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「阿库课堂」RFID基础知识7·低频篇

来源:IoT库  2021-03-23

RFID上、中、下游各环节知识讲解完毕。经过前三章的学习,想必大家也有所了解;在本期的小课堂中,阿库将详细为你展开讲讲低频RFID的故事。

图源自网络


一、低频RFID简述


低频主要采用电感耦合的方式进行通信,其工作频率范围为30kHz~300kHz。典型工作频率有125KHz和134.2KHz,阅写器和电子标签基本采用线圈天线进行相互感应,电子标签位于阅读器的近区,当超过此范围,近场耦合就失去作用,逐步过渡到远距离的电磁场,当位于阅读器的远区时,电磁场将摆脱天线,作为电磁波进入空间中,低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有:动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)。

二、125KHz介绍

在日常的市场环境中,低频的125 kHz RFID技术采用电感耦合方式工作。由于电子标签的成本低,非金属材料和水对该频率具有较低的吸收率,所以在门禁卡、钥匙扣、身份识别、公交系统和民用水表领域得到广泛应用。


(1)标签芯片


市面上低频芯片的主要供应商为瑞士EM、泰国SiliconCraft、台湾瑞新、台湾晖鸿、NXP、Atmel等。低频RFID 标签芯片可分为两类,一类是只读的产品,这类产品成本低,量相对较大,主要的应用领域在门禁卡、钥匙扣等身份识别类场景。另外一类是既可以读也可以写的产品,此类产品价格相对高一些,主要应用领域有动物标签、地埋标签等。

主流的125KHz主要芯片厂家的产品规格参数如下:



二、134.2KHz介绍

动物的身份识别和追溯应用中,主要为低频的134.2KHz为主,低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。由于低频采用普通的CMOS工艺,具有省电、廉价的特点,工作频率低抗干扰能力强,受温度﹑湿度﹑障碍物的影响小,还可以穿透水、有机组织,能够在各种恶劣的环境下进行正常工作,在动物跟踪溯源领域得到广泛应用。

(1)标签芯片

低频134.2kHz标签的芯片一般具备可读可写功能,有大容量存储空间,内部结构相对复杂,宠物注射识别行业需求量较大,根据芯片各个模块的功能不同,可以将其分成三个基本部分;射频模拟前端(RF Analog Front-End)、数字控制部分(Digital Controller)、可读写的EEPROM存储器(Memory)。具体逻辑结构示意图如下所示:

 逻辑结构示意图


射频模拟前端(RF Analog Front-End)部分完成芯片和读卡器之间的接口连接,同时为数字电路工作提供一些必要的工作信号。射频模拟部分完成标签芯片的能量获取,时钟提取,系统上电复位,系统的调制解调工作。射频模拟是承接读卡器和标签芯片之间通信的唯一桥梁,是保证RFID系统的整体通信基础。

数字控制部分(Digital Controller)完成标签芯片的逻辑控制功能。标签芯片的登陆认证控制,密码安全校验,数据通讯的错误校验,读写的逻辑控制,读卡器数据输出编码及速率的逻辑设计实现等。标签芯片的数字控制部分位于射频模拟部分和存储单元之间,是连接两者的桥梁。掌管着整个整个通信系统的工作时序。

可读写的EEPROM存储器(Memory)完成整个标签芯片数据的存储工作。其中包括密码存储﹑用户码﹑芯片配置信息和ID码的存储等。存储单元的存在,保证了芯片的唯一性,使其能与读卡器等进行数据交换,为芯片标识的核心意义所在。

主流的134.2KHz主要芯片厂家的产品规格参数如下:

三、标签天线


低频的标签天线主要以线圈为主,无源低频RFID 电子标签是通过磁场耦合实现与标签识读器之间的通信,磁场在自由空间传播衰减很快,因此该电子标签的读写距离很短。低频标签不可群读,只能单独读取。

天线的制作主要有:①线圈绕制法,②蚀刻法、③烫印法和④直接印制法(导电油墨印刷法),目前国内外主要以蚀刻法和电镀法为主,直接印刷法是最近新起的印制技术。

应用在125k-135kHz的RFID标签天线,主要利用线圈绕制法制作,需要在一个绕制工具上绕制标签线圈并用烤漆进行固定,要求天线线圈匝数较多,圈数几百,通过焊接的方式将天线和芯片相连,①优点是简单、工艺不复杂,②缺点是成本高、生产效率低 。

标签天线的多因素决定着读距,主要有以下几个点:


★ 天线线圈的形状尺寸


★ 天线线圈的半径大小


★ 线圈的环绕匝数


两种常见低频线圈天线如下图所示:

                                                                                                       

圆形绕制线圈天线  


 矩形绕制线圈天线


四、读写设备

读写设备主要是对低频标签的数据进行采集分析,实际应用中可分为固定式读写器、移动式读写器两类,进行数据读取或写入操作,低频读写器由天线、射频模块、控制系统三部分构成,满足的协议如下;

① ISO 18000-2是空中接口议标准,规定了电子标签和读写器之间通信的物理接口,规定了协议、指令以及多标签通信的防碰撞方法。

② ISO11784/85 标准是应用于动物识别协议,选择动物识别产品必须要满足此协议。

读写器基本框架图  


嵌入式控制系统主要功能

①完成与上位机应用软件的交互;

②控制与电子标签的通信过程;

③信号的编码与译码,以及执行标签的防碰撞算法数据加密。

射频接口主要功能

①产生低频的发射功率,启动电子标签并为它提供能量;

②调制发射信号,将数据传送给电子标签;

③接收并解调来自电子标签的低频信号。  

(1)固定式读写器

低频读写器虽然在耦合方式、通信流程、数据传输方法等功能原理上十分类似,但是在外观构造设计上有着明显差异,固定式读写器主要应用在半导体、牲畜屠宰厂、刀具等自动化生产线进行溯源管理。

固定式读写器类型

(2)移动式读写器

移动式读写器市面上主要以手持PDA加装低频模块和只读式扫描仪两种类型为主,适合各种移动政务、巡检、仓储和畜牧业上管理应用,根据实际应用场景可选择带应用系统和不带应用系统设备,以下是几款移动手持式读写器特点。

★ 设备轻薄,方便携带适用于任何移动场所数据采集。

★ 大容量电池,有助于提高工作人员出入库、盘点等业务效率,减小出错率。

★ 识别低频标签速度快, 实时采集,即时显示、即时反馈。

移动式读写器类型

以上为低频RFID简述内容。由于【低频RFID】内容篇幅较长,为帮助大家消化理解,阿库已将本部分内容拆分为2小节~下期阿库将为你讲讲低频RFID的应用场景与应用案例。

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