RFID系统读写器与电子标签硬件结构分析

徐丽萍

（南京工业职业技术学院 能源与电气工程学院，江苏 南京 210046）

0 引言

射频识别（RFID）技术，是一种利用射频通信方式实现的非接触式自动识别技术[1]。射频识别系统包含电子标签(Tag)、读写器(Reader)和数据管理处理单元3部分组成[2]。电子标签中保存有约定格式的电子数据，读写器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。

RFID读写器通过天线耦合实现射频信号的空间耦合，在耦合通道根据时序关系实现能量的传递、信息的交换。一般读写器先发送一定频率的射频信号，当电子标签进入磁场时产生感应电流获得能量并做出应答，读写器读取电子标签自身编码等信息并解码后送至电脑主机进行有关处理[3-4]。

1 读写器硬件结构分析

读写器硬件结构框图[5]如图 1所示，由射频电路模块和基带电路模块构成。

1.1 射频电路模块

射频电路模块框图如图2所示，射频电路模块除了产生高频信号激活电子标签，给电子标签提供能量外，还包括两个独立的收发通道，将按照协议编好的基带信号进行调制并通过天线发送给电子标签，接收并解调电子标签反馈的微弱的背向散射高频信号并将高频信号还原成基带信号。

图1 读写器硬件结构框

图2 读写器射频电路框

1.2 基带电路模块

基带电路框图[5]如图3所示，由微处理器+ASIC模块构成。ASIC模块专门处理信号的编码、解码及加密等处理。基带电路实现与应用软件通信，完成信号采集处理、运算、编码、解码和校验，执行反碰撞协议算法，对读写器与电子标签之间收发数据进行认证、加密和解密等。

图3 读写器基带电路框

应用软件与基带电路之间数据交换可通过USB、RS232、485和以太网接口，基带电路输出到射频接口的信号是二进制数字信号，射频电路输出到天线的信号一般受二进制数字信号ASK调制的模拟信号。

2 电子标签硬件结构分析

在 RFID系统中电子标签是一种被动设备，电子标签一般可分为带存储功能的电子标签和带微处理器的可编程的电子标签。对基于 ISO/IEC18000-6B 协议的电子标签，内部存储容量为2 048 bit，即256字节，其对应地址为 0～255[6]。

2.1 带存储功能的电子标签

带存储功能的电子标签硬件结构框图[7]如图4所示。由HF接口电路、地址和安全逻辑形成电路、存储器RAM、ROM、EEPROM、FRAM等部分构成。

HF接口为电子标签提供能量，实现电子标签与读写器之间的高频传输通道以及电子标签的数字电路。地址和安全逻辑电路是电子标签的主要部分，它控制整个芯片的处理进程。专用 IO 寄存器完成与读写器数据交换，加密单元完成授权、数据加密及密匙管理等功能。数据存储器主要包括 ROM 、EEPROM或 FRAM，ROM主要存放永久数据如序列号，EEPROM 或 FRAM连接芯片内部状态机的地址线和数据线。所有程序的运行是受状态机控制，而且程序一旦确定就被固定在芯片中，不能改变。

图4 带存储功能的电子标签硬件结构框

2.2 带微处理器电子标签

带微处理器电子标签硬件结构框图[7]如图 5所示。由微控制器+协处理器构成，协处理器进行加密算法处理。操作系统完成电子标签接收和发送数据转换、命令控制、文件管理及加密算法，在芯片的制作阶段操作系统程序模块写在 ROM 代码段，成为芯片的一部分。操作系统命令处理顺序是：通过HF接口接收读写器发送的命令——IO管理器进行错误识别——安全信息管理器通过解密及核查接收一个无错命令——高级别命令解释器开始对命令进行解码——若不能完成命令解码——返回码管理器将通过IO管理器发送一个返回码返回给读写器。通过对电子标签中的内存信息经过加密散列(hash)计算后存储，可以有效防止标签伪造[8]。

图5 带微处理器电子标签硬件结构框

3 结语

读写器和电子标签是 RFID系统两个重要组成部分，在 RFID系统中，读写器在数据管理处理单元与电子标签之间架起了一座桥梁[9]，读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段，读写器的功率直接影响了射频识别的距离。当然 RFID系统除了以上谈到的读写器、电子标签之外，还牵涉到软件、天线、系统中间件、系统可靠性等技术。

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