RFID系統(tǒng)讀寫器與電子標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)分析

徐麗萍

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 引言

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

RFID讀寫器通過天線耦合實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間耦合，在耦合通道根據(jù)時(shí)序關(guān)系實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、信息的交換。一般讀寫器先發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流獲得能量并做出應(yīng)答，讀寫器讀取電子標(biāo)簽自身編碼等信息并解碼后送至電腦主機(jī)進(jìn)行有關(guān)處理[3-4]。

1 讀寫器硬件結(jié)構(gòu)分析

讀寫器硬件結(jié)構(gòu)框圖[5]如圖 1所示，由射頻電路模塊和基帶電路模塊構(gòu)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(chǎn)生高頻信號激活電子標(biāo)簽，給電子標(biāo)簽提供能量外，還包括兩個(gè)獨(dú)立的收發(fā)通道，將按照協(xié)議編好的基帶信號進(jìn)行調(diào)制并通過天線發(fā)送給電子標(biāo)簽，接收并解調(diào)電子標(biāo)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(jié)構(gòu)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(gòu)成。ASIC模塊專門處理信號的編碼、解碼及加密等處理。基帶電路實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用軟件通信，完成信號采集處理、運(yùn)算、編碼、解碼和校驗(yàn)，執(zhí)行反碰撞協(xié)議算法，對讀寫器與電子標(biāo)簽之間收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證、加密和解密等。

圖3 讀寫器基帶電路框

應(yīng)用軟件與基帶電路之間數(shù)據(jù)交換可通過USB、RS232、485和以太網(wǎng)接口，基帶電路輸出到射頻接口的信號是二進(jìn)制數(shù)字信號，射頻電路輸出到天線的信號一般受二進(jìn)制數(shù)字信號ASK調(diào)制的模擬信號。

2 電子標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)分析

在 RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽是一種被動(dòng)設(shè)備，電子標(biāo)簽一般可分為帶存儲功能的電子標(biāo)簽和帶微處理器的可編程的電子標(biāo)簽。對基于 ISO/IEC18000-6B 協(xié)議的電子標(biāo)簽，內(nèi)部存儲容量為2 048 bit，即256字節(jié)，其對應(yīng)地址為 0～255[6]。

2.1 帶存儲功能的電子標(biāo)簽

帶存儲功能的電子標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)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(gòu)成。

HF接口為電子標(biāo)簽提供能量，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽與讀寫器之間的高頻傳輸通道以及電子標(biāo)簽的數(shù)字電路。地址和安全邏輯電路是電子標(biāo)簽的主要部分，它控制整個(gè)芯片的處理進(jìn)程。專用 IO 寄存器完成與讀寫器數(shù)據(jù)交換，加密單元完成授權(quán)、數(shù)據(jù)加密及密匙管理等功能。數(shù)據(jù)存儲器主要包括 ROM 、EEPROM或 FRAM，ROM主要存放永久數(shù)據(jù)如序列號，EEPROM 或 FRAM連接芯片內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的地址線和數(shù)據(jù)線。所有程序的運(yùn)行是受狀態(tài)機(jī)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(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)框

2.2 帶微處理器電子標(biāo)簽

帶微處理器電子標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)框圖[7]如圖 5所示。由微控制器+協(xié)處理器構(gòu)成，協(xié)處理器進(jìn)行加密算法處理。操作系統(tǒng)完成電子標(biāo)簽接收和發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(tǒng)程序模塊寫在 ROM 代碼段，成為芯片的一部分。操作系統(tǒng)命令處理順序是：通過HF接口接收讀寫器發(fā)送的命令——IO管理器進(jìn)行錯(cuò)誤識別——安全信息管理器通過解密及核查接收一個(gè)無錯(cuò)命令——高級別命令解釋器開始對命令進(jìn)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(fā)送一個(gè)返回碼返回給讀寫器。通過對電子標(biāo)簽中的內(nèi)存信息經(jīng)過加密散列(hash)計(jì)算后存儲，可以有效防止標(biāo)簽偽造[8]。

圖5 帶微處理器電子標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)框

3 結(jié)語

讀寫器和電子標(biāo)簽是 RFID系統(tǒng)兩個(gè)重要組成部分，在 RFID系統(tǒng)中，讀寫器在數(shù)據(jù)管理處理單元與電子標(biāo)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(tǒng)的工作頻段，讀寫器的功率直接影響了射頻識別的距離。當(dāng)然 RFID系統(tǒng)除了以上談到的讀寫器、電子標(biāo)簽之外，還牽涉到軟件、天線、系統(tǒng)中間件、系統(tǒng)可靠性等技術(shù)。

[1] 趙郁亮,黃銀龍,徐旭,等.ISO 18000-6B 標(biāo)簽在車駕監(jiān)管內(nèi)存規(guī)劃的研究[J].通信技術(shù),2010,43(12):132-134.

[2] 羅春彬,彭龑,易彬.RFID 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].通信技術(shù),2009,42(12):112-114.

[3] 葉里莎.RFID 技術(shù)的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2007,40(12):267-268.

[4] 潘麗麗,霍修坤,方榮富,等.基于無源標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)[J].通信技術(shù),2011,44(06):102-104.

[5] KLAUS F.射頻識別技術(shù)[M]. 吳曉峰,陳大才譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6] 黃銀龍,張輝,徐旭,等.車輛管理 RFID 電子標(biāo)簽內(nèi)存規(guī)劃研究[J].通信技術(shù),2010,43(02):141-142.

[7] FINKENZELLER K.RFID Handbook：Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards Identification[M]. England：John Wiley & Sons Ltd，2003.

[8] 萬晨妍,歐陽麒.RFID系統(tǒng)中信息保密機(jī)制研究與設(shè)計(jì)[J].信息安全與通信保密,2011(09):101-104.

[9] 孫林,戎蒙恬, 劉濤,等.13.56 MHz RFID標(biāo)簽防沖突算法研究[J].信息安全與通信保密,2009(09):64-66.