在早上到達(dá)辦公室的那一刻為止，可能不知不覺間已經(jīng)使用了4次射頻標(biāo)簽（RFID），分別是：在插入車鑰匙、關(guān)閉發(fā)動機防盜鎖止系統(tǒng)電路之時;在開車經(jīng)過無人收費站自動付費之時;在使用手機支付早上的熱牛奶咖啡之時;在利用身份證件登記進(jìn)入辦公室之時。RFID也許還沒有廣泛普及，但正在逐漸取得成功。

第一批由射頻輸入供電的無源應(yīng)答器可以追溯到20世紀(jì)70年代初，當(dāng)時就像今天大多數(shù)各式各樣的RFID應(yīng)用情景一樣。正是有了今天半導(dǎo)體技術(shù)的可喜進(jìn)步，才使得RFID真正開始騰飛。

在商業(yè)市場中，RFID提供了史無前例的機會，通過提供非常細(xì)致的數(shù)據(jù)以及使支付和記錄保留等服務(wù)實現(xiàn)自動化，可以提高工作效率并改善用戶體驗。RFID被廣泛用于各種應(yīng)用，如牲畜身份識別、零售庫存管理、病歷管理、電子不停車收費、電子護(hù)照，以及更近一些的手機，它們將是特定RFID技術(shù)的重要推手。

RFID標(biāo)簽（RFID的身份部分）市場正在快速增長，并有望得到加速發(fā)展。例如IDTechEx公司就預(yù)測，到2021年，無源RFID標(biāo)簽數(shù)量將從2011年的不到30億個增長到約2500億個。

從工程角度看，RFID不是一種單一技術(shù)，它隨頻率改變而變化。其可以采用許多種載波頻率，但主要是以下三種：低頻（LF）使用 125kHz至135kHz頻段，高頻（HF）工作在13.56MHz頻段，UHF（超高頻）主要在865MHz至955MHz頻段中使用，雖然它也可能包含 2.4GHz頻段。表1列出了這三種主要RFID頻段的應(yīng)用和讀取范圍。

表1：RFID頻段及應(yīng)用

大多數(shù)RFID系統(tǒng)設(shè)計工作主要集中在讀取器系統(tǒng)上。讀取器的設(shè)計主要取決于半導(dǎo)體公司設(shè)計和制造的應(yīng)答器（標(biāo)簽）的應(yīng)用和特性。一般來說，有兩種類型的標(biāo)簽可以用來與讀取器通信：帶嵌入式電池的有源標(biāo)簽，和不帶電池的無源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽更加常見，本文將只討論無源標(biāo)簽。

耦合技術(shù)

電磁耦合在決定無源標(biāo)簽的讀取范圍方面發(fā)揮著重要作用。LF和HF RFID系統(tǒng)使用電感耦合：能量通過共享磁場從讀取器線圈傳送到應(yīng)答器（標(biāo)簽）線圈。

LF和HF系統(tǒng)中的讀取器天線會在一個被稱為近場的電磁區(qū)域中產(chǎn)生一個強大磁場（距天線最多約一個波長的距離）。這個磁場的強度足以喚醒標(biāo)簽，并給它提供將身份數(shù)據(jù)傳送給讀取器所需的電能。電感耦合還可以通過相同的能量傳送機制用于向標(biāo)簽寫入。圖1演示了電感耦合的概念。

圖1： 用于LF和HF系統(tǒng)（包括NFC）的電感耦合發(fā)生在近場區(qū)域內(nèi)

UHF RFID系統(tǒng)工作在距天線約兩個波長到無限遠(yuǎn)的“遠(yuǎn)場”，可以實現(xiàn)比LF和HF系統(tǒng)更大的讀取范圍。標(biāo)簽天線利用一種被稱為后向散射耦合的技術(shù)接收讀取器天線的電磁能量，RFID芯片再使用這個能量改變天線上的負(fù)載，并反射回包含身份信息的改變后信號。

在實際應(yīng)用中，標(biāo)簽是針對特定應(yīng)用設(shè)計的，在頻率、內(nèi)存容量、支持的標(biāo)準(zhǔn)和天線設(shè)計方面都有所不同。Texas Instruments的Tag-itTM HF-I Plus應(yīng)答器 （595-RI-I03-112A-03） 在微小的矩形外形中提供了2kb的內(nèi)存，適合用于產(chǎn)品鑒定、資產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理。它是一種工作在13.56MHz頻率的HF標(biāo)簽。在內(nèi)存范圍的另一端，NXP公司的HITag? μ應(yīng)答器 （771-HTMS1101FTBAF1） 集成了128kb的內(nèi)存。它是一種LF標(biāo)簽，適合用于牲畜識別、洗衣自動化以及啤酒桶和煤氣罐的物流運輸。

設(shè)計目標(biāo)

特定RFID系統(tǒng)讀取器的特性很大程度上取決于具體應(yīng)用，雖然有一些目標(biāo)跨越了應(yīng)用界限。就像在大多數(shù)工程項目中成本很重要，這通常意味著要盡量減少所需材料，并盡量提高標(biāo)簽制造商提供的附加價值，如開發(fā)工具、參考設(shè)計和軟件。機械設(shè)計應(yīng)該堅固耐用，并提供防破壞保護(hù)功能，另外還要注意系統(tǒng)所在地政府的頻率分配。系統(tǒng)很容易部署和操作也很重要，因為最終用戶不是技術(shù)人員。

近場通信

功耗也非常重要，尤其是對于電池供電的應(yīng)用，例如帶嵌入式近場通信 （NFC） 功能的智能手機。雖然NFC是RFID技術(shù)的一個子集，但它具有一些獨特的增強性能：

更短距離 - NFC的讀取距離特別短 （《10 cm），因此可以防止一些偶然或未授權(quán)的鏈路活動。加密則確保了更高的安全性。

直觀的鏈接過程 - NFC對最終用戶要求極低。比如，具有NFC功能的智能手機只需彼此或與NFC讀取器靠近或掃過一下就能啟動會話。

能夠與無源的RFID產(chǎn)品進(jìn)行通信 - NFC在自我供電設(shè)備之間的工作方式是傳統(tǒng)的方式。它還支持與非接觸式智能卡或RF應(yīng)答器等無源設(shè)備的通信。

與藍(lán)牙和Wi-Fi協(xié)作 - 除了與RFID技術(shù)是補充關(guān)系外，NFC還具有與使用藍(lán)牙和Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行通信的內(nèi)置功能。因此，NFC在現(xiàn)有技術(shù)之間提供了多協(xié)議橋接。

據(jù)IMS Research公司預(yù)測，NFC應(yīng)用將快速增長，而手機是背后的主要推動力。隨著制造商在手機產(chǎn)品中將無線通信與支付技術(shù)作為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，具有NFC 功能的手機數(shù)量從2012年到2017年將增加10倍，達(dá)到12億部。今年的出貨量預(yù)計將增至2.68億臺，較2012年的1.2億臺增長123%。主要的NFC應(yīng)用包括：

娛樂門票、乘坐出租車或任何POS機應(yīng)用的支付;另外商店代金券也可以存儲在NFC手機中。

使用NFC智能手機實現(xiàn)大樓安防的身份驗證和門禁控制;另外還有電腦登錄、上鎖/解鎖車門等。

在智能手機、數(shù)碼相機和平板電腦等NFC產(chǎn)品之間進(jìn)行點到點的數(shù)據(jù)傳送。

與藍(lán)牙或Wi-Fi建立通信鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

提供對數(shù)字信息的訪問，因為NFC設(shè)備將能夠把智能海報中的日程表讀取到NFC手機;從智能海報下載地圖;在你的手機上記錄你停車的地方。

NFC技術(shù)基礎(chǔ)

NFC 工作在13.56MHz頻率范圍，數(shù)據(jù)傳送速率從106kb/s到424kb/s。為了盡量提高其實用性，該技術(shù)向后兼容基于ISO/IEC 14443 A和ISO/IEC 14443 B的智能卡協(xié)議，以及索尼的FeliCa?卡 （JIS X 6319-4）。

為了實現(xiàn)兩個NFC設(shè)備之間的信息交換，業(yè)界開發(fā)了一種新的協(xié)議，并在ECMA-340和ISO/IEC 18092標(biāo)準(zhǔn)中對其進(jìn)行了定義。NFC論壇開發(fā)了相關(guān)的規(guī)范，用于確保NFC產(chǎn)品的互操作性。NFC 有三種工作模式：

在卡片模擬模式（無源模式）下，NFC設(shè)備像現(xiàn)有符合某個傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡一樣工作。

在讀/寫模式（有源模式）下，NFC設(shè)備是有源的，并讀取或?qū)懭雮鹘y(tǒng)的無源RFID標(biāo)簽。

在點對點模式下，兩個NFC設(shè)備交換信息。發(fā)起設(shè)備（輪詢設(shè)備）的功耗比讀/寫模式下低，因為目標(biāo)（監(jiān)聽設(shè)備）使用自己的電源。

三種傳統(tǒng)模式中的每一種都有自己的傳送技術(shù)：NFC-A（向后兼容ISO/IEC 14443 A）、NFC-B（向后兼容ISO/IEC 14443 B）和NFC-F（向后兼容JIS X 6319-4）。

為了支持傳統(tǒng)技術(shù)，NFC設(shè)備必須輪詢監(jiān)聽設(shè)備（標(biāo)簽）以確定使用哪種協(xié)議：NFC-A、NFC-B或NFC-F。圖2展示了輪詢序列的主要流程。

圖2：決定NFC通信協(xié)議的輪詢流程

在NFC系統(tǒng)設(shè)計中，控制器芯片扮演著重要角色。決定使用哪種通信模式只是開始。在其它的典型MCU任務(wù)中，控制器必須監(jiān)控收發(fā)器、電源管理和主機接口。NFC特定接口包括安全訪問模塊 （SAM） 接口、用戶身份模塊 （SIM） 接口和非接觸技術(shù) （CLESS） 接口。

NXP PN544 （771-PN5441A2EC20501） 是一款功能齊全的NFC控制器，具有嵌入式80C51內(nèi)核，適合集成到移動電話中。閱讀器端的應(yīng)用包括移動支付設(shè)備、交通和活動票務(wù)以及對象交換（例如電子名片和數(shù)字權(quán)利）。Texas Instruments的TRF7970ARHBT （595-TRF7970ARHBT） 支持相同的應(yīng)用范圍。

結(jié)論

雖然RFID應(yīng)用通常不是高性能、高速設(shè)計，但由于涉及不同標(biāo)準(zhǔn)、頻率選擇以及最重要的應(yīng)用要求，所以整個系統(tǒng)的復(fù)雜度非常高。每個新的設(shè)計都會帶來有關(guān)安全、范圍、 信號方向、環(huán)境條件、功耗、內(nèi)存要求和接口設(shè)計方面的決策。不過，一旦系統(tǒng)架構(gòu)考慮成熟，主要由半導(dǎo)體公司提供的眾多設(shè)計工具和開發(fā)套件，就能幫助我們的項目走向成功。

責(zé)任編輯：ct