论文总字数：27233字

摘 要

随着人类社会的不断发展，自动识别技术作为信息时代的一种新兴技术被越来越多的重视和发展，目前应用最广泛的即是二十世纪八十到九十年代兴起的射频识别（radio frequency identification, RFID）技术。RFID无需识别系统与特定目标之间建立的机械或光学接触，可直接通过无线电信号识别特定目标并获取相关的数据信息，即利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID的识别工作不需要人工干预可工作于各种恶劣环境。由于RFID技术的非接触性以及可对多个物体同时识别等一系列特性，这一技术正越来越多地被运用在生活与生产中的诸多领域。本课题开发的基于RCLC663的小型化RFID读卡器，可以完成基本的读写操作。小型化读卡器以工作在13.56MHz的RFID标签为核心，通过对片中信息的存储封存于读写操作，能够运用在门禁系统、仓库物资管理等众多领域，不仅实现了物品、人员的信息化管理，还可提高安全性，解决了传统方法中管理难、安全性差等问题，能够切实有效的提高管理水平与工作效率。

论文首先介绍RFID技术的发展历程和在国内外的应用现状，并对RFID系统的基本结构、工作原理、分类、防冲突算法、检错与纠错算法等进行了理论研究，对所涉及的两个国际通用的工作在13.56MHz频率下的RIFD标准ISO/IEC 15693和ISO/IEC 14443进行了相关分析。在相关理论研究与分析的基础上，提出了基于NXP CLRC663射频读卡芯片的RFID读卡器的硬件设计方案。围绕改芯片为核心配合外围设计的天线匹配电路、天线线圈和微控制器电路，可以完成读卡器的基本功能，实现对满足ISO/IEC 15693或ISO/IEC 14443标准的射频标签的操作。其中，为满足设计读卡器小型化，高性能和低成本的要求，在微控制器设计上采用了基于80C51的主控硬件设计方案。在读卡器特别是天线线圈的PCB设计过程中，采用了一系列方法改善了PCB的EMC性能。之后对设计制作的读卡器系统进行了测试，测试结果验证了读卡器对ISO/IEC 15693和ISO/IEC 14443两种标准的支持，满足课题开始提出的性能要求，同时可以满足手持射频设备的工作要求。

关键词：射频识别 RFID 读卡器 天线 CLRC663

Research and implementation of miniaturization of high frequency RFID reader

Abstract

RFID (radio frequency identification, RFID) technology, referred to as "electronic labels, radio frequency identification (RFID), in the 1990 s began a kind of automatic identification technology. RFID is a radio signal to identify the specific target and obtain the relevant data and information, which need no longer recognition system with specific objectives, mechanical or optical contact between use of rf signal through space coupling (alternating magnetic field or electromagnetic field) and transmit information through non-contacting's message to achieve recognition technology. RFID identification work does not need human intervention can work in all kinds of bad environment. Due to the RFID technology of non-contact and for multiple object recognition and a series of features at the same time, this technology is increasingly used in many fields in life and production. This topic development based on the miniaturization of RCLC663 RFID reader, can complete basic reading and writing operations. Miniaturization of card reader to work in the 13.56 MHz RFID as the core, through the film information storage sealed in read and write operations, can use the entrance guard system, warehouse material management, and many other areas, not only for items and personnel information management, also can improve the security, to solve the poor management, security problems in traditional method, can effectively improve the management level and work efficiency.

Paper first introduces the development of RFID technology and the application status at home and abroad, and the RFID system's basic structure, working principle, classification, anti-collision algorithm, error detection and correction algorithm has carried on the theoretical research, such as the work involved in two international general under 13.56 MHz RIFD standard ISO/IEC 15693 and ISO/IEC 14443 has carried on the correlation analysis. In the related theory on the basis of research and analysis, was proposed based on NXP CLRC663 rf chip card reader to the hardware design scheme of RFID reader. Around chip as the core with peripheral design instead of the antenna matching circuit, an antenna coil and a micro controller circuit, can complete the basic function of the card reader, realize to meet ISO/IEC 15693 and ISO/IEC 14443 standard of the operation of the radio frequency tag. Among them, in order to meet the design of card reader miniaturization, high performance and low cost requirements, on the micro controller design using the master hardware design scheme based on 80C51. The reader antenna coil of the PCB design process, in particular, adopted a series of methods to improve the EMC performance of the PCB. After the design of card reader system was tested, the test results verify the card reader to the ISO/IEC 15693 and ISO/IEC 14443 standards support, meet the performance requirements of the subject began to suggest, at the same time can satisfy the requirement of the handheld radio frequency devices work.

KEY WORDS: Radio Frequency Identification RFID；Reader；Antenna；CLRC663

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

射频识别（radio frequency identification, RFID）技术与老式条码识别相比，由于采用的是无线射频信号进行数据的传输，具有传输距离较长、无需标签和读卡器接触、不受视线的限制等新兴技术的优点。不仅如此，RFID还具有更大的数据容量、更安全的数据可靠性和对不同工作条件更强的适应性。由于RFID技术的诸多优点，目前，RFID作为识别技术在仓储、物流、身份证、交通运输、工业生产、门禁安全、金融支付等领域在全球范围内得到了广泛的认可与应用。随着原来越多的RFID技术被应用，促使这项技术不断的发展、完善和成熟，与此同时使用RFID技术的产品价格也在不断的降低，这又促使RFID技术的应用更加广泛。应用最广泛的RFID系统通常由读卡器、电子标签和计算机系统等部分组成。本论文主要是研究RFID系统中的读卡器模块的设计相关。

本次课题所研究设计的RFID读卡器可对要求的相关信息进行读写操作。在传统的识别系统中最广泛使用的是条形码系统，用于物品的识别、防伪和防盗等工作。但是，老式条形码系统结构简单，易于仿制，在性能上存在天然缺陷，监管难度过大，很难满足现代管理中越来越严苛的信息处理与防伪要求。采用内部封装的RFID技术，在生产生活实际中，电子标签不仅能够保证相关物品始终保持在封装状态之下，还可将管理物体之内的物品信息记录在封装的标签之中，通过相应计算机系统，在仓储、流水线等现实环境之中，实现全程实时信息更新，解决了传统系统中封装与管理难以兼顾完成的课题。同时非接触式的封装标签的读写特性使得重复使用成为可能，降低了系统的使用成本，节约资源。

1.2 RFID技术的发展和现状

受到早期雷达技术发展的启发，RFID技术开始了使用反射的射频能量进行识别的初次尝试。和许多先进技术一样，RFID技术最早也是在战场上被开发和使用的。在二十世纪最初的RFID技术主要对射频信号的反向散射进行应用，典型的例子是第二次世界大战中皇家空军喷火飞行中队使用的区分友方飞机和敌方飞机的敌我识别系统（identification friend-or-force(IFF)system）。搭载了被动式雷达反射器的喷火式在雷达屏幕上将会比敌方飞机更亮一些。

1948年，stockman发表的名为“利用能量反射的通信”（communication by means of reflect power）的论文为日后RFID 技术奠定了理论上的基础。

在二十世纪六十到七十年代，RFID技术大部分时间处在研究人员的理论之中，1963年7月，Richardson成功完成了利用发射机的耦合效应来传输一定频率信号的装置，这与后来Vinding完成的利用电感耦合的简化版本的首发系统成为RFID技术由实验室研究转向应用的两大标志性的成果。

在二十世纪八十到九十年代，RFID技术开始了最初商业化应用的尝试，并很快的到成功，在各个领域的到了广泛的认可和应用。在美国，最早的应用主要包括仓储物流和个人信息的数据化；在欧洲，从流水线实时响应到工业和商业的各方面应用。然而RFID技术应用的快速成熟和发展也暴露了早期RFID缺少统一标准的弊病。九十年代利益相关方和标准制定组织的多方推动下，国际通用的RFID标准应运而生，由于基于高频（HF）和低频（LF）的RFID系统在传输距离、成本和速度等方面不能满足多用途多对象的商业应用的要求，拥有更远传输距离和更快传输速度的超高频（UHF）RFID系统在这种背景下受到了更多的重视和发展。

日前随着半导体技术的研究与进步，成本不断降低、数据容量不断增加的标签，更加满足生产生活使用的需求。在各领域之中，各类的RFID技术也得到了相应的特色化的发展，其中大规模的物流管理是目前RFID技术应用最广泛、技术最成熟的领域，这之中最典型的应用领域包括了：

1.仓储和物流

RFID技术的逐步成熟与广泛应用为注重效率的仓储和物流行业带来了革命性的进步。通过RFID电子标签完成对货物数据信息的同步更新。从二十一世纪初起，世界级的大型企业Wal-Mart、TOYOTA、IKEA、SONY等都在物流仓储管理中推广应用了RFID技术，达到提高效率，节省时间的目的。

2.交通运输

RFID技术在交通系统的票据、卡证上在全球范围内得到了广泛认可和使用。在我国大部分城市公共交通系统中也有应用，包括地铁和公交车应用的一卡通与一次性票证，在RFID标签中记录折扣、余额、里程、信用等信息，通过车载或手持移动RFID读卡器进行读写，完成售票与检票工作的自动化。这种方式相较传统的人工售票与检票提升了工作效率，降低了人力资源的低效利用。

目前新兴的不停车收费系统（Electronic Toll Collection, ETC）也是以RFID技术为主导的。随着我国机动车数量不断高速增长和高速公路建设工作的快速推展，为解决有可能的高速公路收费站堵塞情况，提收费站工作效率与高速公路安全水平是现实问题。通过对车辆配备搭载车辆相关数据的RFID标签，利用ETC来实现不停车自动收费操作，是切实可行的解决方法。

3.产品生产

在现代工业产业流程中，RFID技术更多被用于产品流水线上各个部件的实时数据采集与更新。通过RFID技术的应用改善工业化生产的自动化水平，提高生产效率，达到节省人力与资源目的。

4.安全访问和控制

在我国校园与工厂等广泛使用的门禁系统中，利用RFID标签作为身份识别装置，实现对出入人员的身份确认，同时记录人员出勤等信息。在某些产品中也被设计用于防盗系统。

5.金融支付

传统的金融行业更多的以磁卡和IC卡为主，与之相比，RFID金融卡具有更长的使用寿命，和对不同使用环境更强的适应能力。在我国大部分校园学生卡与公交通勤卡上都采用了RFID技术进行设计。同时在新兴的利用手机和金融卡的支付方式中也运用到了RFID技术。

6.身份识别

在传统的身份证、护照等证件之中内嵌RFID标签，是防止证件被伪造的有效手段之一，与此同时，RFID读卡器能够方便的对标签完成数据操作，提升了信息处理的效率。在我国普及的第二代居民身份证中包含符合ISO/IEC 14443-B标准，工作频率为13.56MHz的RFID标签。

1.3 RFID技术的研究方向

RFID技术被广泛应用于各个方向上并得到了长足的发展和完善，但还是有一些难关制约了RFID技术在更广阔范围内应用上的前景。今后时期对RFID技术的探讨与发展将致力于克服这些难关。

与条码识别这类技术相比，RFID技术始终是一种高成本技术，并不满足所有的特别是低价值系统物资的信息化管理和识别要求。RFID标签的成本主要包括标签芯片、天线、标签分发三个方面。随着硬件水平的不断进步，采用合适的芯片材料，射频芯片的体积与付出都在不断降低；在天线方面通过新兴商用半导体应用产业化的成熟与应用，同时商用RFID公司也在不断尝试压缩RFID标签的分发成本。但是要彻底击败过去以条码技术为主的识别技术，RFID技术仍然有很多的路要走。

1.4本文的主要工作和组织结构

本文所要求设计的RFID读卡器在13.56MHz工作频率下，可以完成对符合ISO/IEC 14443-A、ISO/IEC 14443-B、ISO/IEC 15693三种标准RFID标签的读写操作。在读卡器的应用环境与课题小型化要求基础上，读卡器设计还应注意小型化、高效率、利于交互等细节的要求。基于以上分析和要求完成了本次设计。

本文主要包括以下几个部分：

1.第一章综述了课题的背景和意义并对RFID技术的发展和现状进行了介绍；

2.第二章对RFID系统进行了理论研究；

3.第三章描述了RFID读卡模块的硬件设计；

4.第四章描述了天线及其匹配电路的设计；

5.第五章简单介绍了读卡器的软件驱动程序；

6.第六章描述了PCB电路设计的主要思路和过程，以及RFID读卡器的各测试结果；

7.第七章是课题的总结，同时提出了完善课题的几个可能的方法和方向。

第二章 RFID系统理论研究

2.1 RFID系统的基本结构

主流的 RFID 系统包括 RFID 读卡器、电子标签以及计算机系统等构成部分。根据工作频率的不同，电子标签在工作范围内接收到读卡器发出的信号，并从中在标签线圈中耦合感应电流获得能量，通过能量的驱动完成对标签数据的相应读写操作。而在上层管理系统的驱动下，读卡器将会完成对数据编码的调制解调等工作。最后数据信息通过接口汇总至计算机系统，相应的软件程序将会根据实际的不同需求完成相应的管理控制工作。

图2-1 典型的RFID系统

RFID读卡器由MCU，射频读卡芯片，天线线圈，电源电路等部分构成。主控部分MCU和射频芯片之间利用通信接口完成数据交互，完成控制射频芯片各管脚初始重置、核心控制和信息正常传输等功能。另一方面，MCU与计算机系统间同样通过通信接口完成数据交互，利用计算机管理数据完成进一步的分析计算与处理。RFID读卡器的核心就在于射频读卡芯片，由存储装置、寄存器、放大器和匹配电路等组成的射频读卡芯片在读卡器中完成了核心的编码、防冲突、数据交互等功能。为了提高功率转换与传输效率，在天线线圈之前设计了相应的匹配电路完成阻抗匹配。射频信号在经过读卡芯片后将通过天线部分完成具体的收发工作即数据的读写操作。

电子标签除了与读卡器相同的天线之外，还包括了存储器、接口电路和简单的数字控制电路。标签自身的标号等信息以及相应的数据内容和管理操作规定等都被保存在存储器中。而数字控制部分将对传输信息进行解码、防冲突、安全性检查等工作和管理；其他部分还将完成系统供电、编码解码、重置系统等不同的操作。而根据是否由标签内部自身电路为其提供能源的不同，能够将RFID标签大致分为有源 RFID 标签、无源 RFID标签和半有源 RFID 标签三类。

有源 RFID 标签通过内部的电源电路，能够为自身提供所需的能量，在不借助耦合电磁场等的情况下能够自主完成射频信号的发送，同时保证了发射信号的强度，提升了交流的距离。由于有源标签的工作特性，因此其有着较高的工作频率，一般为 433MHz，2.45GHz 或 5.8GHz。有源标签的典型工作距离是20~100m。对大尺寸高成本的有源RFID标签来说，由于自带电源电路带来的低使用寿命、高消耗和发热量都是设计时应该考虑的几个主要问题。

舍弃电源电路的无源RFID标签不具有自启动的能力，完成相应工作需要通过对读卡器天线发射信号的耦合作用提供的能量驱动，导致了标签的工作距离相对较短。主流的无源RFID系统中，存在这两种最常见的工作方式，对在100MHz频率范围内工作的RFID系统主要通过对天线相应匹配电阻的控制完成负载调制，调节感应电压；而对工作频率100MHz以上的RFID系统更常见的是通过发射系数的调节，通过电磁波的反向散射调制完成同样的工作。无源标签的典型工作频率包括 125kHz，13.56MHz，915MHz 和 2.45GHz。无源标签与有源标签相比有着更短的工作距离，约为10cm。同时小尺寸低成本的特点也使得无源标签在商业使用中更受欢迎。

同样没有自主发射能力、需要读卡器电线电磁波提供能量工作的还有半有源标签。虽然内部有着电源电路，但完成的是为内部时钟系统、传感器和寄存器的能量供给。通过半有源RFID标签特有的传感器能够完成对温度湿度等信息的测量和保存，利用读卡器能对不同时间的数据进行读写操作。半有源RFID标签还能越过读卡器直接由计算机系统管理和控制，完成基本的数据传输功能。

2.2 RFID系统的种类

通过RFID系统的特征，可以把RFID系统进行不同分类。典型的分类方式主要包括根据工作频率的不同和根据耦合方式的不同来完成分类。

2.2.1 根据工作频率分类

RFID系统工作频率是进行分类的一个典型参数。在不同频率工作条件下，作为信息载体的射频信号在空间的物理特性也各不相同，相对应的RFID系统的优缺点和适用性也不同。根据工作频率的不同，可以把RFID系统分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）。

低频段的典型工作频率在125kHz和134.2kHz。在这一频段下射频信号对环境中水和金属的影响抗性较好，因而更多应用在汽车、仓储等金属物品或环境之中。低频RFID系统的另一个特性是对天线方向性的地要求，使得系统从外形到使用都更加灵活。由于低频RFID系统低成本和短作用范围的特性，相应标签存储信息能力有限，数据读写速率也相对不高。

高频RFID系统最典型的工作频率是13.56MHz。这一频率下射频信号有着相对更好的穿透性能，但是对金属的抗性较差。高频RFID系统常用的卡片式的电子标签相对低频RFID系统更适于商业化使用的需求。高频RFID系统还有着相对更优秀的工作范围（1m）和更高效的传输性能，同时读取多个标签的特点、更多的数据存储量以及相对合适的性价比都使得高频系统的到了更多的关注、发展和应用。

超高频RFID系统典型的工作频率主要包括433Mhz、860MHz-960MHz和2.45GHz。这一频段下金属和水对传输的干扰更加明显，同时对其他无线通信系统的影响和干扰缺乏抵抗性。与低频和高频RFID系统相比，超高频RFID系统有着小天线、长距离、高速率和更高安全性更成熟防冲突机制等优点。

表2.1对各RFID系统的异同进行了整理和对比：

表2.1不同工作频率的RFID系统