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RFID技術及測試方案

2012-8-2　　閱讀(6953)

RFID 背景介紹

RFID 是 Radio Frequency Identification 的縮寫，即無線射頻識別，實際上是自動識別技術（AEI ， Automatic Equipment Identification）在無線電技術方面的具體應用與發展。該項技術的基本思想是，通過采用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。 RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

RFID 技術應用有哪些呢？下面作一個簡單的介紹：
軍事物流系統

RFID 技術源于美國，早在二戰期間，就用于飛機的敵我識別，在zui近幾年的局部戰爭中， RFID 技術已經成功地應用于美軍后勤的物流管理，無論是在物資定購中、運輸途中、還是在某個倉庫存儲中，通過該系統，各級指揮人員都可以實時掌握物流所有信息。 RFID 接收發送裝置通常安裝在運輸線檢查站以及倉庫、車站、碼頭、機場等關鍵節點上。接收裝置收到 RFID 標簽信息后，連同接收地的位置信息，傳送給后勤調度管理中心，同時存入中心信息數據庫。今年，美國國防部要求其主要供應商在 2005 年前所有交付的貨物都必須有 RFID 標簽。

RFID 作為一種自動識別系統，它通過非接觸的射頻信號自動識別目標并采集數據，可識別高速運動目標并可同時識別多個目標，無須人工干預，操作快捷方便，可適應各種惡劣環境。無論軍用物資處于采購、運輸、倉儲、使用、維修的任何環節，各級指揮人員都可以實時掌握其信息和狀態。 RFID 可以極快的速度在讀寫器和電子標簽之間采集和交換數據；具有智能讀寫及加密通信的能力，世界*性密碼，*的信息保密性，這對于軍事物流要求準確、快速、安全、可控提供了切實可行的技術途徑。因此，大力推廣 RFID 技術在軍事物流系統的應用是非常緊迫和必要的。

門禁保安

將來的門禁保安系統均可應用射頻卡。一卡可以多用。比如，可以作工作*、出入*、停車卡、飯店住宿卡甚至旅游護照等，目的都是識別人員身份、安全管理、收費等等。好處是簡化出入手續、提高工作效率、安全保護。只要人員佩戴了封裝成 ID 卡大小的射頻卡、進出入口有一臺讀寫器，人員出入時自動識別身份，非法闖入會有報警。安全級別要求高的地方、還可以結合其它的識別方式，將指紋、掌紋或顏面特征存入射頻卡。

公司還可以用射頻卡保護和跟蹤財產。將射頻卡貼在物品上面，如計算機、傳真機、文件、復印機或其它實驗室用品上。該射頻卡使得公司可以自動跟蹤管理這些有價值的財產，可以跟蹤一個物品從某一建筑離開，或是用報警的方式限制物品離開某地。結合 GPS 系統利用射頻卡，還可以對貨柜車、貨艙等進行有效跟蹤。

汽車防盜

這是 RFID 較新的應用。目前已經開發出了足夠小的、能夠封裝到汽車鑰匙當中含有特定碼字的射頻卡。它需要在汽車上裝有讀寫器，當鑰匙插入到點火器中時，讀寫器能夠辨別鑰匙的身份。如果讀寫器接收不到射頻卡發送來的特定信號，汽車的引擎將不會發動。用這種電子驗*的方法，汽車的中央計算機也就能容易防止短路點火。

另一種汽車防盜系統是，司機自己帶有一射頻卡，其發射范圍是在司機座椅 45~55cm 以內，讀寫器安裝在座椅的背部。當讀寫器讀取到有效的 ID 號時，系統發出三聲鳴叫，然后汽車引擎才能啟動。該防盜系統還有另一*功能：倘若司機離開汽車并且車門敞開引擎也沒有關閉，這時讀寫器就需要讀取另一有效 ID 號；假如司機將該射頻卡帶離汽車，這樣讀寫器不能讀到有效 ID 號，引擎就會自動關閉，同時觸發報警裝置。

電子物品監視系統

電子物品監視系統（Electronic Article Surveillance, EAS）的目的是防止商品被盜。整個系統包括貼在物體上的一個內存容量僅為 1 比特（即開或關）的射頻卡，和商店出口處的讀寫器。射頻卡在安裝時被激活。在激活狀態下，射頻卡接近掃描器時會被探測到，同時會報警。如果貨物被購買，由銷售人員用工具拆除射頻卡（典型的是在服裝店里），或者用磁場來使射頻卡失效，或者直接破壞射頻卡本身的電特性。 EAS 系統已被廣泛使用。據估計每年消耗 60 億套。

• RFID 市場

RFID 產業鏈作為一個新型的高新技術產業群，將成為信息產業新的增長點。這是因為 RFID 技術涉及到信息、制造、材料等諸多高新技術領域。目前， RFID 技術已經在各地被廣泛應用于生產、物流、交通及運輸等行業。

RFID 在國外發展得很快。 RFID 產品種類很多，像德州儀器、 Motorola 、 Philips 、 Microchip 等世界廠家都生產 RFID 產品其產品各有特點，自成系列。 RFID 技術被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。如澳大利亞將它的 RFID 產品用于澳機場旅客行李管理中并發揮了出色的作用；瑞士國家鐵路局在瑞士的全部旅客列車上安裝 RFID 自動識別系統，調度員可以實時掌握火車運行情況，不僅利于管理，還大大減小了發生事故的可能性；德國 BMW 公司將射頻識別系統應用在汽車生產流水線的生產過程控制中等。

據有關數據顯示， RFID 產品在*的銷量以每年 25.3% 的比例增長。由此可見， RFID 技術具有廣闊的市場前景。

我國政府在 1993 年制定的金卡工程實施計劃，是一個旨在加速推動我國國民經濟信息化進程的重大*工程，由此各種自動識別技術的發展及應用十分迅猛。現在， RFID 技術作為一種新興的自動識別技術，也將在中國很快地普及。
國家發改委高新技術司副司長綦成元表示，可以預見， RFID 技術在未來幾年內將達到數百億美元的市場規模，不僅如此， RFID 的應用還將給留守、物流等產業帶來革命性的變化。遺憾的是， RFID 技術在中國卻一直未能廣泛普及，其主要原因在于缺乏一套可供業界共用的標準，尤其是中國的 RFID 標準尚未正式確立。盡管如此，中國 RFID 市場還是在悄然增長， IDC 數據顯示， 2005 年整個 RFID 在中國的市場容量為 4.7 億元，到 2009 年就會膨脹到 58.7 億元，其年復合增長率大約是 65.6% 。

等信息通過卡內置發送天線發送出去；系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。

去年啟動的國家第身份*項目，采用的就是 RFID 技術，正是運用這一技術，使得身份*成為一張智能卡，除了保留視讀功能外，還可以進行非接觸的機器自動讀取及通過讀卡器對卡內存儲的居民身份信息進行更改。截至 2005 年底，全國已發放 1.2 億張，至 2008 年將完成 9 億張 IC 卡身份*的換發工作。

中國是世界的制造業中心，也是zui大的消費國之一，手機用戶、網民、制造業、物流等規模在世界上都*，因而毫無疑問將成為 RFID 技術應用的大國。巨大的市場潛力和商機吸引了 RFID 五大標準組織。正是由于各自的自身利益，這些“標準”制定者們勢必會在作為 “世界工廠”的中國引發一場事關 “ 標準 ” 的混戰。

擁有自主產權的 RFID 標準和核心技術，中國的制造業等將打上自己的標簽，中國也不用擔心未來要付巨額的費用。盡管中國 RFID 起步較晚、盡管幾經磨難，但卻呈現出快馬加鞭的趨勢。目前，國家 RFID 測試中心已被列入規劃，中國 RFID 標準體系框架研究工作基本完成，國家標準也納入制訂計劃。同比于上的相同技術和標準進展，中國的 RFID 屬于姍姍來遲者。

可能很多人并不知道，正在大規模推廣的身份*制作采用的僅是行業標準，而作為國家標準的中國 RFID 標準還在醞釀之中。 2006 年 6 月 9 日，中國*十五個部委（含發改委、商務部、信產部、*部等部委）歷時近一年半時間共同編制的《中國射頻識別（RFID）技術政策白皮書》正式發布。這也標志著，在自主創新的大潮中，中國并不愿意放棄對 RFID—— 這個醞釀巨大商機的標準的掌握。

中國正在各個領域抓緊對自有標準的掌握， RFID 只是其中一個部分。但一個標準動用 15 個部委聯合推出，不敢說是但也是的

• RFID 工作原理

完整的 RFID 系統需要具備有兩種關鍵能力，首先是自動識別、數據讀寫能力；然后是能滿足數據存儲和數據轉換的數據處理能力。對于 RFID 設備測試來說，我們關注的主要是組成 RFID 系統的三個基本部件：

1）電子標簽（射頻卡）：一般由芯片以及耦合元器件組成，芯片上有 EEPROM 用來儲存識別碼或其它數據，標簽內含有內置天線，主要功能是完成與讀寫器的通信。與條碼、磁卡、 IC 卡等同期或早期的識別技術相比，射頻卡具有非接觸、工作距離長、適于惡劣環境、可識別運動目標等優點。

按照能量供給方式的不同， RFID 標簽可以分為被動標簽，半主動標簽和主動標簽，其中半主動標簽和主動標簽中芯片的能量由電子標簽所附的電池提供，主動標簽可以主動發出射頻信號。按照工作頻率的不同， RFID 標簽可以分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波等不同種類。不同頻段的 RFID 工作原理不同， LF 和 HF 頻段的 RFID 電子標簽一般采用電磁耦合原理，而 UHF 及微波頻段的 RFID 一般采用電磁發射原理。

2）讀 / 寫器：讀取標簽信息的設備

RFID 讀寫器的任務是控制射頻模塊向標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其它相關信息傳輸到主機以供處理。

在多數 RFID 系統中，讀寫器在一個區域內發射電磁波（區域大小取決于工作頻率和天線尺寸）。卡片內有一個 LC 串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同。當射頻卡經過這個區域時，在電磁波的激勵下， LC 諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷。在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存。當所積累的電荷達到 2V 時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據。讀寫器接收到卡的數據后，解碼并進行錯誤校驗來決定數據的有效性，然后，通過 RS232 、 RS422 、 RS485 或無線方式將數據傳送到計算機網絡。簡單的 RFID 產品就是一種非接觸的 IC 卡，而復雜的 RFID 產品能和外部傳感器接口連接來測量、記錄不同的參數，甚至可與 GPS 系統連接來跟蹤物體。

3）Antenna 天線

天線是一種以電磁波形式把無線電收發機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線按工作頻段可分為長波、短波、超短波以及微波天線等；按方向性可分為全向天線、定向天線等；按外形可分為線狀天線、面狀天線等。在 RFID 系統中，天線分為標簽天線和讀寫器天線兩種情況，當前的 RFID 系統主要集中在 LF 、 HF （13.56MHz）、 UHF 和微波頻段。天線的原理和設計在 LF 、 HF 和 UHF 頻段有根本上的不同。實質上，由于在 LF 和 HF 頻段系統近場區并沒有電磁波的傳播，因此天線的問題主要集中在 UHF 和微波頻段。

讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去；系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。

RFID 關鍵技術： RFID 技術在很多領域已經有了許多實際應用，共性的技術已經趨于成熟，但現階段主要的關鍵技術有：
有源電子標簽低耗、低壓、抗干擾設計技術。
無源電子標簽的低值、可靠、柔性規模生產技術。
遠距離微波反射讀寫技術。

• RFID 測試方案

對 RFID 系統的性能評估，zui主要的就是讀寫距離這個參數。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的 RF 輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的 Q 值、天線方向、讀寫器和射頻卡的耦合度等等。

1. 針對標簽的測試

對于標簽zui主要的指標包括：頻率響應以及品質因素 Q
a. 對于這種帶引線電磁耦合式的標簽可以使用 4294A 阻抗分析儀配合 16047E 測試夾具進行阻抗的測試，通過諧振頻率點可以得出該標簽的工作頻率。
b. 如果標簽沒有引線，那么可以使用 4294A+42941A 的探針來進行接觸式的阻抗測試，同樣可以得到其諧振頻率。
c. 對于高頻（HF）、超高頻（UHF）或微波的 RFID 標簽（射頻卡）測試，可以采用 E4991A 射頻阻抗分析儀或 ENA （ E5071B ）網絡分析儀進行測量。
d. 通常，對于已經封裝好的標簽測試，由于沒有接觸點，可以利用環路天線可以進行非接觸測量。

上圖是采用環路天線對電子標簽（射頻卡）進行的非接觸測量，左圖顯示射頻卡諧振頻率為 13.56MHz 。右圖測試條件是在諧振工作頻率下，標簽（射頻卡）阻抗隨交流信號電平改變的曲線，不同顏色代表環路天線與被測標簽（射頻卡）之間的不同距離。由此顯示，隨著距離的增加， RFID 標簽達到工作狀態的電壓（信號源的能量）也隨之增加。在 0cm 情況下，閾值電壓為 0.2V 。事實上，低頻（ LH ）和高頻（ HF ）情況下，電子標簽（射頻卡）耦合功率主要依賴電桿耦合效率，耦合功率 μ 1/d 6 （ d 是標簽和源天線距離）。在超高頻（ UHF ）情況下，主要依賴遠場傳輸效應，耦合功率耦合功率 μ 1/d 2 。

2. 針對讀寫器的測試

讀寫器射頻模塊的主要功能為：
a. 產生信號并且發射，激活標簽并為其提供能量；
b. 對發射信號進行調制，用于將數據傳輸給標簽；
c. 接收并解調來自標簽的射頻信號。

對于讀寫器的測量，主要包括：
a. 輸出功率測試
讀寫器的輸出功率直接影響到識別距離。對于輸出功率的測試可以使用功率計 E4416A+E9300A 來完成。
b. 頻譜以及解調分析測試
一般 RFID 系統都采用 ASK 或者 FSK 調制，因此可以使用 E443xC 系列 ESG 產生調制激勵信號，采用 ESA 系列頻譜分析儀或 MSO6000 系列示波器以及 89601A 矢量信號分析軟件來進行解調分析。
c. 天線匹配測試
采用 E5071B ENA 或 4396B 進行天線匹配，方向性等參數測試。
d. 時域信號分析測試
采用 MSO6000 系列示波器進行時域信號波形分析 , 主要測試參數包括時鐘抖動，頻率，電平及數據流分析。

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