基于ASW的RFID標簽編碼與相關(guān)技術(shù)

摘要:近年來，聲表面波(SAW)技術(shù)的研究已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點，從理論到實踐都取得了長足的進步。伴隨著電子學(xué)，聲學(xué)和微平面工藝的快速發(fā)展，各種聲表面波器件的研究與應(yīng)用在逐步展開，其應(yīng)用已涉及到衛(wèi)星通信，廣播電視，導(dǎo)航制導(dǎo)，無損檢測，識別定位和傳感器等眾多領(lǐng)域，尤其在非接觸式讀取識別上有著更為誘人的前景。本文介紹了一種基于聲表面波器件的無線遠距識別系統(tǒng)的實現(xiàn)。簡述了目前RFID技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展狀部況，介紹了RFID系統(tǒng)的組成及其工作原理，對基于聲表面波技術(shù)的閱讀器和標簽做了簡要的介紹。對其工作原理做了比較詳細的說明。標簽編碼是射頻識別需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文對標簽編碼做了探索式的研究。

關(guān)鍵詞:聲表面波;RFID;閱讀器;無源電子標簽;標簽編碼

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)26-7547-04

無線射頻識別技術(shù)(RFID)作為一種新興的自動識別技術(shù)，近年來在國內(nèi)外已經(jīng)得到了迅速發(fā)展。RFID技術(shù)的分類采用了先進微電子加工技術(shù)制造的聲表面波器件，具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、 多功能以及設(shè)計靈活等優(yōu)點，在通信、電視、遙控和報警系統(tǒng)中已得 到廣泛應(yīng)用，數(shù)以億計的手機和電視機中都應(yīng)用了多個聲表面波濾波器。隨著加工工藝的飛速發(fā)展，SAW器件的工作頻率已覆蓋10MHz～ 2.5GHz，是現(xiàn)代信息化產(chǎn)業(yè)不可或缺的關(guān)鍵元器件。由于SAW器件本身工作在射頻波段，無源且抗電磁干擾能力強， 因此SAW技術(shù)實現(xiàn)的電子標簽具有獨特的優(yōu)勢。

1 聲表面波

1.1 聲表面波與相關(guān)運用

1.1.1 聲表面波概述

聲表面波(SAW)是傳播于壓電晶體表面的機械波，其聲速僅為電磁波速的十萬分之一，傳播衰耗很小。由于聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬倍，而且在它的傳播路徑上容易取樣和進行處理，因此，用聲表面波去模擬電子學(xué)的各種功能，能使電子器件實現(xiàn)超小型化和多功能化。同時，由于聲表面波器件在甚高頻和超高頻波段內(nèi)以十分簡單的方式提供了其它方法不易得到的信號處理功能，因此，聲表面波技術(shù)在雷達、通信和電子對抗中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1.2 聲表面波器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個聲一電換能器―叉指換能器。所謂叉指換能器，就是在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實現(xiàn)聲一電換能。聲表面波器件的工作原理是，基片左端的換能器(輸入換能器)通過逆壓電效應(yīng)將愉入的電信號轉(zhuǎn)變成聲信號，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片右邊的換能器(輸出換能器)將聲信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。整個聲表面波器件的功能是通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理，并利用聲一電換能器的待性來完成的。

1.2 無線射頻識別技術(shù)

無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)，或稱射頻識別技術(shù)，是利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點。 目前常用的自動識別技術(shù)中，條碼和磁卡的成本較低，但是都容易磨損，且數(shù)據(jù)量很小;接觸式IC卡的價格稍高些，數(shù)據(jù)存儲量較大，安全性好，但是也容易磨損，壽命短;而射頻卡實現(xiàn)了免接觸操作，應(yīng)用便利，無機械磨損，壽命長，無需可見光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性強，而且，可以在惡劣環(huán)境下工作，對環(huán)境要求低，讀取距離遠，無需與目標接觸就可以得到數(shù)據(jù)，支持寫入數(shù)據(jù)，無需重新制作新的標簽，可重復(fù)使用，并且使用了防沖撞技術(shù)，能夠識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡。

1.3 RFID的組成與工作原理

最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成:

1) 標簽(Tag):由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象;

2) 閱讀器(Reader):讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式;

3) 天線(Antenna):在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。

一套完整的系統(tǒng)還需具備:數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)。

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜:標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無源標簽或被動標簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag，有源標簽或主動標簽);解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

1.4 基于聲表面波的射頻識別系統(tǒng)

1.4.1 基于聲表面波的射頻識別系統(tǒng)概述

射頻識別技術(shù)RFID(英文Radio Frequency Identification的縮寫)是利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞達到識別目的的技術(shù)。利用聲表面波技術(shù)實現(xiàn)射頻識別稱為聲表面波射頻識別(SAW-RFID)，其特點:

1) 雙重功能:同時具有識別+傳感的雙重功能，如溫度傳感器、壓力傳感器、汽體傳感器、扭力矩傳感器、角速度傳感器(陀螺)等;

2) 可靠性高:SAW電子標簽工作時不需要電源供電，是一種無源卡，可靠性很高，可長期在各種嚴酷的環(huán)境下工作;

3) 體積小、結(jié)構(gòu)簡單:SAW電子標簽適合的工作頻率范圍433.82MHz～5.8GHz，，成本較IC標簽更低(比IC工藝簡單很多);

4) 識別距離遠、識別速度快:無源識別距離一般可達10～20米以上(若加電池，可識別幾公里到幾百公里)，一次準確識別時間約1ms左右。可識別以200公里/小時速度運動的物體;

1.4.2 (SAW)RFID的組成與原理

聲表面波射頻識別( SAW RFID) 終端系統(tǒng)由識讀器、射頻天線、RF SAW標簽( 也稱SAW聲表面波應(yīng)答器) 組成， 后者包括射頻天線和聲表面波器件。SAW RFID 的核心部件是聲表面波器件， 其功的IC。SAW 能如同電子標簽RFID 是在壓電晶體( 如石英、鈮酸鋰等) 小基片上用半導(dǎo)體工藝制作出專門設(shè)計的叉指換能器( IDT) 和若干個反射器， 換能器的兩條總線與電子標簽的天線相連接， 反射器數(shù)量與配置決定于所要求的應(yīng)答編碼。SAW 無源電子標簽采用反射調(diào)制方式完成電子標簽信息向閱讀器的傳送。閱讀器的天線周期性發(fā)送高頻詢問脈沖，在電子標簽天線的接收范圍內(nèi)，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲表面波， 并在晶體表面?zhèn)鞑?。反射器組對入射表面波部分反射， 并返回到叉指換能器， 叉指換能器又將反射聲脈沖串轉(zhuǎn)變成高頻電脈沖串。如果將反射器組按某種特定的規(guī)律設(shè)計， 使其反射信號表示規(guī)定的編碼信息， 那么閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串則帶有該物品的特定編碼。通過解調(diào)與處理，達到自動識別的目的。聲表面波傳播速度低， 有效的反射脈沖串經(jīng)過幾微秒的延遲時間后才返回到閱讀器， 在此延遲期間， 來自閱讀器周圍的干擾反射已衰減， 不會對聲表面波電子標簽的有效信號產(chǎn)生干擾。

1.4.3 典型應(yīng)用

列車自動抄號管理系統(tǒng)及自動測溫系統(tǒng);公路車輛自動識別管理系統(tǒng);城市車輛信息化管理系統(tǒng);郵政物流管理;危險品的運送管理、監(jiān)控;礦山、大型工廠的自動化流水作業(yè)線上，實現(xiàn)自動控制、監(jiān)視;貴重物品標簽，貨幣防偽，防假胃偽劣產(chǎn)品;用于電力傳輸系統(tǒng)，無源無線檢測電力傳輸系統(tǒng)電器的溫度是否超標，以便采取保護措施，保證正常供電;可用于動物跟蹤，兼測動物體溫，識別動物的健康狀況。建立飼養(yǎng)檔案;用于停車場的存取出入管理;單位、賓館、社區(qū)等人員的進出管理;場所的安全防范管理等等;可用于醫(yī)院管理，監(jiān)控病人的活動，定時、自動測量病人體溫;在軍事上，可用作敵我識別，識別人，識別兵器，防止導(dǎo)彈誤擊自己;SAW-RFID產(chǎn)品的前景非常可觀，可實現(xiàn)高額利潤，目前國內(nèi)尚未制作。

2 SAW電子標簽讀卡器的工作原理

聲表面波電子標簽，作為聲表面波IC卡的一種，可以說是一種新型非接觸自動識別技術(shù)，或者，我們可以據(jù)此將RFID分成SAW RFID和IC RFID，需要說明的是，SAW RFID也屬于無芯片電子標簽系統(tǒng)(Chipless)。

射頻識別(RFID)，其組成一般包括:1)電子標簽(Tag);2)閱讀器(Reader)。電子標簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實際應(yīng)用中，電子標簽附著在待識別物體的表面。閱讀器又稱為讀出裝置或讀卡器，可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。通過計算機及計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等功能。

顯然閱讀器的重要性不言而喻，它起著橋梁的作用。它的頻率決定了射頻識別系統(tǒng)的工作頻段，同時其功率也直接影響了識別的距離。所以設(shè)計出與卡相配合的讀卡器很是關(guān)鍵之一，有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 SAW電子標簽讀卡器的工作原理

2.1.1 SAW電子標簽的讀卡應(yīng)用系統(tǒng)

聲表面波電子標簽識別的讀卡應(yīng)用系統(tǒng)和IC RFID的基本一致，通常由讀寫器﹑控制器和電子標簽構(gòu)成，將聲表面波電子標簽安裝在被識別對象物上，當帶有電子標簽的被識別對象物進入閱讀器的有效閱讀范圍時，閱讀器自動偵測到電子標簽的存在，向電子標簽發(fā)送指令，并接收從電子標簽返回的信息，從而完成對物體的自動識別。圖1表示聲表面波電子標簽識別系統(tǒng)的工作原理圖。

系統(tǒng)的工作過程如下:

1) 讀寫器將要發(fā)送的信號編碼后加載在某一頻率上經(jīng)過天線向外發(fā)送，即周期的發(fā)送高頻詢問脈沖。

2) SAW電子標簽進入讀寫器的工作區(qū)域后，即能在標簽天線的接收范圍內(nèi)，接收讀寫器發(fā)射的高頻脈沖信號。

3) SAW電子標簽上與標簽天線相連的叉指換能器就將接收到的信號轉(zhuǎn)變成聲表面波，這種表面波縱向通過基片，即在晶體表面進行傳播。

4) 反射器組對部分入射表面波進行反射，并返回到叉指換能器。對于剩余部分的入射波，則到達基片的終端后并被吸收。

5) 可將反射器組按某種特定規(guī)律設(shè)計，使其反射信號表示特定的編碼信息，即表示所要識別物體的特定編碼。叉能換能器將帶有特定編碼的反射脈沖轉(zhuǎn)換成高頻脈沖串。

6) 高頻脈沖串再經(jīng)標簽天線反射，發(fā)送給讀寫器。

2.1.2 SAW電子標簽讀卡器的工作原理

讀卡器的組成框圖如圖2所示，圖中可看出，讀卡器可以簡化為兩個基本部分:控制系統(tǒng)和由發(fā)送器及接收器組成的高頻接口。

讀卡器的高頻接口擔負有下列任務(wù):

1) 對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給電子標簽;

2) 接收并解調(diào)來自電子標簽的高頻脈沖信號。

讀卡器的控制單元擔負著以下任務(wù):

1) 與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令;

2) 控制與標簽卡的通信過程(主—從原則);

3) 信號的編碼與解碼。

對于復(fù)雜的系統(tǒng)還有下列附加的功能:

1) 執(zhí)行反碰撞算法;

2) 對標簽卡與讀卡器之間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密;

3) 進行應(yīng)答器和讀取器之間的身份驗證。

為了完成這些復(fù)雜的任務(wù)，在絕大多數(shù)情況下控制單元都擁有微處理器作為核心部件。應(yīng)用系統(tǒng)軟件與讀卡器之間的數(shù)據(jù)交換是通過RS232或RS485串口來進行的。高頻接口與控制單元之間的接口將高頻接口的狀態(tài)以二進制的形式表示出來。

在硬件設(shè)計上，SAW電子標簽讀卡器主要由控制器、發(fā)送部分、接收部分組成，一個完整的讀卡過程如下:

1) 計算機向讀卡器發(fā)出讀卡信號。

2) 讀卡發(fā)送部分將讀卡命令和能量通過發(fā)射天線傳送給標簽卡;標簽卡接收到信號后通過叉能轉(zhuǎn)換器和反射器組處理讀卡機傳來的命令，形成相應(yīng)的卡號等信息，采用反射調(diào)制方式調(diào)制發(fā)射天線發(fā)來的微波信號反射給接收天線。

3) 接收部分將接收天線接收的標簽卡反射信號進行處理，形成相應(yīng)的數(shù)字信號送到控制器。

4) 控制器將接收部分送來的數(shù)字信號進行解碼處理，送至計算機。

3 SAW電子標簽

IC卡是一種通過嵌在塑料卡片上的微型集成電路芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫、存儲的AIDC技術(shù)。隨著技術(shù)發(fā)展，IC卡技術(shù)與射頻識別技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了CICC，它保留了接觸式IC卡的原有優(yōu)點，又具備安全性高抗干擾能力強等的系列新特點，電子標簽作為CICC的一種，應(yīng)用更是廣泛。再隨著聲表面波識別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，聲表面波電子標簽，它是上述各技術(shù)間結(jié)合的又一新產(chǎn)物。

3.1 SAW電子標簽的識別原理

SAW電子標簽是由叉指換能器和若干反射器組成，換能器和反射器是用壓電基片按照平面電極結(jié)構(gòu)制作的，通常是用鈮酸鋰作基片，利用光刻法完成電極結(jié)構(gòu)的制作。換能器的兩條總線與電子標簽的天線(一般是偶極子天線)相連接，閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，在電子標簽天線的接收范圍內(nèi)，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑?。反射器組對入射表面波部分反射，并返回到叉指換能器。叉指換能器又將反射聲脈沖串轉(zhuǎn)變成高頻電脈沖串。如果將反射器組按某種特定的規(guī)律設(shè)計，使其反射信號表示規(guī)定的編碼信息，那么閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串就帶有該物品的特定編碼。通過解調(diào)與處理，達到自動識別的目的。

3.2 SAW電子標簽的應(yīng)用與特點

由于SAW器件本身工作在射頻波段，無源且抗電磁干擾能力強，因此SAW技術(shù)實現(xiàn)的電子標簽具有一定獨特的優(yōu)勢，是對集成電路(IC)技術(shù)的補充。其主要特點有:

1) 讀取范圍大且可靠，可達數(shù)米至數(shù)十米;

2) 可使用在金屬和液體產(chǎn)品上;

3) 標簽芯片與天線匹配簡單，制作工藝成本低;

4) 不僅能識別靜止物體，而且能識別速度達300千米/小時的高速運動物體;

5) 可在高溫差(-100℃～300℃)、強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

SAW電子標簽技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括物流管理、路橋收費、公共交通、門禁控制、防偽、農(nóng)場的健康與安全監(jiān)控識別、超市防盜和收費、航空行李分揀、郵包跟蹤、工廠裝配流水線控制和跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理、體育競賽等。

SAW電子標簽也適用于壓力、應(yīng)力、扭曲、加速度和溫度等參數(shù)變化的測量，如鐵路紅外軸溫探測系統(tǒng)的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測系統(tǒng)、汽車輪胎壓力等。

4 標簽編碼

4.1 概述

聲表面波無源辨識標簽主要由壓電基片、叉指換能器、天線和反射極組成。辨識標簽工作原理(如圖3所示)。

通過帶主動式天線的射頻信號發(fā)射出高頻脈沖信號后，辨識標簽經(jīng)由其天線接收，該信號傳至叉指換能器，由于基片的逆壓電效應(yīng)，換能器激發(fā)出同頻的SAW，該SAW沿基片表面?zhèn)鞑ィ竭_一系列緊密排列編碼的反射柵后，部分能量得以反射回叉指換能器，通過基片的壓電效應(yīng)再次轉(zhuǎn)變成電磁波由天線發(fā)射回來，接收系統(tǒng)即可得到一系列編碼的高頻回波信號，由收發(fā)單元接收和信號處理后以辨識不同的目標。

傳感器天線接收由遠處訪問機發(fā)送來的訪問電磁脈沖信號，通過叉指換能器轉(zhuǎn)化為聲表面波，遇到反射條后形成回波，回波通過叉指換能器重新轉(zhuǎn)化為電磁波并再次通過天線發(fā)射出去。這些回波信號形成了由晶體表面的反射條的數(shù)目和位置決定的脈沖序列，它類似于條形碼圖案，每個脈沖的時間延遲取決于SAW傳播速度。信號后處理單元對脈沖延遲變化進行估計，實時解調(diào)出識別碼。

4.2 編碼原理

4.2.1 讀寫器

讀寫器又稱為讀出裝置、掃描器、通訊器、閱讀器，讀寫器可以是讀/寫或只讀裝置。當附著有電子標簽的待識別物品通過其有效識別范圍內(nèi)時，自動以非接觸方式與電子標簽進行信息交換，從而實現(xiàn)自動識別物品或自動更新物品標識信息的功能。在讀/寫半無源標簽時，還應(yīng)提供維持該標簽工作的功率電磁波能量。

讀寫器是一個基于雷達原理的射頻收發(fā)與信號處理系統(tǒng)，采用的電路主要有:脈沖型、脈沖壓縮型和調(diào)頻連續(xù)波型等。目前采用的幅度解碼的脈沖雷達系統(tǒng).

4.2.2反射延遲線結(jié)構(gòu)

由單換能器與有效長時延的反射器組成的反射延遲線結(jié)構(gòu)，能壓縮環(huán)境回波，提高標簽的讀寫能力。反射器是按編碼規(guī)則排列的反射體陣列，每個反射體提供一個有效回波脈沖分量。標簽回波是一脈沖串，其脈沖串各分量的幅度、位相和時延等參數(shù)反映了編碼特征。

對頻率f0 (圓頻率ω0)的高頻詢問脈沖，其回波的時域表示為:

其中Aj、θj和τj為第j個反射回波脈沖分量的幅度、位相和時延，E(t)為單個回波脈沖分量的包絡(luò)。由于反射體間的多次反射，回波脈沖數(shù)j要比反射體的數(shù)目 大得多，多余部分形成干擾雜波，減小回波的信噪比。

4.2.3編碼方式

采用時延值編碼時，碼容N量與讀寫器性能有關(guān)，由組合函數(shù)C確定:

其中m和L分別是標簽有效反射體數(shù)和時延范圍，而δT和δt則分別是讀寫器的脈沖分辨率和時基精度。

4.2.4 反射條的寬度

V=λf 得λ=v/f=3896/9.15*1010=4.2579*10-8

等間距均勻反射柵，其柵的寬度應(yīng)為λ/4。λ為聲表面波的波長。反射條的寬度為λ/4=0.0106448μm.

由上公式可知，當反射條的寬度為λ/4時，反射波的能量最強，回波越容易識別，讀卡器越容易讀出。因此，在設(shè)計讀卡器時，在讀卡器中設(shè)計三個門限電路。而反射柵的第一和最后一個的反射條的寬度為λ/4。這樣通過標簽反射回來的能量就大。就可以很容易辨別幀頭幀尾即標簽的開始和結(jié)束。當由讀卡器讀出的脈沖超過第三個門限值，表明讀卡開始。當讀卡器讀出的脈沖再次超過第三個門限值，表明讀卡結(jié)束。這樣就完成了一次標簽的讀取識別。

5 結(jié)束語

聲表面波識別技術(shù)是一種新興的技術(shù)，在用于不停車車輛自動收費自動識別方面(AVI)，它具有低能耗、抗環(huán)境干擾能力強、快速數(shù)據(jù)讀取及傳輸處理和低價格、小體積等優(yōu)點，而且具有極強的實用性。體外編碼的標簽識別系統(tǒng)避免了不同目標需要設(shè)計不同的聲表面波傳感器反射極的問題，從而為該系統(tǒng)的鋪平了道路。為簡潔起見，在實驗中采用的只是四位編碼，實際上，在同樣的聲表面波信號傳輸效率下可采用相關(guān)技術(shù)來增加反射極，以使其擴展到八位或十六位編碼。當然，為了進一步有效地擴展編碼位數(shù)，還需對聲表面波信號的傳輸效率、反射電路的設(shè)計以及信號數(shù)據(jù)的處理技術(shù)等方面進行深入的探討。隨著聲表面波技術(shù)研究的不斷深入以及在目標識別系統(tǒng)中可靠性的提高，應(yīng)用聲表面波技術(shù)設(shè)計的運動目標識別和定位系統(tǒng)必將具有廣闊的發(fā)展前景。

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