7微波RFID技術(shù)RFID原理與實踐開發(fā)章節(jié)內(nèi)容微波電子標簽的分類微波電子標簽芯片技術(shù)微波電子標簽芯片舉例其他微波RFID芯片舉例微波讀寫器開發(fā)舉例微波有源電子標簽設(shè)計7.1微波電子標簽的分類可分為普通材質(zhì)電子標簽和特種材質(zhì)電子標簽兩大類凡是通過Inlay直接封裝生產(chǎn)而成的電子標簽叫作普通材質(zhì)電子標簽。Inlay又分為濕Inlay和干Inlay。濕Inlay含背膠，可以直接貼在物品上，結(jié)構(gòu)是天線+芯片+芯片封裝+表紙+底紙；而干Inlay不含背膠，結(jié)構(gòu)是天線+芯片+芯片封裝。通過其他生產(chǎn)工藝（非復合）實現(xiàn)的電子標簽則稱為特種材質(zhì)電子標簽。7.1.1普通材質(zhì)電子標簽服裝吊牌電子標簽有軟標簽和硬標簽兩種。軟標簽可以直接使用普通Inlay硬標簽則需要封裝工序7.1.1普通材質(zhì)電子標簽行李電子標簽的電子標簽使用時需要把Inlay部分露在行李外部（貼在行李上的部分不包含Inlay），這樣讀寫器對電子標簽進行讀取時不會受到行李內(nèi)部物品影響。隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)在主流的行李電子標簽已經(jīng)升級為3D標簽或圓極化標簽，這是因為行李在傳送帶上時，方向很難確定，偶極子標簽存在一定的盲點。7.1.1普通材質(zhì)電子標簽易碎紙電子標簽是我國應用于防偽和溯源的一類電子標簽，其特點是一旦電子標簽被轉(zhuǎn)移或商品開封，電子標簽的天線就會損壞而無法工作。已經(jīng)有大量的品牌將易碎紙電子標簽用于防偽。7.1.1普通材質(zhì)電子標簽易碎紙電子標簽有兩種常見工藝：鋁天線轉(zhuǎn)移工藝和銀漿工藝。鋁天線轉(zhuǎn)移工藝就是將Inlay的天線層和芯片從聚對苯二甲酸乙二醇酯（PolyethyleneTerephthalate，PET）基材剝離，轉(zhuǎn)貼在易碎紙上。此工藝的缺點是轉(zhuǎn)移時良率很低，對成本影響很大。銀漿工藝是在易碎紙上用銀漿作為天線，再倒封裝芯片。這個工藝最大的缺點是，由于基材是易碎紙，在倒封裝芯片時良率很低。7.1.1微波電子標簽的分類國內(nèi)的高校圖書館已經(jīng)基本統(tǒng)一使用微波電子標簽作為圖書管理的工具。圖書或檔案電子標簽有兩個特點：一是不需要在電子標簽上打印信息，只需要將信息寫入芯片；二是多個電子標簽靠近時性能不可以受影響。做成細長的原因有兩點：一是電子標簽很細時電子標簽之間的天線影響會很小，多本書籍或檔案堆疊時對性能的影響較?。欢菆D書電子標簽是固定在書脊上的，只有很細的電子標簽才易于固定7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

抗金屬電子標簽采用特殊的天線設(shè)計，從技術(shù)上解決了電子標簽不能附著于金屬表面使用的難題。產(chǎn)品可防水、防酸、防堿、防碰撞，可在戶外使用。將抗金屬電子標簽貼在金屬上能獲得良好的讀取性能，甚至比在空氣中工作距離更遠。抗金屬電子標簽分為四大類：PCB抗金屬電子標簽、陶瓷抗金屬電子標簽、塑料抗金屬電子標簽、超薄抗金屬電子標簽。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

PCB抗金屬電子標簽是一種基于印制電路板技術(shù)制造的特殊電子標簽，實現(xiàn)讀寫功能。PCB抗金屬電子標簽多采用特高頻（900MHz）通信，具有較長的通信距離和高速數(shù)據(jù)傳輸能力。PCB抗金屬電子標簽包括PCB和天線。PCB一般采用有機高分子材料，能夠耐受惡劣環(huán)境條件。表面一般涂黑油或白油，具有優(yōu)異的抗沖擊性，在金屬表面上工作時不易磨損，具有抗腐蝕、防水防塵等特點。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

陶瓷抗金屬電子標簽與PCB抗金屬電子標簽原理相同，其不同點在于陶瓷的介電常數(shù)比較大，可以在更小的尺寸上達到天線的長度要求。一般情況下，尺寸越小的陶瓷抗金屬電子標簽，其介電常數(shù)越大。陶瓷基板的另外一個優(yōu)點在于耐高溫，所以許多高溫下的應用都選擇陶瓷抗金屬電子標簽，如醫(yī)療器械、汽車電子設(shè)備、電力監(jiān)測設(shè)備等。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

陶瓷抗金屬電子標簽的問題：陶瓷基板的成本比PCB高很多；陶瓷基板在燒制的過程中摻雜及溫度很難保證一致性，所以陶瓷抗金屬電子標簽一致性較差，一般需要人工調(diào)整工作頻率；再次，陶瓷抗金屬電子標簽尺寸較小，其帶寬很窄，使用環(huán)境若發(fā)生變化，其工作性能很可能會有較大變化。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

塑料抗金屬電子標簽的常見形式為結(jié)實的塑料外殼包裹內(nèi)部的天線和芯片，如圖7.7所示。內(nèi)部的抗金屬電子標簽也可以單獨使用，只是不具備穩(wěn)定性和防污染等特性。塑料抗金屬電子標簽一般厚度大于5mm，有的厚度達到10mm，尺寸各異，但是長度一般大于30mm。這些具有結(jié)實的塑料外殼的抗金屬電子標簽可以承受很大的壓力和特殊化學物品的污染。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

塑料抗金屬電子標簽憑借其卓越的性能和防護特性，成為應用非常廣泛的抗金屬電子標簽，主要應用于回收型物流運輸、工廠設(shè)備以及集裝箱的追蹤，也可用在金屬、非金屬材料和液體附近，適用于石油、天然氣、軍事、建筑和汽車等行業(yè)。塑料抗金屬電子標簽的結(jié)構(gòu)決定了它具有更好的量產(chǎn)能力以及批量生產(chǎn)帶來的一致性。其內(nèi)部的抗金屬電子標簽是通過將濕Inlay卷在一個塑料塊上實現(xiàn)的。塑料外殼是注塑而成的，整個產(chǎn)品可以實現(xiàn)高精度的工業(yè)化控制和全產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

超薄抗金屬電子標簽，其厚度一般為0.8mm，以卷料形式封裝，且可以通過RFID打印機進行寫碼。其最大特點就是超薄、柔性、可打印，是用于資產(chǎn)管理和IT管理的上佳選擇。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——抗金屬電子標簽

超薄抗金屬電子標簽的設(shè)計和生產(chǎn)都有一定的難度，頂部是一個白標簽，中間是一層高介電常數(shù)材料，底部使用黏合劑與離型紙（或PET）。從天線設(shè)計的角度分析，由于該電子標簽非常薄，天線距離金屬襯底太近，電子標簽的性能受限，因此對天線設(shè)計的要求非常高。從生產(chǎn)工藝的角度考慮，中間層的高介電常數(shù)材料需要一致性好且厚度均勻，生產(chǎn)中產(chǎn)生的一點點厚度不均勻都會對天線的性能有非常大的影響。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——洗滌電子標簽

洗滌電子標簽配合讀寫器，將使洗衣管理變得更為透明，提高工作效率，解決以往無法通過其他技術(shù)解決的管理頑癥，如大批量的待洗布草的統(tǒng)計、交接。常見的洗滌電子標簽有硅膠洗滌電子標簽、織物洗滌電子標簽等。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——洗滌電子標簽

硅膠洗滌標簽是最早出現(xiàn)的洗滌電子標簽，通過硅膠保護Inlay不受高溫和化學腐蝕，通過硅膠具有彈性的特點保障洗滌時不會損壞衣物及標簽，且具有一定的承壓能力，可以減小內(nèi)部Inlay的壓力。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——洗滌電子標簽

上下兩片硅膠都通過超聲波焊接在一起。為了保證芯片與天線的連接強度，一般采用柔性電路板作為基材，而且會在芯片與天線連接處添加環(huán)氧樹脂或其他保護材料。如果在芯片與天線連接處沒有增加保護，則該電子標簽的平均使用壽命一般不超過5次。7.1.2特種材質(zhì)電子標簽——洗滌電子標簽

織物洗滌電子標簽是一種采用耦合式天線設(shè)計的電子標簽。其中心為一個獨立的小模塊，小模塊內(nèi)部為一個圓形（或方形）近場天線和芯片封裝在一起，如圖7.11所示。小模塊的尺寸一般為5～10mm。7.2.1微波電子標簽芯片構(gòu)造電子標簽芯片主要由3部分組成：數(shù)字部分、模擬部分和存儲部分。其中數(shù)字部分的作用為協(xié)議處理、邏輯處理、全局運算控制處理等。模擬部分的作用是電源管理、調(diào)制解調(diào)、主頻時鐘，其中電源管理部分把接收的射頻電磁波整流成為直流電給整個芯片供電，主頻時鐘為數(shù)字部分和存儲部分提供振蕩時鐘，調(diào)制解調(diào)完成電子標簽與讀寫器通信的信號處理工作。存儲部分為EPC、TID、用戶數(shù)據(jù)等的存儲區(qū)，現(xiàn)在的常用存儲器為非易失性存儲器（Non-VolatileMemory，NVM）或者EEPROM，一般存儲容量為幾百比特7.2.1微波電子標簽芯片構(gòu)造圖7.12所示為典型的微波電子標簽芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。左邊是模擬部分，即模擬射頻接口，天線連接在這里。模擬射頻接口有4個主要器件：基準電壓（為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓）、整流器（起前端整流作用）、調(diào)制器、解調(diào)器。中間為數(shù)字部分，即數(shù)字控制，包括防碰撞、讀寫控制、訪問控制、存儲控制和射頻接口控制。數(shù)字部分與模擬部分進行數(shù)據(jù)通信，并控制存儲部分的讀寫操作。右邊是存儲部分，即EEPROM，其內(nèi)部有一個電荷升壓電路，為寫操作提供高電壓?，F(xiàn)在的電子標簽芯片出廠形式為晶片（Wafer），一般一個Wafer包含幾萬顆到幾十萬顆芯片。一顆芯片在Wafer內(nèi)只占非常小的一塊面積。7.2.1微波電子標簽芯片構(gòu)造7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令Bank0為保留區(qū)，又稱密碼區(qū)，內(nèi)部有兩組32位密碼，分別是訪問密碼（AccessPassword）和滅活密碼（KillPassword），滅活密碼俗稱殺死密碼。在使用鎖定命令后，需要通過訪問密碼來對芯片的一些區(qū)域進行讀寫。當需要“殺死”芯片時，通過滅活密碼可以將芯片徹底“殺死”。7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令Bank1為電子編碼區(qū)，又稱EPC區(qū)。根據(jù)Gen2協(xié)議，讀寫器最先讀取的電子標簽信息是EPC，之后才能訪問其他存儲部分。EPC區(qū)分為3個部分。（1）CRC-16部分共16位，通信時負責校驗讀寫器獲得的EPC是否正確。（2）PC部分共16位，控制EPC的長度，其前5位的二進制數(shù)乘以16為EPC長度。一般情況下特高頻RFID應用中EPC的長度為64～496位，即PC值為2000H～F800H。（3）EPC部分，這部分才是用戶最終從應用層獲得的產(chǎn)品電子編碼。7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令Bank2為廠商編碼區(qū)，每顆芯片都有自己的唯一編碼。Bank3為用戶存儲區(qū)，該存儲區(qū)根據(jù)協(xié)議規(guī)定最小空間為0，但是多數(shù)芯片為了方便用戶應用，增加了用戶存儲空間，常見的存儲容量為128位或512位。7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令Gen2協(xié)議的命令很簡單，操作命令只有4個：讀（Read）、寫（Write）、鎖（Lock）、殺（Kill）。且電子標簽的存儲區(qū)狀態(tài)只有兩種：鎖定、未鎖定。讀命令和寫命令都與存儲區(qū)是否鎖定相關(guān)。鎖命令對4個區(qū)共有4個分解命令，分別是鎖定（Lock）、解鎖（Unlock）、永久鎖定（PermanentLock）、永久解鎖（PermanentUnlock），只要訪問密碼非全0，即可執(zhí)行鎖命令。對應4個區(qū)的操作見表7.17.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令讀命令用于讀取存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，如果存儲區(qū)被鎖定，可以通過Access命令以及訪問密碼對該區(qū)進行訪問，見表7.27.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令寫命令與讀命令類似，如果存儲區(qū)未鎖定，可以直接操作，如果存儲區(qū)已經(jīng)被鎖定，則需要通過Access命令以及訪問密碼對該區(qū)進行訪問，見表7.37.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令殺命令是一條終結(jié)芯片生命的命令，而鎖命令還可以解鎖。只有保留區(qū)被鎖定且滅活密碼非全0，才可以使用殺命令。一般情況下殺命令極少使用，只有在一些涉密或涉及隱私的應用中才可能需要把芯片“殺死”。如果在芯片被“殺死”后再來追溯該芯片的TID，則只能通過解剖芯片的方法，解剖芯片花銷巨大，所以在平時應用中盡量不要啟動殺命令。在項目里也要防止別人搞破壞，最好的方法是把保留區(qū)鎖定，并保護好訪問密碼。7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令TID是芯片最重要的標識符，是貫穿其生命周期的唯一可靠代碼。例如，一顆芯片的TID為E20034120614141100734886H，E2字段代表芯片類型，所有的微波電子標簽芯片的電子標簽類型都為E2；003字段為廠商代碼，03代表AlienTechnology（意聯(lián)科技）公司，廠商代碼開頭可以為8或0，如Impinj（英頻杰）公司的廠商代碼一般為801；412字段代表芯片類型為Higgs-3；后面的64位（0614141100734886H）為芯片的唯一識別編碼，64位能表示的數(shù)字有642個，無須擔心出現(xiàn)重號的問題7.2.2電子標簽芯片的存儲分區(qū)及操作命令TID是芯片最重要的標識符，是貫穿其生命周期的唯一可靠代碼。例如，一顆芯片的TID為E20034120614141100734886H，E2字段代表芯片類型，所有的微波電子標簽芯片的電子標簽類型都為E2；003字段為廠商代碼，03代表AlienTechnology（意聯(lián)科技）公司，廠商代碼開頭可以為8或0，如Impinj（英頻杰）公司的廠商代碼一般為801；412字段代表芯片類型為Higgs-3；后面的64位（0614141100734886H）為芯片的唯一識別編碼，64位能表示的數(shù)字有264個，無須擔心出現(xiàn)重號的問題7.2.3電子標簽芯片的特殊功能EAS是目前大型零售行業(yè)廣泛采用的商品安全措施之一。如果把EAS技術(shù)引入特高頻RFID芯片，使其同時具有RFID和EAS兩個功能，則可以為零售、圖書等行業(yè)提供更好的服務，減少系統(tǒng)開支。讀寫器可以通過特殊命令迅速發(fā)現(xiàn)沒有檢驗或者出售的商品，并報警。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能鉛封是一種對重要物品箱體或包裝使用的技術(shù)，也可以嵌入RFID技術(shù)。如圖7.14所示，芯片的4個引腳中除了RF和GND接天線，另外的兩個引腳之間的電器連接特性可以通過芯片內(nèi)部進行識別，即可以在另外兩個引腳之間連接一條導線，當導線被剪斷時，芯片內(nèi)部可以識別出電阻的變化，從而獲知鉛封被開啟。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能鉛封技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的鉛封和電子鎖，用于小件物品的鉛封，如酒類防偽、貴重物品包裝、快遞等行業(yè)。這個技術(shù)存在一定的局限性，電子標簽芯片在沒有射頻場覆蓋的情況下無法工作，只有在有讀寫器訪問時才能發(fā)出報警信號，存在時效性問題。在實際應用中，若有使用鉛封功能的需求，可以使用NXP公司的G2iL+芯片。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能物聯(lián)網(wǎng)需要把RFID網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，此時就需要電子標簽芯片具有數(shù)據(jù)交互功能。其實現(xiàn)方式為將數(shù)據(jù)輸出，激活一個設(shè)備，或者把傳感器的數(shù)據(jù)輸入芯片，再通過射頻通信與外界進行數(shù)據(jù)交互。一些特高頻RFID芯片已經(jīng)增加了I2C接口或SPI，可以配合其他設(shè)備工作。有些芯片嵌入了溫度傳感器、濕度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以直接在電力測溫、冷鏈管理等項目中使用。如果有此類功能需求，則可以選擇IDS微電子公司的SL900A、Impinj公司的MonzaX和EM微電子公司的EM4235。此類帶有數(shù)據(jù)交互功能的芯片一般情況下不需要額外供電，但一些外接的設(shè)備依然需要電池供電7.2.3電子標簽芯片的特殊功能電池輔助的本質(zhì)是給芯片增加額外的電池供電，在電子標簽和讀寫器距離較遠供電不足的情況下依然可以啟動接收通路和反向散射電路，相當于電子標簽芯片的接收機靈敏度提升，同時對反向散射的調(diào)制深度提升，從而增大整個系統(tǒng)的工作距離。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能但是電池輔助對系統(tǒng)的工作距離的拓展是很有限的，這與芯片內(nèi)部的接收機解調(diào)電路相關(guān)，因為特高頻RFID芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單，無法采用傳統(tǒng)的超外差式接收機，解調(diào)的靈敏度有限。影響系統(tǒng)工作距離的最主要因素是電子標簽的反向調(diào)制信號強度。當電子標簽遠離讀寫器時，即使電子標簽芯片接收通路可以解調(diào)讀寫器的信號，通過反向散射調(diào)制后的信號也太微弱，以至于讀寫器收到遠距離傳來的信號后無法解調(diào)。所以有源電子標簽比傳統(tǒng)的無源電子標簽工作距離提升一般不超過3倍7.2.3電子標簽芯片的特殊功能近距離加密保護功能根據(jù)Gen2協(xié)議，微波電子標簽的加密等級較低，且大部分數(shù)據(jù)區(qū)透明，容易引發(fā)信息安全問題，尤其是一些敏感信息。這就需要一種加密保護技術(shù)，該技術(shù)的特點是可以控制電子標簽的靈敏度和工作距離，同時對數(shù)據(jù)區(qū)進行分區(qū)加密，安全要求高的數(shù)據(jù)必須在近距離通過特殊認證命令進行訪問。需要注意的是，微波電子標簽由于系統(tǒng)功耗較小，很難實現(xiàn)非常復雜的加密算法，無法達到金融支付安全等級，但對于一些普通數(shù)據(jù)的保密是足夠了。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能阻抗自動調(diào)節(jié)（AutoTune）功能是Impinj公司的Monza6電子標簽芯片的一個新功能，它可以在電子標簽啟動時調(diào)整芯片的接收機，以最大限度地提高電子標簽在當前環(huán)境下的靈敏度。AutoTune增加了電子標簽的帶寬。與窄帶電子標簽相比，寬帶電子標簽更能“容忍”生產(chǎn)制造導致的性能不一致性、貼標物品的材質(zhì)差異和環(huán)境變化。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能AutoTune技術(shù)原理是調(diào)整電子標簽芯片接收通路的阻抗，使其與天線阻抗匹配。雖然電子標簽在設(shè)計時已經(jīng)完成了完美的阻抗匹配，但電子標簽在生產(chǎn)和使用過程中會存在失配的情況，此時電子標簽的帶寬和性能都會受到一定的影響。此時需要調(diào)整芯片內(nèi)部的阻抗，使芯片和天線之間重新實現(xiàn)阻抗匹配，還可以在芯片內(nèi)部設(shè)置多個開關(guān)電容，每個開關(guān)電容的大小不同，通過開關(guān)切換可以配置不同的芯片阻抗電容，從而實現(xiàn)阻抗匹配的優(yōu)化。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能由于特高頻RFID采用超低功耗技術(shù)，其存儲單元也是采用低功耗器件實現(xiàn)的，因此存在數(shù)據(jù)存儲穩(wěn)定性問題。尤其是在寫入功率不足時，存儲單元的0和1的判斷電平不夠，在長時間放置漏電后，會存在存儲判斷錯亂的現(xiàn)象，寫入功率過大或過小都會引起寫入失敗。ECC能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤檢查和糾正，ECC內(nèi)存就是應用了這種技術(shù)的內(nèi)存，一般多應用在服務器及圖形工作站上，可提高計算機運行的穩(wěn)定性和可靠性。7.2.3電子標簽芯片的特殊功能儲能功能該功能的硬件實現(xiàn)需要增加一個儲能電容和一個芯片內(nèi)部的電壓檢測模塊。電子標簽收到讀寫器的電磁波時，會通過電壓檢測模塊判斷收到信號的強度情況，如果信號足夠強，則電子標簽直接與讀寫器進行通信，無須打開儲能部分；當收到的信號比較弱，無法直接驅(qū)動整個芯片電路時，則啟動電源管理模塊對電容充電，電容充電一段時間后，若電壓檢測模塊檢測到電容的電壓足夠支持一次通信，則啟動電子標簽芯片與讀寫器通信。7.3微波電子標簽芯片舉例全球芯片出貨量最大的3家特高頻RFID芯片供應商為Impinj公司、NXP公司和AlienTechnology公司。7.3.1Higgs-3Higgs-3芯片采用0.18μmCMOS工藝，一個晶片大概6萬顆芯片，是最早提出TID96bit的芯片。Higgs-3芯片具有以下優(yōu)點。（1）EPC區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)可以動態(tài)配置，EPC可以擴展。實用性強，存儲空間大，適用于各種RFID項目。（2）數(shù)據(jù)區(qū)可以分區(qū)鎖定，提高安全級別，這對于一些特殊項目和有安全要求的項目非常重要。（3）具有動態(tài)身份認證功能，相當于芯片內(nèi)有一個加密硬件，與讀寫器之間通過私有認證算法進行通信，配合唯一TID可以營造一個完全可靠的物流、防偽、追溯體系。其最大的缺陷是AlienTechnology公司不開放動態(tài)身份認證算法，至今只有AlienTechnology公司的讀寫器支持此算法。7.3.2Monza4Monza4（以下簡稱為M4）芯片一個晶片約6萬顆芯片。Monza4芯片的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在3D天線、Tag-Focus、Fast-ID。7.3.2Monza4傳統(tǒng)的偶極子天線在90°和270°存在巨大的盲點，如圖7.15所示。此外，整個天線的工作距離在各個方向差別較大，天線隨機擺放時最大工作距離與最小工作距離相差6倍，在應用中非常不便利。7.3.2Monza4M3芯片和圓極化天線設(shè)計制作出來的偽3D天線，其工作距離最遠不到4m，沿著xy平面旋轉(zhuǎn)時，增益差超過3dB，如果在xyz球面分析，會存在約10dB盲點角度，無法達到真正的3D效果。7.3.2Monza4M4芯片采用真3D天線技術(shù)（True3DAntennaTechnology）。如圖7.17所示，真3D天線較偽3D天線工作距離大幅增加，最大工作距離與最小工作距離相差1.25倍（方向增益差小于2dB），且在電子標簽的xyz球面的任意角度最大增益差小于3dB，是真正的3D天線。7.3.2Monza4M4電子標簽的真3D天線技術(shù)源于芯片設(shè)計的整體改造，其芯片由傳統(tǒng)的2個引腳饋電變?yōu)榱?個引腳饋電，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，共有2組整流電路，且2組整流電路之間的相位差為90°。關(guān)鍵點在于90°的相位差，通過計算或仿真可知，2個相交偶極子天線之間如果相位差為90°，則整體天線會成為一個圓極化電子標簽，且從各個方向看都為圓極化，從而實現(xiàn)了真3D天線技術(shù)。7.3.2Monza4TagFocus是指當讀寫器在工作時，能量弱的電子標簽會有更多的機會與讀寫器通信，從而提高多標簽效率。該功能的基本原理為，M4芯片內(nèi)部有一個能量檢測裝置，每個電子標簽將接收的讀寫器能量大小記錄下來，超過閾值的為強標簽，其他的為弱標簽。7.3.2Monza4Impinj公司讀寫器的多標簽盤點機制比較特殊，電子標簽被標識為A和B兩種狀態(tài)，電子標簽在A狀態(tài)下可被讀寫器識讀，讀寫器讀取電子標簽后，電子標簽先從A狀態(tài)轉(zhuǎn)換為B狀態(tài)，再從B狀態(tài)切換到A狀態(tài)，然后下電，再上電，如此反復。在多標簽讀取的過程中，讀取的時間是由那幾個弱標簽決定的，很多時候需要反復讀取多次才能識別所有的弱標簽。M4電子標簽工作在TagFocus模式下，弱標簽有更多的通信機會，更容易被識別。7.3.2Monza4M4芯片的Fast-ID命令是一個被廣泛應用的擴展命令，根據(jù)Gen2協(xié)議，讀寫器進行盤點時電子標簽只是返回EPC，而Fast-ID返回的數(shù)據(jù)為EPC+TID，大大降低了過去讀取TID的時間。經(jīng)過測試，使用Fast-ID命令讀取TID的時間大概是使用傳統(tǒng)方式批量讀取TID時間的三分之一左右。Fast-ID命令對于一些需要同時獲得EPC和TID且對批量讀的速度有要求的項目非常有幫助。7.3.3Ucode7NXP公司的Ucode7芯片采用0.14μmCMOS工藝，一個晶片約12萬顆芯片，成為第一個實現(xiàn)一個8英寸（約20.3cm）Wafer量產(chǎn)12萬顆芯片的產(chǎn)品。Ucode7芯片也帶來了一些創(chuàng)新的技術(shù)，主要包括EAS、標簽電源指示（TagPowerIndicator）、并行編碼（ParallelEncoding）7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片常見860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片有Impinj公司的R500、R1000、R2000，AMS（奧地利微電子）公司的AS3992、PHYCHIPS（物理芯片）公司的PR9200等。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——ImpingR2000ImpinjR2000是一款高性能、低功耗的UHF集成讀寫器芯片，遵守Gen2協(xié)議，工作頻率為860MHz～960MHz。芯片內(nèi)部集成了全部與無源電子標簽進行數(shù)據(jù)通信所需的射頻和基帶功能模塊，采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和專用自干擾消除技術(shù)，即使天線反射強度很高也能確保讀取的可靠性。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——ImpingR20007.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——ImpingR2000ImpinjR2000內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.18所示。內(nèi)部集成模塊包括LNA（低噪聲放大器）、混頻器、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、PA（功率放大器）、VCO、Modem（調(diào)制解調(diào)器）等。集成射頻包絡(luò)探測器用于發(fā)送和接收時的功率探測，與微控制器的接口可使用高速同步串行總線或4位并行總線。整個芯片架構(gòu)可以分為發(fā)送和接收2個通道，在數(shù)字核心模塊的控制下完成與電子標簽的數(shù)據(jù)通信。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——ImpingR2000發(fā)射器同時支持IQ（I代表In-phase，即同相；Q代表Quadrature，即正交）調(diào)制和極化調(diào)制，其中IQ調(diào)制支持SSB-ASK（單邊帶幅移鍵控）和PR-ASK（反向幅移鍵控），極化調(diào)制支持DSB-ASK（雙邊帶幅移鍵控）。這兩種調(diào)制信號均由數(shù)字核心模塊產(chǎn)生，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號，再通過濾波、上變頻后送至芯片內(nèi)部的集成功率放大器?？梢栽黾油獠烤€性放大器，以增大輸出功率，從而增加電子標簽的工作距離。ImpinjR2000內(nèi)部自帶的功率放大器可以識別距離2m以內(nèi)的電子標簽，具體工作距離由讀寫器使用的天線決定。如果在ImpinjR2000外部擴展功率放大器，ImpinjR2000讀寫器的工作距離可以達到10m。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——ImpingR2000接收器能抑制發(fā)射器的載波泄漏干擾，可以使用外接的本振信號，也可以使用芯片內(nèi)部的本振信號執(zhí)行接收器的下變頻混頻，如從發(fā)射通道的功率放大器引入。接收的信號使用內(nèi)部LNA放大，下變頻完成后，通過可調(diào)電容“隔直通交”，然后送至中頻放大器。中頻模擬濾波器具有可編程的帶寬以適應不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，可調(diào)節(jié)其增益以縮小ADC需要的動態(tài)范圍，濾波后的IQ信號送至ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字核心模塊可以實現(xiàn)精確可控的數(shù)字濾波，并對信號進行解調(diào)。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——ImpingR2000芯片的工作時鐘來源于24MHz的外接溫度補償晶體振蕩器。DAC直接使用24MHz的工作時鐘；ADC需要48MHz的工作時鐘，通過內(nèi)部集成的倍頻器獲得。ImpinjR2000包含一個集成的VCO，其環(huán)路濾波器外置，以便合成器滿足嚴格的相位及噪聲要求，具有很高的靈活性。ImpinjR2000支持2種類型的接口，低速的并口，數(shù)據(jù)傳輸速率可達20Mbit/s，高速的串口，數(shù)據(jù)下行速率可達150Mbit/s，數(shù)據(jù)上行速率可達450Mbit/s。兩種接口使用相同的引腳，接口類型在上電復位時確定。兩種接口的操作電壓都是3.3V。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——AMSAS3992AMSAS3992是特高頻單片讀寫器芯片，完整支持Gen2協(xié)議，以及ISO18000-6TypeA和ISO18000-6TypeB的直接模式。芯片支持頻率調(diào)節(jié)，通過設(shè)置內(nèi)部的編程選項，能滿足各種特高頻RFID應用需求。AMSAS3992的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.19所示。芯片包含數(shù)據(jù)發(fā)送和接收所需的完整模擬和數(shù)字功能，集成了PLL、VCO、電壓調(diào)節(jié)、ADC、DAC、配置寄存器等模塊，與MCU可以使用8位并口或4位SPI通信。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——AMSAS39927.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——AMSAS3992發(fā)射器具有數(shù)據(jù)編碼功能，能夠自動產(chǎn)生幀同步、前導碼等信號及進行CRC運算；接收器可以對AM信號和PM信號進行解調(diào)，其接收靈敏度可達-86dBm，具有自動增益控制功能，可以選擇接收器的增益、帶寬及數(shù)據(jù)接收速率。接收器可以對接收的數(shù)據(jù)幀進行CRC并將其解析為字節(jié)數(shù)據(jù)，主機MCU可以通過24個字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)將接收的數(shù)據(jù)讀出。AMSAS3992使用20MHz晶振，可以工作在Powerdown（掉電）、Standby（待機）和Active（活動）模式，是特高頻RFID讀寫器特別是手持設(shè)備的理想選7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——AMSAS3992AMSAS3992與電子標簽的通信采用RTF，向電子標簽發(fā)送和接收數(shù)據(jù)可以采用以下兩種模式。（1）普通模式。此模式下使用芯片內(nèi)部硬件編碼器和解碼器，通過24個字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，協(xié)議數(shù)據(jù)都在芯片內(nèi)部處理。（2）直接模式。此模式下數(shù)據(jù)由MCU主機系統(tǒng)直接處理，硬件編碼器和解碼器被旁路，MCU直接實時處理射頻前端數(shù)據(jù)。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——PhychipsPR9200PhychipsPR9200是Phychips公司出品的特高頻單片讀寫器的片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部集成了高性能UHF射頻接口、Modem、ARMCortex-M0處理器、64KBFlash存儲器（閃存）、16KBSRAM（靜態(tài)隨機存儲器），完整遵守Gen2協(xié)議，廣泛應用于各種移動及固定特高頻RFID讀寫器。PhychipsPR9200工作頻率為840MHz～960MHz，使用2.6～3.3V單電源供電，可以接收FM和米勒碼的信號，數(shù)據(jù)傳輸速率可以為40kbit/s、80kbit/s、160kbit/s、320kbit/s和640kbit/s。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——PhychipsPR92007.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——PhychipsPR9200整個芯片可以分為三個組成部分：射頻模塊、調(diào)制解調(diào)器模塊和微控制器模塊。從協(xié)議層次的角度看，Modem和RF屬于物理層，而MCU屬于高層。高層協(xié)議棧的實施由Cortex-M0使用C語言完成。介于物理層和高層之間的是外部存儲器接口（ExternalMemoryInterface，EMI），高層可以通過讀寫外部存儲器實現(xiàn)對底層的操作。模擬部分和數(shù)字部分在PhychipsPR9200內(nèi)部是分開的，二者的供電電源也需要分開，否則將嚴重影響系統(tǒng)性能。7.4.1860MHz～960MHzRFID收發(fā)芯片——PhychipsPR9200Modem位于RF和MCU之間。Modem的發(fā)送模塊將已調(diào)制數(shù)據(jù)發(fā)送到RF，接收模塊從RF接收電子標簽數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收FIFO緩沖區(qū)用于保存介于Modem和RF之間的有效數(shù)據(jù)。RF本身可以分為三個組成部分：發(fā)送通道、接收通道和頻率合成器。來自電子標簽的反射信號通過接收通道傳送給Modem，Modem將已調(diào)制信號通過發(fā)送通道發(fā)送給電子標簽。頻率合成器用于將信號頻率在RF頻率和基帶頻率之間轉(zhuǎn)換。7.4.2低于1GHz的多頻點RFID收發(fā)芯片某些RFID收發(fā)芯片可以在低于1GHz的多個頻點工作，常見的有IA4420、CC1110Fx和CC1111Fx、ADF7020等7.4.2低于1GHz的多頻點RFID收發(fā)芯片某些RFID收發(fā)芯片可以在低于1GHz的多個頻點工作，常見的有IA4420、CC1110Fx和CC1111Fx、ADF7020等7.4.2低于1GHz的多頻點RFID收發(fā)芯片——IA4420IA4420是單片、低功耗、多通道射頻收發(fā)一體芯片，工作頻率為315MHz/433MHz/868MHz/915MHz。芯片集成了完整的模擬射頻功能和基帶收發(fā)器功能，包含PLL、PA、LNA、IQ混頻器、基帶濾波和放大器、IQ解調(diào)器等組件，僅需外部晶振和旁路濾波即可構(gòu)成工作電路。IA4420內(nèi)部集成的PLL使RF設(shè)計簡單易行，芯片允許快速跳頻。旁路多徑衰減和干擾使無線連接的可靠性大幅提高，可編程的接收器基帶寬度能適應各種偏差，高性能的PLL允許在任一頻段使用多個通道。7.4.2低于1GHz的多頻點RFID收發(fā)芯片——IA4420IA4420集成了數(shù)據(jù)過濾、時鐘提取、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)識別、FIFO緩沖區(qū)和TX（傳輸）數(shù)據(jù)寄存器等。芯片的自動頻率控制特性允許使用低精度振蕩器，從而降低成本，芯片還可以向微控制器提供時鐘信號，避免使用兩個晶振的情況。在低功耗應用方面，IA4420支持基于內(nèi)部喚醒定時器的低占空比運行，最低待機電流可低至0.3μA。IA4420使用2.2～5.4V的外部供電電壓，芯片封裝為16引腳的TSSOP（薄型微縮型小尺寸封裝），主要應用于遠程控制、家居安防與報警、無線鍵盤/鼠標及其他PC外設(shè)、玩具遙控、胎壓監(jiān)測、遙感測量、遠程自動抄表等場合。7.4.2低于1GHz的多頻點RFID收發(fā)芯片——CC1110Fx/CC1111FxCC1110Fx/CC1111Fx是高性能、低成本的無線收發(fā)SoC芯片，可以工作在低于1GHz的ISM/SRD（ShortRangeDevice，短距離設(shè)備）頻段，工作頻率為315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等。其內(nèi)部集成了一個8051MCU，包含8KB/16KB/32KB非易失性Flash存儲器和1KB/2KB/4KB數(shù)據(jù)存儲器，可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（In-SystemProgramming，ISP）功能。芯片使用2.0～3.6V的寬范圍電壓供電，主要應用于無線報警和安全系統(tǒng)、工業(yè)管理與控制、構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)等場合7.4.2低于1GHz的多頻點RFID收發(fā)芯片——ADF7020ADF7020是ADI（亞德諾半導體公司）出品的低功耗、高集成度的芯片，且支持FSK/ASK/OOK（On-OffKeying，通斷鍵控，ASK的一種特例）調(diào)制的射頻收發(fā)器，可以工作在431MHz～478MHz及862MHz～956MHz兩個頻段。芯片內(nèi)部集成了完整的收發(fā)器功能，內(nèi)置7位ADC、溫度傳感器、全自動頻率控制回路補償、數(shù)字接收信號強度指示和收發(fā)開關(guān)等，僅需少量外部器件便可以構(gòu)建功能強大的系統(tǒng)，特別適合于有低成本和小體積要求的應用。7.4.2低于1GHz的多頻點RFID收發(fā)芯片——ADF7020ADF7020的發(fā)射器包括一個VCO和低噪聲PLL，允許使用跳頻擴頻。芯片的RF頻率和調(diào)制方法均可以通過簡單的3線接口編程。在掉電模式下，電流消耗小于1μA。ADF7020支持多個可編程特性，包括接收的線性度、靈敏度和中頻帶寬等。芯片電流消耗在接收模式時為19mA，在10dBm輸出的發(fā)送模式時為26.8mA。其主要應用于低成本無線數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制、無線計量、無鑰匙入口、家居自動化、過程控制、無線語音等場合。7.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L01nRF24L01是由Nordic（諾迪克）公司生產(chǎn)的支持高斯頻移鍵控（GaussFrequencyShiftKeying，GFSK）的單片無線收發(fā)芯片，工作在2.4GHz～2.4835GHz的世界通用ISM頻段。支持自動應答、自動重發(fā)、多管道數(shù)據(jù)接收、CRC運算等功能。芯片SPI的數(shù)據(jù)傳輸速率為0～8Mbit/s，無線數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s或2Mbit/s，具備126個可選的工作頻道，頻道間切換時間短。其主要應用于無線鍵盤/鼠標、安防系統(tǒng)、遙控裝置、遙感測量、智能運動裝備、工業(yè)傳感器等。7.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L017.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L017.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L017.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L01通過設(shè)置CE引腳的電平和芯片內(nèi)部CONFIG寄存器中PWR_UP位和PRIM_RX位的值，nRF24L01可以工作在不同的操作模式。7.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L01芯片還有Standby模式和PowerDown模式。Standby-I用于系統(tǒng)快速啟動時減少芯片電流消耗，此模式下部分晶振電路被激活；與Standby-I相比，Standby-Ⅱ激活了另外的部分時鐘緩沖器，電流消耗比Standby-I大。在RXmode下，芯片持續(xù)解調(diào)來自接收通道的信號，收到的有效數(shù)據(jù)包將被存放在RXFIFO緩沖區(qū)中，如果RXFIFO緩沖區(qū)已滿，則收到的數(shù)據(jù)包被丟棄。7.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L01TXmode在芯片發(fā)送數(shù)據(jù)包時激活。要發(fā)送的數(shù)據(jù)包存放在TXFIFO緩沖區(qū)中，當CE引腳持續(xù)不小于10μs的高電平時，將啟動數(shù)據(jù)包發(fā)送。在一個數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢之前，芯片將保持TXmode。發(fā)送完一個數(shù)據(jù)包后如果CE=0，那么芯片返回Standby-I；如果CE=1，那么隨后的操作取決于TXFIFO緩沖區(qū)的狀態(tài)。如果TXFIFO緩沖區(qū)不為空，那么芯片保持TXmode并繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包；如果TXFIFO緩沖區(qū)為空，那么芯片返回Standby-Ⅱ。7.4.32.45GHzRFID收發(fā)芯片nRF24L01nRF24L01有兩種數(shù)據(jù)包處理方式：ShockBurst方式和增強型ShockBurst方式。（1）ShockBurst方式ShockBurst