一種超高頻電子標簽電路及應用

1 引言

射頻識別技術(RFID)是利用射頻方式進行遠距離通信以達到物品識別的目的，可用來追蹤和管理幾乎所有的物理對象，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理、防偽甚至軍事等眾多領域，具有廣泛的應用前景，目前已引起人們的廣泛關注。

RFID系統(tǒng)一般包括閱讀器和應答器(或稱電子標簽)兩個部分。電子標簽由RFID電路和天線組成，按供電的方式可以分為無源和有源兩種。無源電子標簽不需要電池供電，具有成本低、可靠性高等優(yōu)點，因而有廣泛用途。另外，按照閱讀器發(fā)射頻率的不同，RFID系統(tǒng)還可分為低頻(135 kHz以下)、高頻(13．56MHz)、超高頻UHF（860~960 MHz）和微波(2．4GHz以上)頻段等幾類。

目前，大多數(shù)應用的RFID系統(tǒng)使用低頻和高頻的標簽。但是，研究發(fā)現(xiàn)，超高頻(UHF)頻段的電子標簽具有操作距離長、通訊速度快、成本低、尺寸小等優(yōu)點，更適合未來應用，因此，超高頻電子標簽是當前電子標簽發(fā)展的重點。

下面介紹作者研究開發(fā)的一種超高頻(UHF)電于標簽電路，并繪出典型應用。

2 結構與特點

圖1示出電路的結構框圖。

該電路主要分為射頻前端、數(shù)字控制和存鍺器三部分。其中，射頻前端部中含有5個模塊：電源產(chǎn)生模塊從射頻波中產(chǎn)生電路工作電壓；時鐘產(chǎn)生模塊是一個內(nèi)置的頻率可調(diào)的振蕩器，提供穩(wěn)定可凋的系統(tǒng)時鐘；保護電路模塊可以防止當芯片靠近讀寫器時，天線上的電壓或電源電壓過高而造成的損壞；發(fā)射和接收電路模塊完成讀寫器與電子標簽之間的指令接收和反射應答信號的雙向半雙工的通訊聯(lián)系。數(shù)字控制部分完成電子標簽的識別和執(zhí)行讀寫器的指令，主要有防沖突電路、控制邏輯和存儲器接口三個部分。 如表1所示，這種電子標簽電路支持全局指令、單個指令和測試保留指令三種類型的指令。全局指令是針對在射頻場區(qū)中的所有電子標簽，主要有ResetAll、MuteAll等；單個指令是針對通過防沖突過程選擇出的單個電子標簽，主要有Read、Write等指令；測試保留指令是廠家為了測試專用或者為將來的指令擴展保留的指令，主要是最高權限的TestRead、TestWrite等指令。


防沖突機制討電子標簽的應用十分重要，本文描述的電子標簽支持基于動態(tài)二進剖搜索的防沖突協(xié)議。讀寫器可以根據(jù)應用中存在電子標簽的數(shù)量，動態(tài)地指定電子標簽在防沖突過程中使用一個長的或者短的識別碼，以縮短整個防沖突的識別過程。圖2示存儲器的結構。

電路內(nèi)置256位的WORM存儲器，其中，前128位為唯-識別碼(UID)，可支持l28位或96位兩種規(guī)格；后l28位中的前64位保留給制造商，用來定義廠家代碼、應用信息、訪問密碼及未來擴展保留等，后64位留給用戶，用戶可以根據(jù)需要寫入產(chǎn)品的相關信息或用來追蹤產(chǎn)品的流通過程。

3 典型應用

圖3示出該電路的典型應用電路。電路的引腳有4個，INl和IN2是射頻輸入端，用來連接天線。天線的形狀和類型沒有特別要求，圖中選用的是簡單的振子天線。




　

另外兩個引腳是電源(VDD)和地(GND)。因為是無源的電子標簽，電路需要一個電容器來存儲能量，圖3中的電容器(Cs)就是外接儲能電容器。電容的大小和電路的功耗與最低工作電壓有關，一般盡量用大電容，這里，Cs的典型值是10nF。

按照圖3連接的電子標簽可以應用在許多場合。可以貼在汽車的玻璃上，應用在高速公路的不停車收費中，也可以貼在商品上，完成商品從制造、流通、零售等一系列的物品追蹤和管理。

一種實際應用是集裝箱的識別和管理系統(tǒng)。在每個集裝箱上貼上電子標簽，電子標簽中除了唯一的識別碼外，還存放了集裝箱的起始地、中轉地、目的地和集裝箱所裝物品的信息。集裝箱的表面是金屬材料，電子標簽不能緊貼金屬表面，而要保持一定的距離。為了達到較遠的識別距離，電子標簽的天線也是經(jīng)過特殊設計。

在集裝箱的陸地運輸過程中，進出倉庫或港區(qū)的大門時，門口的大型讀寫器可以主幾米外識別出集裝箱上的電子標簽，讀出電子標簽中的集裝箱的相關信息，提供給后臺數(shù)據(jù)庫。在航運過程中，可以通過小型的讀寫器，在較近的距離內(nèi)來識別集裝箱并確認其路線和所裝貨物是否正確。應用電子標簽識別系統(tǒng)后，集裝箱運輸公司和其客戶可以實時管理和監(jiān)控集裝箱的整個流通過程，莊需要查找特定的貨物時，也能迅速，準確地找到相關的集裝箱位置。通過應用基于電子標簽的集裝箱識別和管理系統(tǒng)，可提高集裝箱運輸?shù)男?，大大降低出錯的可能性和管理成本。 不過，在實際使用中還需要注意以下幾點： 第一，讀寫器的發(fā)射頻率和最大功率是受國家法規(guī)限制的，不同的國家和地區(qū)對可使用的頻率和最大發(fā)射功率的規(guī)定力不同。第二，有些材料如金屬、玻璃等會造成電子標簽性能的下降，需要設計特殊的天線。第三，讀寫器與電子標簽的通訊速率可以根據(jù)需要而改變，一般應用中的典型速率為40kb／s。第四，盡管外接電容器并不是必需的，但是，為了保證電子標簽的性能，最好接一個不小于2nF的電容器。