隨著RFID走熱，設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)將會(huì)激增

今天早上在去辦公室的路上，您可能已在不知不覺中用了四次RFID：不用拿出車鑰匙就發(fā)動(dòng)了汽車;走ETC專用車道時(shí)自動(dòng)支付過路費(fèi);手機(jī)揮一下就買好了今天的早點(diǎn);用胸牌通過了辦公室門禁。RFID也許還沒有廣泛普及，但正在逐漸取得成功。

第一個(gè)由傳入射頻驅(qū)動(dòng)的無源應(yīng)答器可以追溯到20世紀(jì)70年代初，當(dāng)今許多RFID應(yīng)用的設(shè)想也是如此。正是有了半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步(更不用說摩爾定律)，才使得RFID真正開始騰飛。

對(duì)于企業(yè)而言，RFID提供了前所未有的機(jī)會(huì)，可通過提供非常細(xì)致的數(shù)據(jù)以及自動(dòng)實(shí)現(xiàn)支付和記錄保存等服務(wù)，來提高生產(chǎn)率并改善客戶體驗(yàn)。RFID廣泛用于各種應(yīng)用，如牲畜識(shí)別、零售庫存管理、病歷管理、電子收費(fèi)、電子護(hù)照以及最近在手機(jī)方面的應(yīng)用，將成為特定RFID技術(shù)的關(guān)鍵推手。

RFID標(biāo)簽市場(RFID的ID部分)正在快速增長，并有望加速發(fā)展。例如，據(jù)IDTechEx預(yù)測(cè)，無源RFID標(biāo)簽的數(shù)量將從2011年的不到30億個(gè)增加到2021年的大約2500億個(gè)。

從工程的角度來看，RFID并不是單一的技術(shù)，因頻率的不同而分為不同類型?？赡苡玫降妮d頻有許多種，但有三個(gè)占主導(dǎo)地位：工作頻率為125至135 KHz的LF;工作頻率為13.56 MHz的HF;以及主要在865至955 MHz頻段使用的UHF(2.4 GHz頻段也可包含在UHF中。) 表1總結(jié)了三大RFID頻段的應(yīng)用和讀取距離。

表1：RFID頻段和應(yīng)用

大多數(shù)RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作都集中在讀卡器系統(tǒng)上;讀卡器的設(shè)計(jì)主要由應(yīng)用以及半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)和制造的應(yīng)答器(標(biāo)簽)特性決定。從廣義上講，可以使用兩種類型的標(biāo)簽與讀卡器進(jìn)行通信：具有嵌入式電池的有源標(biāo)簽和沒有電池的無源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽更為常見，所以本文將只討論該類型。

耦合技術(shù)

電磁耦合在決定無源標(biāo)簽的讀取距離方面起著主導(dǎo)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卡器線圈傳輸?shù)綉?yīng)答器(標(biāo)簽)線圈。

LF和HF系統(tǒng)中的讀卡器天線在稱為“近場”的電磁區(qū)域(距離天線最多一個(gè)波長)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)磁場。這個(gè)磁場的強(qiáng)度足以喚醒標(biāo)簽并為其提供將身份數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶x卡器所需的能量。電感耦合也可使用相同的能量傳輸機(jī)制寫入標(biāo)簽。圖1說明了電感耦合的概念。

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

UHF RFID系統(tǒng)工作在距天線約兩個(gè)波長到無限遠(yuǎn)的“遠(yuǎn)場”，可以實(shí)現(xiàn)比LF和HF系統(tǒng)更大的讀取距離。標(biāo)簽天線使用一種稱為反向散射耦合的技術(shù)接收讀卡器天線的電磁能量，而RFID芯片使用這種能量來改變天線上的負(fù)載并反射回包含身份信息的更改信號(hào)。

實(shí)際上，標(biāo)簽是為特定應(yīng)用而設(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)方面各不相同。Texas Instruments的Tag-itTM HF-I Plus應(yīng)答器 (595-RI-I03-112A-03) 在微型矩形形狀中提供2Kb內(nèi)存，適用于產(chǎn)品認(rèn)證、資產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理， 這是一種工作頻率為13.56 MHz的HF標(biāo)簽。而NXP的HITag® μ應(yīng)答器 (771-HTMS1101FTBAF1) 集成了128Kb的內(nèi)存， 這是一種適用于牲畜識(shí)別、洗衣自動(dòng)化以及啤酒桶和氣瓶物流的LF標(biāo)簽。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

特定的RFID系統(tǒng)讀卡器功能很大程度上取決于應(yīng)用，有一些跨應(yīng)用功能。與大多數(shù)工程項(xiàng)目一樣，成本是非常重要的因素，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，如開發(fā)工具、參考設(shè)計(jì)和軟件。機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)固耐用，并提供防破壞保護(hù)。還應(yīng)考慮系統(tǒng)部署地區(qū)的政府頻率分配。系統(tǒng)還一定要非常易于部署和操作，因?yàn)樽罱K用戶并不是技術(shù)人員。

近場通信

功耗同樣十分關(guān)鍵，尤其是電池供電應(yīng)用，例如具有嵌入式近場通信 (NFC) 功能的智能手機(jī)。雖然NFC是RFID技術(shù)的一個(gè)子集，但其具有一些獨(dú)特的增強(qiáng)功能：

(1)更短的距離：NFC極短(<10厘米)的工作范圍可防止鏈路意外或未經(jīng)授權(quán)激活。加密可確保更高的安全性。

(2)直觀的鏈接程序：NFC不需要最終用戶費(fèi)多大的精力。例如，對(duì)于具有NFC功能的智能手機(jī)，只需彼此或與NFC讀卡器靠近或掃過一下即可啟動(dòng)對(duì)話。

(3)與無源RFID產(chǎn)品通信的能力：NFC在自供電設(shè)備之間以傳統(tǒng)方式工作，還支持與無源設(shè)備(如非接觸式智能卡或RF應(yīng)答器)進(jìn)行通信。

(4)與藍(lán)牙和Wi-Fi的協(xié)作：除了與RFID技術(shù)的互補(bǔ)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提供了現(xiàn)有技術(shù)之間的多協(xié)議橋梁。

IMS Research公司預(yù)測(cè)，NFC應(yīng)用將快速增長，而手機(jī)是背后的主要驅(qū)動(dòng)力。隨著制造商在其產(chǎn)品中采用無線通信和支付技術(shù)作為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，支持NFC的手機(jī)在2012年至2017年間將增長10倍，達(dá)到12億部。今年的出貨量預(yù)計(jì)將增長至2.68億部，比2012年的1.2億部增長123%。主要的NFC應(yīng)用包括：

(1)娛樂門票、出租車或任何POS應(yīng)用的支付。商店代金券也可以存儲(chǔ)在NFC手機(jī)上。

(2)使用NFC智能手機(jī)進(jìn)行安全樓宇的身份驗(yàn)證和門禁控制;還有PC登錄、車門上鎖/解鎖等。

(3)NFC單元(例如智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和平板電腦)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。

(4)通過藍(lán)牙或Wi-Fi建立通信鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

(5)對(duì)數(shù)字信息的訪問：NFC設(shè)備將能夠從智能海報(bào)下載地圖;將日程表從智能海報(bào)讀取到NFC手機(jī);在手機(jī)上記錄停車位置。

NFC技術(shù)基礎(chǔ)

NFC在13.56 MHz頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸速率為106至424Kbps。為了最大限度地發(fā)揮其實(shí)用性，這項(xiàng)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，還兼容Sony FeliCaTM卡 (JIS X 6319-4)。

為了在兩臺(tái)NFC設(shè)備之間交換信息，制定了一種新的協(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論壇制定了確保NFC產(chǎn)品互操作性的規(guī)范。NFC具有三種操作模式：

(1)卡模擬模式(無源模式)：NFC設(shè)備的行為類似于符合傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之一的現(xiàn)有非接觸式卡;

(2)讀寫器模式(有源模式)：NFC設(shè)備處于有源狀態(tài)，讀取或?qū)懭氲絺鹘y(tǒng)的無源RFID標(biāo)簽;

(3)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式：兩臺(tái)NFC設(shè)備交換信息。與讀寫器模式相比，發(fā)起設(shè)備(輪詢?cè)O(shè)備)需要的功率更小，因?yàn)槟繕?biāo)(監(jiān)聽設(shè)備)使用自己的電源。

三種傳統(tǒng)模式都有自己的傳輸技術(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和NFC-F)。圖2說明了輪詢序列的主要流程。

定NFC通信協(xié)議

在NFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制器芯片起著核心作用。決定使用哪種通信模式僅僅是開始。除了其他典型的MCU任務(wù)外，它必須監(jiān)視和控制收發(fā)器、電源管理和主機(jī)接口。NFC特定接口包括安全訪問模塊 (SAM) 接口、用戶身份模塊 (SIM) 接口和非接觸式技術(shù) (CLESS) 接口。

NXP的PN544 (771-PN5441A2EC20501) 是一款具有嵌入式80C51內(nèi)核的全功能NFC控制器，適合集成到手機(jī)中。在讀卡器端，應(yīng)用包括移動(dòng)支付設(shè)備、交通和活動(dòng)票務(wù)以及對(duì)象交換(例如，電子名片和數(shù)字版權(quán))。Texas Instruments的TRF7970ARHBT (595-TRF7970ARHBT) 支持相同的應(yīng)用范圍。

結(jié)論

盡管RFID應(yīng)用通常不是高性能、高速的設(shè)計(jì)，但由于不同的標(biāo)準(zhǔn)、頻率選項(xiàng)以及(最重要的)應(yīng)用要求，在系統(tǒng)層面存在極大的復(fù)雜性。每個(gè)新設(shè)計(jì)都會(huì)帶來有關(guān)安全性、距離、信號(hào)方向性、環(huán)境條件、功耗、內(nèi)存要求和接口設(shè)計(jì)的決策。然而，一旦系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)過仔細(xì)考慮，主要由半導(dǎo)體公司提供的眾多設(shè)計(jì)工具和開發(fā)套件，將為項(xiàng)目提供一條通往成功的清晰途徑。