第2章 2.3.1 读写器的体系结构ppt课件.pptx

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1、,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,2.3.1 读写器的体系结构,附录:短距离无线通信基础,何为无线通信?,无线通信系统：也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传的系统。发送设备包括：（1）变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。（2）发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。（3）天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。接收设备：接收是发射的逆过程，它包括：（1）变换器（换能器）：将电信号转化为所传送信息。（2）接收机：高频电振荡转化为电信号。（3）接收天线：

2、将空间传播到其上的电磁波转化为高频电振荡。,何为无线数据通信?,无线数据通信也称移动数据通信，它是在有线数据通信的基础上发展起来的。有线数据通信依赖于有线传输，因此只适合于固定终端与固定终端之间的通信。而移动数据通信是通过无线电波的传播来传送数据的，因而有可能实现移动状态下的移动通信。,无线数据传递方式,现代无线数据在传输信道上传递的方式。若按被传输的数据信号的特点，可分为基带传输、频带传输和数字数据传输；若按数据传输的顺序可分为并行传输和串行传输；若按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；若按数据传输的流向和时间可分为单工、半双工和全双工传输。下面从数据传输流向及时间分类来介绍无线数据

3、传递方式。(1)单工方式（simplex mode）通信双方在同一时刻只能单方向传送信息的一种通信方式。单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收消息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，如下图所示：,无线数据传递方式,(2)半双工方式：同一根传输线既做接收又作传送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，如图所示。采用半双工方式时，通信系统每一端的发送端和接收端，通过收/发开关转接到通信线上，进行方向的切换，因此会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。半双工的系统可以比喻作单线铁路。若铁道上

4、无列车行驶时，任一方向的车都可以通过。但若路轨上有车，相反方向的列车需等该列车通过道路后才能通过。无线电对讲机就是使用半双工系统。由于对讲机传送及接收使用相同的频率，不允许同时进行。因此一方讲完后，需设法告知另一方讲话结束（例如讲完后加上OVER），另一方才知道可以开始讲话。,无线数据传递方式,(3)全双工方式：数据发送和接收分别由两根不同的传输线传送，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。在这种方式下，通信系统的每一端都设置了发送端和接收端，因此能控制数据同时在两个方向上传送，如图所示。全双工方式无需进行方向的切换，因此没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例

5、如远程监测和控制系统）十分有利。这种方式要求通信双方均有发送器和接收器，同时需要两根数据通路传送数据信号。全双工的系统可以用一般的双向车道形容。两个方向的车辆因使用不同的车道，因此不会互相影响。一般的电话、手机就是全双工的系统，因为在讲话时同时也可以听到对方的声音。,数据包,数据通信是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递。是继电报、电话业务之后的第三种最大的通信业务。在数据通信中每次传输的数据量是有多有少的，由于发射机及接收机的功能、处理速度等影响，发射机及接收机不可能一次把

6、所要传输的数据发送出去或接收下来，因此为了规范数据通信传输，需要把传输的数据分成一定数量而且大小相同的包装传输。这样的数据包装称为数据包，如图所示：,数据包,可以用一个形象一些的例子对数据包的概念加以说明：在邮局邮寄产品时，虽然产品本身带有自己的包装盒，但是在邮寄时候只用产品原包装盒来包装显然是不行的。必须把内装产品的包装盒放到一个邮局指定的专用纸箱里，这样才能够邮寄。这里产品包装盒相当于数据包，里面放着的产品相当于可用的数据，而专用纸箱就相当于帧，且一个帧中只有一个数据包。,数据包,数据包结构可能非常复杂，在这里以ZigBee网络层的数据包来了解它的关键构成，这对于理解数据包是非常重要的。Z

7、igBee网络协议数据单元(NPDU)即网络层数据包结构，如图所示。,纠错,可靠性是通信的一个重要指标，它表明所传输的信息的准确性，如果经过传输的信息发生了改变或者是不能识别，那么我们的通信也就失去了意义。解决数据通信的准确性问题我可以用差错控制编码来完成。大体可分为两类差错编码技术 前向纠错（FEC）码技术，如图所示。这种技术依赖于发送码字中冗余信息的受控使用，以实现对含噪信道上传送信号过程中差错的检测和纠错。不管收到码字的译码是否成功，不在接收机端做进一步处理。因此，适合与FEC的信道编码技术只需在发射机与接收机之间建立一条单向链路。发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字；接收端译码

8、后不仅可以发现错误码，而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正。,纠错,检错重发（ARQ）方式，如图所示。这种方式只对差错检测使用冗余信息。每当发送码字过程中检测到一个差错时，接收机就要求发射端重传有问题的码字，因此有必要使用返回路径。检错重发（ARQ）的优点主要表现在：只需要少量的冗余码，就可以得到极低的输出误码率；有一定的自适应能力；某些不足主要表现在：需要反向信道，故不能用于单向传输系统，并且实现重发控制比较复杂；通信效率低，不适合严格实时传输系统。,纠错,另外还有混合纠错方式，它是将前向纠错方式和检错重发方式结合起来。如图所示。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物

9、联网射频识别（RFID）技术与应用,各种读写器虽然在工作频率、耦合方式、通信流程和数据传输方式等方面有很大的不同，但在组成和功能方面是十分类似的。读写器的主要功能是将数据加密后发送给电子标签，并将电子标签返回的数据解密，然后传送给计算机网络。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.1 读写器的组成 1.读写器的软件读写器的所有行为均由软件来控制完成。软件向读写器发出读写命令，作为响应，读写器与电子标签之间就会建立起特定的通信。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.读写器的硬件读写器的硬件一般由天线、射频模块、控制模块和接口组成。图8.1 读

10、写器的结构框图,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（1）控制模块控制模块由ASIC组件和微处理器组成。（2）射频模块射频模块主要由发送电路和接收电路构成。（3）读写器的接口接口主要有RS-232、RS-485、RJ-45或WLAN。（4）天线,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.2 读写器的设计要求读写器在设计时需要考虑许多因素，包括基本功能、应用环境、电器性能和电路设计等。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1 读写器的基本功能和应用环境（1）读写器是便携式还是固定式。（2）支持一种还是多种类型电子标签的读写。（3）

11、读写器的读取距离和写入距离。（4）读写器周边的电磁环境、温度、湿度和安全等环境。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2读写器的电气性能（1）空中接口的方式。（2）防碰撞算法的实现方法。（3）加密的需求。（4）供电方式与节约能耗的措施。（5）电磁兼容（EMC）性能。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.读写器的电路设计（1）选用现有的读写器芯片或是自行进行设计。（2）天线的形式与匹配的方法。（3）收、发通道信号的调制方式与带宽。（4）若是自行进行电路模块设计，还应设计相应的编码与解码、防碰撞处理、加密和解密等电路。,点击此处结束放映,物联网射频识别（

12、RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,低频读写器主要工作在125KHz，可以用于门禁考勤、汽车防盗和动物识别等方面。下面以U2270B芯片为例，介绍低频读写器的构成和主要应用。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.2.1 基于U2270B芯片的读写器1.U2270B芯片 U2270B芯片是ATMEL公司生产的基站芯片，该基站可以对一个IC卡进行非接触式的读写操作。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.U2270B芯片内部结构U2270B芯片的内部由振荡器（Oscillator）、天线驱动器（Driv

13、er）、电源供给电路（Power Supply）、频率调节电路（Frequency Adjustment）、低通滤波电路（Low-Pass Filter）、放大电路（Amplifier）和施密特触发器（Schmitt Trigger）等部分组成。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.2.2 基于U2270B芯片的读写器由U2270B构成的读写器模块，关键部分是天线、射频读写基站芯片U2270B和微处理器。基站芯片U2270B通过天线以125KHz的调制射频信号为RFID电子标签提供能量(电源)，同时接收来自RFID电子标签的信息，并以曼彻斯特编码输出。微处理器可

14、以采用多种型号，如单片机AT89C2051、单片机AT89S51等。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.2.3 低频读写器实例-汽车防盗系统射频识别以非接触、无视觉、高可靠的方式传递特定的识别信息，适合用于汽车防盗装置，能够有效地达到汽车防盗的目的。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.工作原理汽车防盗装置的基本原理是将汽车启动的机械钥匙与电子标签相结合，即将小型电子标签直接装入到钥匙把手内，当一个具有正确识别码的钥匙插入点火开关后，汽车才能用正确的方式进行启动。,点击此处结束放映

15、,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.系统组成图2.7 汽车防盗系统的基本组成,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.硬件设计（1）发送通道。（2）接收通道。（3）载波产生器。（4）时钟产生电路。（5）微控制器（MCU）。（6）天线。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.软件设计软件系统设计包括读卡软件设计、写卡软件设计、语音报警程序设计和串行通信程序设计等。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,高频读写器主要工作在13.56MHz，典型的应用有我国第二代身份证、电子

16、车票和物流管理等。下面以MF RC500芯片为例，介绍高频读写器的构成和主要应用。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.3.1 MF RC500芯片MF RC500芯片主要应用于13.56MHz，是非接触、高集成的IC读卡芯片。该IC读卡芯片具有调制和解调功能，并集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500支持快速CRYPTOI加密算法，用于验证MIFARE系列产品。MF RC500的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，给读卡器的设计提供了极大的灵活性。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,MFRC500

17、芯片如图2.9所示。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,MFRC500芯片的主要引脚如图2.10所示。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.3.2 基于MF RC500芯片的读写器 MFRC500芯片支持ISO/IEC 14443A所有的层。MFRC500内部包括微控制器接口单元、模拟信号处理单元、ISO14443A规定的协议处理单元以及MIFARE卡的Crypto1安全密钥存储单元。MFRC500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,图2.12 由MFRC500构成的

18、读写器,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.3.3 高频读写器实例 根据MFRC500的特性，可以设计基于MFRC500芯片和P89C58BP单片机的RFID读写器。MF RC500还可以设计基于MF RC500芯片和P89C58BP单片机的RFID读写器系统。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,图2.13 基于P89C58BP和MF RC500的读写器系统,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.发卡器和读卡器发卡器实际上是一种通用写卡器，发卡器由系统管理员管理，通过PC机设置或选择好要写入的数据，发出写卡命令，完成对

19、MIFARE卡的数据及密码写入。读卡器往往可以脱离PC机工作，只要有非接触式IC卡进入读卡器天线的能量范围，读卡器便可读写卡中相关指定扇区的数据。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.读卡器硬件系统发卡器与读卡器在硬件设计上大同小异，都是由单片机控制读写芯片(MF RC500)，再加上外围器件组成。图2.14 读卡器硬件系统,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,微波RFID系统是目前射频识别系统研发的核心，是物联网的关键技术。微波RFID常见的工作频率是433MHz、860/960MHz、2.4

20、5GHz和5.8GHz等，该系统可以同时对多个电子标签进行操作，主要应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合。微波读写器的射频电路与低频和高频读写器有本质上的差别，需要考虑分布参数的影响，可以采用ADS软件进行仿真设计。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.4.1 射频电路与ADS在射频频段，电路出现了许多独特的性质，这些性质在常用的低频电路中从没遇到过，因此需要建立新的射频电路设计体系。ADS（Advanced Design System）软件由美国安捷伦（Agilent）公司开发，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件。在深入理解射频电路的基础上，结合AD

21、S软件工具进行设计，是通向射频电路设计成功的最佳路线。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.ADS的四种工作视窗ADS软件主要有4种工作视窗，分别为主视窗、原理图视窗、版图视窗和数据显示视窗，主要可以完成文件管理、原理图设计、版图设计和仿真数据显示等功能。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（1）主视窗启动ADS后，首先进入主视窗，主视窗是进入和退出ADS系统的桥梁。图2.15 ADS主视窗,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（2）原理图视窗原理图视窗提供了设计、编辑、仿真原理图的环境，是进行电路设计时使用最多的视窗。图2.1

22、6 ADS原理图视窗,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（3）数据显示视窗当完成设计仿真后，可以在数据仿真视窗显示仿真结果。图2.19 ADS数据显示视窗,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（4）版图视窗版图视窗用来进行版图的设计、编辑与仿真。图2.21 版图视窗中的微带线分支定向耦合器,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.ADS的设计功能（1）设计面板（2）设计工具（3）设计向导（4）设计指南（5）仿真与数据显示,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.ADS的仿真功能 1.线性分析2.谐波平衡和增益压缩

23、分析3.高频SPICE瞬态分析4.电路包络分析5.电磁仿真分析,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.3.1.4.2 UHF频段读写器实例915MHz读写器读写器的工作频率为915MHz，是基于无源反射调制技术和模块化设计原理的RFID读写器，工作距离长达10m。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.RFID系统构成 UHF频段RFID系统是无源RFID系统，由读写器和电子标签组成。图2.23 UHF频段RFID系统,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.读写器硬件结构 915MHz的读写器主要由天线、射频模块和主控模块3部分

24、组成。射频模块由发送部分和接收部分构成，发送部分产生射频信号及射频能量，给无源电子标签提供能量；接收部分对由天线接收的反射调制信号进行解调、放大及滤波。主控模块控制与电子标签的通信过程；主机应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（1）数字锁相环技术。在射频部分，采用晶体振荡器和压控振荡器以全数字锁相环的形式产生915MHz射频信号。（2）信号接收。天线接收的反射调制信号经过定向耦合器到接收通路，检波后的信号通过差动放大、低通滤波器和运算放大后，进行A/D转换再送至主控模块进行解码。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（3）主控模块。主控模块的核心处理器为数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）。图2.24 主控模块,点击此处结束放映,