RFID走熱，設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)將激增

 在今天早上你到達(dá)辦公室的那一刻為止，你可能在沒(méi)有意識(shí)到的情況下已經(jīng)使用了4次射頻標(biāo)簽(RFID)，分別是：在你插入車(chē)鑰匙、關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止系統(tǒng)電路之時(shí);在你開(kāi)車(chē)經(jīng)過(guò)無(wú)人收費(fèi)站自動(dòng)付費(fèi)之時(shí);在你使用手機(jī)支付早上的熱牛奶咖啡之時(shí);在你利用身份證件登記進(jìn)入辦公室之時(shí)。RFID也許還沒(méi)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(wú)源應(yīng)答器可以追溯到20世紀(jì)70年代初，當(dāng)時(shí)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(kāi)始騰飛。

在商業(yè)市場(chǎng)中，RFID提供了史無(wú)前例的機(jī)會(huì)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以提高產(chǎn)能并改善用戶(hù)體驗(yàn)。RFID被廣泛用于各種應(yīng)用，如牲畜身份識(shí)別、零售庫(kù)存管理、病歷管理、電子不停車(chē)收費(fèi)、電子護(hù)照，以及更近一些的手機(jī)，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)的市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)，并有望得到加速發(fā)展。例如IDTechEx公司就預(yù)測(cè)，2021年無(wú)源RFID標(biāo)簽數(shù)量將從2011年的不到30億個(gè)增長(zhǎng)到約2500億個(gè)。

從工程角度看，RFID不是一種單一技術(shù)，它隨頻率改變而有所變化。其可以采用許多種載波頻率，但其中三種占主導(dǎo)地位(見(jiàn)表1)。低頻(LF)使用125kHz至135kHz頻段，高頻(HF)工作在13.56MHz。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：RFID頻段及應(yīng)用

大多數(shù)RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作主要集中在讀取器系統(tǒng)。半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)和制造的應(yīng)答器(標(biāo)簽)的應(yīng)用和特性將主要決定讀取器的設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，有兩種類(lèi)型的標(biāo)簽可以用來(lái)與讀取器通信：含嵌入式電池的有源標(biāo)簽，和無(wú)電池的無(wú)源標(biāo)簽。無(wú)源標(biāo)簽更加常見(jiàn)，本文將只討論無(wú)源標(biāo)簽。

耦合技術(shù)

電磁耦合在決定無(wú)源標(biāo)簽的讀取范圍方面發(fā)揮著重要的作用。LF和HF RFID系統(tǒng)使用電感耦合。能量通過(guò)共享磁場(chǎng)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(huì)在一個(gè)被稱(chēng)為近場(chǎng)的電磁區(qū)域中創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大磁場(chǎng)，范圍距天線最多約一個(gè)波長(zhǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)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源。電感耦合還可以使用相同的能量傳送機(jī)制用來(lái)寫(xiě)標(biāo)簽(圖1)。

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

UHF RFID系統(tǒng)工作在距天線約兩個(gè)波長(zhǎng)到無(wú)限遠(yuǎn)的“遠(yuǎn)場(chǎng)”，可以實(shí)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(chēng)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(gè)能量改變天線上的負(fù)載，并反射回包含身份信息的改變信號(hào)。

在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽是為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的，在頻率、內(nèi)存容量、支持的標(biāo)準(zhǔn)和天線設(shè)計(jì)方面都有變化。德州儀器(TI)公司的Tag-it HF-I Plus應(yīng)答器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)存規(guī)模的另一端，恩智浦(NXP)公司的HITag μ應(yīng)答器集成了128kb的內(nèi)存。這是一種LF標(biāo)簽，適合用于牲畜識(shí)別、洗衣自動(dòng)化以及啤酒桶和煤氣罐的物流運(yùn)輸。

設(shè)計(jì)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)跨越應(yīng)用界限。就像在大多數(shù)工程項(xiàng)目中成本很重要，這通常意味著盡量減少材料清單，盡量提高標(biāo)簽制造商提供的附加價(jià)值，如開(kāi)發(fā)工具、參考設(shè)計(jì)和軟件。

機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)該堅(jiān)固耐用，并提供防破壞保護(hù)功能。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?yàn)樽罱K用戶(hù)不是技術(shù)人員。

近場(chǎng)通信

功耗也非常重要，尤其是在電池供電的應(yīng)用，例如帶嵌入式近場(chǎng)通信(NFC)功能的智能手機(jī)中。雖然NFC是RFID技術(shù)的一個(gè)子集，但具有一些獨(dú)特的增強(qiáng)性能：

更短距離——NFC的工作距離特別短(<10cm)，因此可以防止一些偶然或未授權(quán)的鏈路活動(dòng)。加密則確保了更高的安全性。

直觀的鏈接過(guò)程——NFC對(duì)最終用戶(hù)要求極低。舉例來(lái)說(shuō)，具有NFC功能的智能手機(jī)只需彼此或與NFC讀取器靠近或掃過(guò)一下就能啟動(dòng)會(huì)話。

能夠與無(wú)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。它也支持與非接觸式智能卡或RF應(yīng)答器等無(wú)源設(shè)備的通信。

與藍(lán)牙和Wi-Fi的協(xié)作——除了與RFID技術(shù)是補(bǔ)充關(guān)系外，NFC還具有與使用藍(lán)牙和Wi-Fi無(wú)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(cè)，NFC應(yīng)用將快速增長(zhǎng)，而手機(jī)是背后的主要驅(qū)動(dòng)力。隨著制造商在手機(jī)產(chǎn)品中將無(wú)線通信與支付技術(shù)作為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，具有NFC功能的手機(jī)數(shù)量從2012年到2017年將增加10倍，達(dá)到12億部。今年交付的數(shù)量計(jì)劃將增加到2.68億部，在2012年的1.2億部基礎(chǔ)上增長(zhǎng)123%。主要的NFC應(yīng)用包括：

* 娛樂(lè)門(mén)票、乘坐出租車(chē)或任何銷(xiāo)售點(diǎn)(POS)應(yīng)用的支付;商店代金券也可以存儲(chǔ)在NFC手機(jī)中。

* 使用NFC智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)安防大樓的身份驗(yàn)證和門(mén)禁控制;還有電腦登錄、上鎖/解鎖車(chē)門(mén)等。

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

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

* 提供對(duì)數(shù)字信息的訪問(wèn)，因?yàn)镹FC設(shè)備將能夠從智能海報(bào)到NFC手機(jī)等產(chǎn)品讀取日程表;從智能海報(bào)下載地圖;在你的手機(jī)上記錄你停車(chē)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106kbit/s到424kbit/s。為了盡量提高其有用性，該技術(shù)后向兼容基于ISO/IEC 14443A和ISO/IEC 14443B的智能卡協(xié)議，以及索尼的FeliCa卡(JIS X 6319-4)。

為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)NFC設(shè)備之間的信息交換，業(yè)界開(kāi)發(fā)了一種新的協(xié)議，并在ECMA-340和ISO/IEC 18092標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其進(jìn)行了定義。NFC論壇開(kāi)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(wú)源模式)時(shí)，NFC設(shè)備像現(xiàn)有符合某個(gè)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡一樣工作。在讀/寫(xiě)模式(有源模式)時(shí)，NFC設(shè)備是有源的，并讀取或?qū)懭雮鹘y(tǒng)的無(wú)源RFID標(biāo)簽。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式中，兩個(gè)NFC設(shè)備交換信息。發(fā)起設(shè)備(輪詢(xún)?cè)O(shè)備)的功耗比讀/寫(xiě)模式低，因?yàn)槟繕?biāo)(監(jiān)聽(tīng)設(shè)備)使用自己的電源。

三種傳統(tǒng)模式中每種都有自己的傳送技術(shù)：NFC-A(后向兼容ISO/IEC 14443A);NFC-B(后向兼容ISO/IEC 14443B);NFC-F(后向兼容JIS X 6319-4)。為了支持傳統(tǒng)技術(shù)，NFC設(shè)備必須輪詢(xún)監(jiān)聽(tīng)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)。

圖2：為了支持傳統(tǒng)技術(shù)，NFC設(shè)備必須使用這個(gè)輪詢(xún)順序輪詢(xún)監(jiān)聽(tīng)設(shè)備(標(biāo)簽)以確定使用哪種協(xié)議(NFC-A、NFC-B或NFC-F)。

控制器芯片

在NFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制器芯片扮演著重要角色。判斷使用哪種通信模式只是開(kāi)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(jī)接口。NFC特定接口包括安全訪問(wèn)模塊(SAM)接口、用戶(hù)身份模塊(SIM)接口和非接觸技術(shù)(CLESS)接口。

恩智浦的PN544是一款帶嵌入式80C51內(nèi)核的全功能NFC控制器，非常適合集成進(jìn)手機(jī)。在讀取器一側(cè)，應(yīng)用包括移動(dòng)支付設(shè)備、交通與活動(dòng)票務(wù)，以及對(duì)象交換(如vCard和數(shù)字版權(quán))。TI的TRF7970ARHBT支持相同范圍的應(yīng)用。

本文小結(jié)

雖然RFID應(yīng)用通常不是高性能、高速設(shè)計(jì)，但由于不同標(biāo)準(zhǔn)、頻率選擇和最重要的應(yīng)用需求，系統(tǒng)級(jí)存在大量的復(fù)雜性。每個(gè)新的設(shè)計(jì)都會(huì)帶來(lái)有關(guān)安全、范圍、信號(hào)方向、環(huán)境條件、功耗、內(nèi)存要求和接口設(shè)計(jì)方面的決策。然而，一旦系統(tǒng)架構(gòu)考慮成熟，主要由半導(dǎo)體公司推出的眾多設(shè)計(jì)工具和開(kāi)發(fā)套件，就能為我們的項(xiàng)目提供一條通達(dá)成功的清晰路徑。