)用包括移動支付設(shè)備、交通和活動票務(wù)以及對象交換(例如，電子名片和數(shù)字版權(quán))。Texas Instruments的TRF7970ARHBT (595-TRF7970ARHBT) 支持相同的應(yīng)用范圍。
結(jié)論
盡管RFID應(yīng)用通常不是高性能、高速的設(shè)計，但由于不同的標(biāo)準(zhǔn)、頻率選項以及(最重要的)應(yīng)用要求，在系統(tǒng)層面存在極大的復(fù)雜性。每個新設(shè)計都會帶來有關(guān)安全性、距離、信號方向性、環(huán)境條件、功耗、內(nèi)存要求和接口設(shè)計的決策。然而，一旦系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)過仔細(xì)考慮，主要由半導(dǎo)體公司提供的眾多設(shè)計工具和開發(fā)套件，將為項目提供一條通往成功的清晰途徑。
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