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RFID技术及测试方案

日期:2012-08-02浏览:2284次

RFID 背景介绍

RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写,即无线射频识别,实际上是自动识别技术 (AEI , Automatic Equipment Identification) 在无线电技术方面的具体应用与发展。该项技术的基本思想是,通过采用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 技术应用有哪些呢?下面作一个简单的介绍:
军事物流系统

RFID 技术源于美国,早在二战期间,就用于飞机的敌我识别,在zui近几年的局部战争中, RFID 技术已经成功地应用于美军后勤的物流管理,无论是在物资定购中、运输途中、还是在某个仓库存储中,通过该系统,各级指挥人员都可以实时掌握物流所有信息。 RFID 接收发送装置通常安装在运输线检查站以及仓库、车站、码头、机场等关键节点上。接收装置收到 RFID 标签信息后,连同接收地的位置信息,传送给后勤调度管理中心,同时存入中心信息数据库。今年,美国国防部要求其主要供应商在 2005 年前所有交付的货物都必须有 RFID 标签。

RFID 作为一种自动识别系统,它通过非接触的射频信号自动识别目标并采集数据,可识别高速运动目标并可同时识别多个目标,无须人工干预,操作快捷方便,可适应各种恶劣环境。无论军用物资处于采购、运输、仓储、使用、维修的任何环节,各级指挥人员都可以实时掌握其信息和状态。 RFID 可以极快的速度在读写器和电子标签之间采集和交换数据;具有智能读写及加密通信的能力,世界*性密码,极强的信息保密性,这对于军事物流要求准确、快速、安全、可控提供了切实可行的技术途径。因此,大力推广 RFID 技术在军事物流系统的应用是非常紧迫和必要的。

门禁保安

将来的门禁保安系统均可应用射频卡。一卡可以多用。比如,可以作工作*、出入*、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等,目的都是识别人员身份、安全管理、收费等等。好处是简化出入手续、提高工作效率、安全保护。只要人员佩戴了封装成 ID 卡大小的射频卡、进出入口有一台读写器,人员出入时自动识别身份,非法闯入会有报警。安全级别要求高的地方、还可以结合其它的识别方式,将指纹、掌纹或颜面特征存入射频卡。

公司还可以用射频卡保护和跟踪财产。将射频卡贴在物品上面,如计算机、传真机、文件、复印机或其它实验室用品上。该射频卡使得公司可以自动跟踪管理这些有价值的财产,可以跟踪一个物品从某一建筑离开,或是用报警的方式限制物品离开某地。结合 GPS 系统利用射频卡,还可以对货柜车、货舱等进行有效跟踪。

汽车防盗

这是 RFID 较新的应用。目前已经开发出了足够小的、能够封装到汽车钥匙当中含有特定码字的射频卡。它需要在汽车上装有读写器,当钥匙插入到点火器中时,读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频卡发送来的特定信号,汽车的引擎将不会发动。用这种电子验*的方法,汽车的中央计算机也就能容易防止短路点火。

另一种汽车防盗系统是,司机自己带有一射频卡,其发射范围是在司机座椅 45~55cm 以内,读写器安装在座椅的背部。当读写器读取到有效的 ID 号时,系统发出三声鸣叫,然后汽车引擎才能启动。该防盗系统还有另一强大功能:倘若司机离开汽车并且车门敞开引擎也没有关闭,这时读写器就需要读取另一有效 ID 号;假如司机将该射频卡带离汽车,这样读写器不能读到有效 ID 号,引擎就会自动关闭,同时触发报警装置。

电子物品监视系统

电子物品监视系统 (Electronic Article Surveillance, EAS) 的目的是防止商品被盗。整个系统包括贴在物体上的一个内存容量仅为 1 比特 ( 即开或关 ) 的射频卡,和商店出口处的读写器。射频卡在安装时被激活。在激活状态下,射频卡接近扫描器时会被探测到,同时会报警。如果货物被购买,由销售人员用专用工具拆除射频卡 ( 典型的是在服装店里 ) ,或者用磁场来使射频卡失效,或者直接破坏射频卡本身的电特性。 EAS 系统已被广泛使用。据估计每年消耗 60 亿套。

• RFID 市场

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。这是因为 RFID 技术涉及到信息、制造、材料等诸多高新技术领域。目前, RFID 技术已经在全球各地被广泛应用于生产、物流、交通及运输等行业。

RFID 在国外发展得很快。 RFID 必威体育种类很多,像德州仪器、 Motorola 、 Philips 、 Microchip 等世界厂家都生产 RFID 必威体育其必威体育各有特点,自成系列。 RFID 技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。如澳大利亚将它的 RFID 必威体育用于澳机场旅客行李管理中并发挥了出色的作用;瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装 RFID 自动识别系统,调度员可以实时掌握火车运行情况,不仅利于管理,还大大减小了发生事故的可能性;德国 BMW 公司将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中等。

据有关数据显示, RFID 必威体育在全世界的销量以每年 25.3% 的比例增长。由此可见, RFID 技术具有广阔的市场前景。

我国政府在 1993 年制定的金卡工程实施计划,是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大*工程,由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。现在, RFID 技术作为一种新兴的自动识别技术,也将在中国很快地普及。
国家发改委高新技术司副司长綦成元表示,可以预见, RFID 技术在未来几年内将达到数百亿美元的市场规模,不仅如此, RFID 的应用还将给留守、物流等产业带来革命性的变化。遗憾的是, RFID 技术在中国却一直未能广泛普及,其主要原因在于缺乏一套可供业界共用的标准,尤其是中国的 RFID 标准尚未正式确立。尽管如此,中国 RFID 市场还是在悄然增长, IDC 数据显示, 2005 年整个 RFID 在中国的市场容量为 4.7 亿元,到 2009 年就会膨胀到 58.7 亿元,其年复合增长率大约是 65.6% 。

等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到读写器,读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。

去年启动的国家第身份*项目,采用的就是 RFID 技术,正是运用这一技术,使得身份*成为一张智能卡,除了保留视读功能外,还可以进行非接触的机器自动读取及通过读卡器对卡内存储的居民身份信息进行更改。截至 2005 年底,全国已发放 1.2 亿张,至 2008 年将完成 9 亿张 IC 卡身份*的换发工作。

中国是世界的制造业中心,也是zui大的消费国之一,手机用户、网民、制造业、物流等规模在世界上都数一数二,因而毫无疑问将成为 RFID 技术应用的大国。巨大的市场潜力和商机吸引了全球 RFID 五大标准组织。正是由于各自的自身利益,这些“标准”制定者们势必会在作为 “世界工厂”的中国引发一场事关 “ 标准 ” 的混战。

拥有自主产权的 RFID 标准和核心技术,中国的制造业等将打上自己的标签,中国也不用担心未来要付巨额的费用。尽管中国 RFID 起步较晚、尽管几经磨难,但却呈现出快马加鞭的趋势。目前,国家 RFID 测试中心已被列入规划,中国 RFID 标准体系框架研究工作基本完成,国家标准也纳入制订计划。同比于国际上的相同技术和标准进展,中国的 RFID 属于姗姗来迟者。

可能很多人并不知道,正在大规模推广的身份*制作采用的仅是行业标准,而作为国家标准的中国 RFID 标准还在酝酿之中。 2006 年 6 月 9 日,中国十五个部委 ( 含发改委、商务部、信产部、*部等部委 ) 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。这也标志着,在自主创新的大潮中,中国并不愿意放弃对 RFID—— 这个酝酿巨大商机的标准的掌握。

中国正在各个领域抓紧对自有标准的掌握, RFID 只是其中一个部分。但一个标准动用 15 个部委联合推出,不敢说是但也是的

• RFID 工作原理

完整的 RFID 系统需要具备有两种关键能力,首先是自动识别、数据读写能力;然后是能满足数据存储和数据转换的数据处理能力。对于 RFID 设备测试来说,必威关注的主要是组成 RFID 系统的三个基本部件:

1)电子标签 ( 射频卡 ) :一般由芯片以及耦合元器件组成,芯片上有 EEPROM 用来储存识别码或其它数据,标签内含有内置天线,主要功能是完成与读写器的通信。与条码、磁卡、 IC 卡等同期或早期的识别技术相比,射频卡具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点。

按照能量供给方式的不同, RFID 标签可以分为被动标签,半主动标签和主动标签,其中半主动标签和主动标签中芯片的能量由电子标签所附的电池提供,主动标签可以主动发出射频信号。按照工作频率的不同, RFID 标签可以分为低频 (LF) 、高频 (HF) 、超高频 (UHF) 和微波等不同种类。不同频段的 RFID 工作原理不同, LF 和 HF 频段的 RFID 电子标签一般采用电磁耦合原理,而 UHF 及微波频段的 RFID 一般采用电磁发射原理。

2) 读 / 写器:读取标签信息的设备

RFID 读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。

在多数 RFID 系统中,读写器在一个区域内发射电磁波 ( 区域大小取决于工作频率和天线尺寸 ) 。卡片内有一个 LC 串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同。当射频卡经过这个区域时,在电磁波的激励下, LC 谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存。当所积累的电荷达到 2V 时,此电容可作为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。读写器接收到卡的数据后,解码并进行错误校验来决定数据的有效性,然后,通过 RS232 、 RS422 、 RS485 或无线方式将数据传送到计算机网络。简单的 RFID 必威体育就是一种非接触的 IC 卡,而复杂的 RFID 必威体育能和外部传感器接口连接来测量、记录不同的参数,甚至可与 GPS 系统连接来跟踪物体。

3)Antenna 天线

天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为长波、短波、超短波以及微波天线等;按方向性可分为全向天线、定向天线等;按外形可分为线状天线、面状天线等。在 RFID 系统中,天线分为标签天线和读写器天线两种情况,当前的 RFID 系统主要集中在 LF 、 HF (13.56MHz) 、 UHF 和微波频段。天线的原理和设计在 LF 、 HF 和 UHF 频段有根本上的不同。实质上,由于在 LF 和 HF 频段系统近场区并没有电磁波的传播,因此天线的问题主要集中在 UHF 和微波频段。

读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号,当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流,射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到读写器,读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。

RFID 关键技术: RFID 技术在很多领域已经有了许多实际应用,共性的技术已经趋于成熟,但现阶段主要的关键技术有:
有源电子标签低耗、低压、抗干扰设计技术。
无源电子标签的低值、可靠、柔性规模生产技术。
远距离微波反射读写技术。

• RFID 测试方案

对 RFID 系统的性能评估,zui主要的就是读写距离这个参数。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的 RF 输出功率、读写器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的 Q 值、天线方向、读写器和射频卡的耦合度等等。

 

1. 针对标签的测试

对于标签zui主要的指标包括:频率响应以及品质因素 Q
a. 对于这种带引线电磁耦合式的标签可以使用 4294A 阻抗分析仪配合 16047E 测试夹具进行阻抗的测试,通过谐振频率点可以得出该标签的工作频率。
b. 如果标签没有引线,那么可以使用 4294A+42941A 的探针来进行接触式的阻抗测试,同样可以得到其谐振频率。
c. 对于高频 (HF) 、超高频 (UHF) 或微波的 RFID 标签(射频卡)测试,可以采用 E4991A 射频阻抗分析仪或 ENA ( E5071B )网络分析仪进行测量。
d. 通常,对于已经封装好的标签测试,由于没有接触点,可以利用环路天线可以进行非接触测量。

 

上图是采用环路天线对电子标签(射频卡)进行的非接触测量,左图显示射频卡谐振频率为 13.56MHz 。右图测试条件是在谐振工作频率下,标签(射频卡)阻抗随交流信号电平改变的曲线,不同颜色代表环路天线与被测标签(射频卡)之间的不同距离。由此显示,随着距离的增加, RFID 标签达到工作状态的电压(信号源的能量)也随之增加。在 0cm 情况下,阈值电压为 0.2V 。事实上,低频( LH )和高频( HF )情况下,电子标签(射频卡)耦合功率主要依赖电杆耦合效率,耦合功率 μ 1/d 6 ( d 是标签和源天线距离)。在超高频( UHF )情况下,主要依赖远场传输效应,耦合功率耦合功率 μ 1/d 2 。

2. 针对读写器的测试

读写器射频模块的主要功能为:
a. 产生信号并且发射,激活标签并为其提供能量;
b. 对发射信号进行调制,用于将数据传输给标签;
c. 接收并解调来自标签的射频信号。

对于读写器的测量,主要包括:
a. 输出功率测试
读写器的输出功率直接影响到识别距离。对于输出功率的测试可以使用功率计 E4416A+E9300A 来完成。
b. 频谱以及解调分析测试
一般 RFID 系统都采用 ASK 或者 FSK 调制,因此可以使用 E443xC 系列 ESG 产生调制激励信号,采用 ESA 系列频谱分析仪或 MSO6000 系列示波器以及 89601A 矢量信号分析软件来进行解调分析。
c. 天线匹配测试
采用 E5071B ENA 或 4396B 进行天线匹配,方向性等参数测试。
d. 时域信号分析测试
采用 MSO6000 系列示波器进行时域信号波形分析 , 主要测试参数包括时钟抖动,频率,电平及数据流分析。

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