论文总字数：24259字
摘 要
作为物联网中的一项重要的技术，射频识别(RFID)正在蓬勃发展，其应用在广度与深度上正在不断地扩展与加深。 本文首先介绍了射频识别一致性测试的背景和意义，其次分析了国内外研究的差异。接着介绍了RFID系统的组成和工作原理，并且对RFID系统进行分类和比较。然后介绍了RFID系统工作的协议标准，现存市场上由三种标准，分别介绍了各个标准的由来和意义。着重介绍了ISO\IEC 14443标准，本文设计主要是在ISO\IEC 14443协议之上。然后介绍了RFID射频一致性设计的软硬件构成。着重介绍了发射机和接收机的设计。最后介绍了RFID测试系统的测试结果，并且对结构进行了分析和比较 本文最后对整个课题进行了总结，提出了值得进一步研究和优化的部分，并对下一步的研究工作进行了展望。 关键词：RFID，ISO/IEC 14443协议，射频一致性测试 |
，
Design of RF Conformance Test System Based on Virtual Instrument
Abstract As things is an important technology, radio frequency identification (RFID) is booming, and its application is in the breadth and depth which we are constantly expanding and deepening. This paper describes the background and significance of RFID conformance testing, followed by analysis of the differences between domestic and international research. Then it introduced the composition and working principle of RFID systems and RFID systems to categorize and compare. Then introduced the RFID system work protocol standards, the existing market consists of three standard, it introduced the origin and meaning of each standard. It focuses on the ISO \ IEC 14443 standard, designed mainly on ISO \ IEC 14443 protocol. Then introduced RFID RF conformance designed hardware and software constitute. It focuses on the design of the transmitter and receiver. Finally, the test results of the RFID testing system, and the structure was analyzed and compared Finally, a summary of the whole subject will show you,it made worthy of further study and optimization of parts,and the next step of the research work in the future. Keywords: RFID, ISO / IEC 14443 protocol, RF Conformance Test |
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 本文开展的主要工作 6
1.4 本文组织结构 7
2 RFID系统及原理 8
2.1 RFID系统组成 8
2.2 RFID的分类 9
2.3 RFID工作原理 10
2.4 本章小结 11
3 ISO/IEC 14443协议及关键技术研究 12
3.1 国际标准 ISO/IEC 14443 12
3.2 物理层关键技术研究 15
3.3 本章小结 19
4 RFID射频一致性测试系统设计 20
4.1 射频一致性测试系统设计 20
4.2 系统软件架构 29
4.3 本章小结 37
5 RFID射频一致性测试结果 38
5.1 系统演示平台搭建 38
5.2 测试主界面 39
5.3 发射机各模块测试 40
5.4 接收机各模块测试 43
5.5 本章小结 45
结 论 46
致 谢 47
参 考 文 献 48
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
射频识别技术(RFID)是一种非接触识别技术。它通过无线电波对标签的信息进行读写，也就是说利用射频信号来激活标签，然后对静止或移动的标签进行自动识别。
射频识别技术（RFID）的历史可以追溯到20世纪40年代末。因为工业化的需求和经历了由于集成电路的巨大进步和收音机和零售业对射频识别的关注，RFID已经显著发展。在一个无源UHF RFID系统中，阅读器发射连续波（CW）和调制RF命令信号给标签。标签芯片被无线电波激活并且供电，这个类似于能量传输在非接触感应系统。该芯片通过改变它的输入阻抗从而调制该信号的反向散射来发送应答信息到读取器。读取器接收信息，同时继续发送的连续波CW提供电源给标签。 RFID产品
（阅读器，打印机和标签），现再被应用于各种各样的应用和环境
在二十世纪六十年代，RFID技术理论已经得到了充分的发展，并且展开了一些实际的应用。1990后，RFID的商业应用变得成熟起来，向着多元化方向发展。随后，RFID技术标准化问题引起人们注视RFID产品更加丰富，有源标签，无源标签，半无源标签都得到了一定的发展，并且成本不断降低。
RFID是一项多学科综合的技术，它涉及了微波，通信，半导体，软件设计，信息安全等学科。RFID是现代社会信息化的重要支柱技术，也是物联网能够产生和发展的关键技术。我国RDID起步虽然比较晚，但是在政府的有力推动下，RFID很快应用到了售票，物流，采购，高速公路收费等民生产业。
RFID 射频识别技术的起源可追溯到十九世纪四十年代电磁波的发现，无线电和雷达的应用催生了RFID技术的产生。
随着RFID的广泛使用，不可避免的产生了一些设备故障问题，因此对RFID的一致性检测就显得尤为重要，但是传统检测需要一些昂贵的设备，无疑给厂家增加了生产成本。在这种条件下，我们利用NI提供虚拟仪器，在软件层面上模拟硬件检测，给RFID一致性测试提供了替代方案。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 RFID标准化
由于市场化的原因，存在着多种标准的RFID卡片并存的现象，没有统一的标准，使得RFID的应用规模受到了极大的限制。
想要射频识别技术形成一个规范化的产业，必须形成一个大家都认可的标准，这样才能促进RFID产业和相关系统业务的发展和扩大。
目前，市面上存在三种不同的标准，分别位EPC Global标准，ISO/IEC标准，以及日本的UIC标准。这三种标准在通讯方式，传输协议，数据格式上并不兼容。本文采用的时ISO/IEC标准。
1.2.2 ISO/IEC 14443协议
ISO/ IEC14443标准适用于近耦合型且非接触 IC卡，包含 ISO / IEC14443-1物理特性、 ISO / IEC14443-3初始化和防冲突、ISO / IEC14443-2射频能量和信号接口、 ISO / IEC14443-4传输协议4个部分。
ISO/IEC 14443-3定义了Type A、Type B两种卡型。A卡和B卡调制信号和编码信号的方式不同。本文是基于ISO/IEC 14443 TypeA协议设计的射频一致性测试系统。
国内外RFID测试研究现状
相较与日本，美国，欧洲等发达国家，我国的RFID测试研究在技术上落后了很多。
我国虽然涉及RFID的产业的企业数量上已经由很多，并且再一些低技术门槛方面如读写器，天线，标签已经初具规模。但是在一些核心技术方面，我国仍然受到欧美国家的制约，只有极少数的一些企业具有超高频芯片设计能力。
1.2.4 虚拟仪器技术
随着计算机技术的飞跃发展，许多测量理念也在发展，出现了和传统测量工具不同的测量仪器。其中计算机技术和信号采集仪器的结合产生了一种全新的仪器概念：虚拟仪器。
虚拟仪器是利用定制的软件和模块化测量硬件来创建用户定义的测量系统，称为虚拟仪器。传统的硬件仪器系统是由预先定义的硬件组件，诸如数字万用表和示波器是完全特定于其刺激，分析或测量功能。因为他们硬编码的功能，这些系统都比较有限，它的多功能性比起虚拟仪器系统来说。硬件设备和虚拟仪器之间的主要区别是，软件被用来代替大量的硬件。该软件使复杂和昂贵的硬件由已经购买计算机硬件进行更换;即克模拟 - 数字转换器可以作为一个虚拟示波器的硬件的补充，恒电位使频率响应采集和分析在电化学阻抗谱与虚拟仪器。合成仪的概念是虚拟仪器概念的子集。合成仪器是纯粹的软件定义的一种虚拟仪器。合成仪器执行特定的合成，分析，或测量上完全通用，测量硬件无关的功能。虚拟仪器仍然可以测量特定的硬件，并且倾向于强调模块化硬件办法，促进这种特异性。硬件支持合成乐器是定义不特定的测量，它也不一定是（或通常）模块。利用商业化技术，如PC和模拟 - 数字转换器，虚拟仪器已自20世纪70年代末成立以来显著增长。此外，软件包，如National Instruments公司的LabVIEW和其他图形化编程语言帮助通过简化非编程人员开发系统的增长收养。
所谓的“硬虚拟仪器”新更新的技术是由一些公司开发的。据说，使用这种技术的软件的执行是由硬件本身完成，可以在快速实时处理帮助虚拟仪器是传统解决方案的替代者，给工业设计减少了很大一部分成本，并且该技术灵活性搞，可拓展性强。在一些知名厂家加入虚拟仪器的研究之后，相信其应用前景一定更加广阔。
1.3 本文开展的主要工作
本文主要是对基于虚拟仪器的RFID射频一致性系统进行研究。首先介绍了射频识别一致性测试的背景和意义，其次分析了国内外研究的差异。第二章介绍了RFID系统的组成和工作原理，并且对RFID系统进行分类和比较。第三章介绍了RFID系统工作的协议标准，现存市场上由三种标准，分别介绍了各个标准的由来和意义。着重介绍了ISO\IEC 14443标准，本文设计主要是在ISO\IEC 14443协议之上。第四章介绍了RFID射频一致性设计的软硬件构成。着重介绍了发射机和接收机的设计。第五章介绍了RFID测试系统的测试结果，并且对结构进行了分析和比较。
第二章 RFID系统及原理
2.1 RFID系统组成
RFID系统包括硬件组件和软件组成两大部分。其中硬件包括，读写器、标签、和网络基础设施等如图2.1所示。软件部分包括驱动程序、RFID中间件、企业应用软件等。由于读写器和射频标签在RFID系统中的重要地位，本章前两节将重点介绍这两个模块。根据读写器和射频标签之间工作原理的不同，将RFID系统分为基于电感耦合的RFID系统和基于电磁反向散射耦合的RFID系统；根据工作频率的不同，将读写器分为低频读写器、高频读写器和超高频读写器。根据射频标签供电方式的不同，将射频标签分为有源标签和无源标签和半有源标签。工作原理、频率、供电方式等方面的差异化使得RFID系统中的阅读器和射频标签种类繁多，再实际应用中所面临的问题和挑战也是不尽相同。例如，安装和部署RFID系统的成本价格、水，金属等物质对标签识别的干扰；移动场景下标签识别率下降的问题。深入理解RFID系统的基本组件的工作原理，尤其是阅读器和射频标签的组成结构和工作原理，对我们再解决上述问题和挑战时具有显著的指导作用。
图2.1 RFID系统组成
2.1.1 读写器
在RFID系统中，读写器是作为连接应用层（中间件）和射频标签的桥梁，占据这十分重要的位置。再不同的应用系统中，读写器所起到的作用也不尽相同。有的读写器功能简单，只能够读写射频标签的序列号；而有的阅读器功能则很强，可以对收集到的标签信息进行一定的预处理，提供复杂的基于事件的触发机制。一般来说，阅读器在RFID系统中可能提供的功能
- 读写器为射频标签工作提供能量
- 读写器和射频标签之间的通信
- 读写器和应用层（中间件）之间的通信
- 读写器的通信安全性保护功能，如使用加密，解密技术
- 多阅读器的自组网能力，多标签读写操作场景下的冲突处理功能
- 多天线的管理，如天线调制，多路复用，动态自适应等技术
- 中间件的接口
对于无源标签和半无源标签，阅读器的一个重要功能就是以发射电磁波的形式为标签工作提供能量。读写器和射频标签之间的工作方式由很多，其中最典型的两个是电磁耦合和电磁反射耦合。电磁耦合的原理，类似与变压器的工作原理，而电磁反向耦合的原理则和雷达的工作原理类似。阅读器与中间件的通信可以使用有线的串口（RS-232）或者无线局域网（802.11）等通信接口。读写器按工作频率可分为低频，高频，超高频读写器。而按外观结构分类可分为固定式读写器和手持式读写器。
固定式读写器一般是指安装位置固定的读写器。这种读写器一般采用有线电源供电的形式，因此可以认为这种阅读器的工作不受电池容量的限制。此外，体积下、集成度高等优点也使得这种阅读器非常方便用户快速搭建解决方案，在仓库物品储存管理以及供应等领域有广泛的应用。
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