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作者: Jack Shandle 在今天早上你到達辦公室的那一刻為止，你可能在沒有意識到的情況下已經使用了4次射頻標簽(RFID)，分別是：在你插入車鑰匙、關閉發動機防盜鎖止系統電路之時；在你開車經過無人收費站自動付費之時；在你使用手機支付早上的熱牛奶咖啡之時；在你利用身份證件登記進入辦公室之時。RFID也許還沒有廣泛普及，但正在逐漸取得成功。 第一批由射頻輸入供電的無源應答器可以追溯到20世紀70年代初，當時就像今天大多數各式各樣的RFID應用情景一樣。正是有了今天半導體技術的可喜進步，才使得RFID真正開始騰飛。 在商業市場中，RFID提供了史無前例的機會，通過提供非常細致的數據以及使支付和記錄保留等服務實現自動化，可以提高產能并改善用戶體驗。RFID被廣泛用于各種應用，如牲畜身份識別、零售庫存管理、病歷管理、電子不停車收費、電子護照，以及更近一些的手機，它們將是特定RFID技術的重要推手。 RFID標簽（RFID的身份部分）的市場正在快速增長，并有望得到加速發展。例如IDTechEx公司就預測，2021年無源RFID標簽數量將從2011年的不到30億個增長到約2500億個。 從工程角度看，RFID不是一種單一技術，它隨頻率改變而有所變化。其可以采用許多種載波頻率，但其中三種占主導地位(見表1)。低頻(LF)使用125kHz至135kHz頻段，高頻(HF)工作在13.56MHz。UHF(超高頻)主要在865MHz至955MHz頻段中使用，雖然它也可能包含2.4GHz頻段。 表1：RFID頻段及應用 
大多數RFID系統設計工作主要集中在讀取器系統。半導體公司設計和制造的應答器(標簽)的應用和特性將主要決定讀取器的設計。一般來說，有兩種類型的標簽可以用來與讀取器通信：含嵌入式電池的有源標簽，和無電池的無源標簽。無源標簽更加常見，本文將只討論無源標簽。 耦合技術 電磁耦合在決定無源標簽的讀取范圍方面發揮著重要的作用。LF和HF RFID系統使用電感耦合。能量通過共享磁場從讀取器線圈傳送到應答器（標簽）線圈。 LF和HF系統中的讀取器天線會在一個被稱為近場的電磁區域中創建一個強大磁場，范圍距天線最多約一個波長。這個磁場的強度足以喚醒標簽，并給它提供將身份數據傳送給讀取器所需的電源。電感耦合還可以使用相同的能量傳送機制用來寫標簽(圖1)。
圖1：用于LF和HF系統（包括NFC在內）的電感耦合發生在近場區域內。 UHF RFID系統工作在距天線約兩個波長到無限遠的“遠場”，可以實現比LF和HF系統更大的讀取范圍。標簽天線利用一種被稱為后向散射耦合的技術接收讀取器天線的電磁能量，RFID芯片再使用這個能量改變天線上的負載，并反射回包含身份信息的改變信號。 在實際應用中，標簽是為特定應用設計的，在頻率、內存容量、支持的標準和天線設計方面都有變化。德州儀器（TI）公司的Tag-it HF-I Plus應答器在微小的矩形外形中提供了2kb的內存，適合用于產品鑒定、資產管理和供應鏈管理。它是一種工作在13.56MHz頻率的HF標簽。 在內存規模的另一端，恩智浦（NXP）公司的HITag μ應答器集成了128kb的內存。這是一種LF標簽，適合用于牲畜識別、洗衣自動化以及啤酒桶和煤氣罐的物流運輸。 設計目標 特定RFID系統讀取器的特性很大程度上取決于具體應用，雖然有一些目標跨越應用界限。就像在大多數工程項目中成本很重要，這通常意味著盡量減少材料清單，盡量提高標簽制造商提供的附加價值，如開發工具、參考設計和軟件。 機械設計應該堅固耐用，并提供防破壞保護功能。還要注意系統所在地政府的頻率分配。系統很容易部署和操作也很重要，因為最終用戶不是技術人員。 近場通信 功耗也非常重要，尤其是在電池供電的應用，例如帶嵌入式近場通信(NFC)功能的智能手機中。雖然NFC是RFID技術的一個子集，但具有一些獨特的增強性能： 更短距離——NFC的工作距離特別短（<10cm），因此可以防止一些偶然或未授權的鏈路活動。加密則確保了更高的安全性。 直觀的鏈接過程——NFC對最終用戶要求極低。舉例來說，具有NFC功能的智能手機只需彼此或與NFC讀取器靠近或掃過一下就能啟動會話。 能夠與無源的RFID產品進行通信——NFC在自我供電設備之間的工作方式是傳統的方式。它也支持與非接觸式智能卡或RF應答器等無源設備的通信。 與藍牙和Wi-Fi的協作——除了與RFID技術是補充關系外，NFC還具有與使用藍牙和Wi-Fi無線網絡的設備進行通信的內置功能。因此，NFC在現有技術之間提供了多協議橋接。 據IMS Research公司預測，NFC應用將快速增長，而手機是背后的主要驅動力。隨著制造商在手機產品中將無線通信與支付技術作為事實上的標準，具有NFC功能的手機數量從2012年到2017年將增加10倍，達到12億部。今年交付的數量計劃將增加到2.68億部，在2012年的1.2億部基礎上增長123%。主要的NFC應用包括： * 娛樂門票、乘坐出租車或任何銷售點(POS)應用的支付；商店代金券也可以存儲在NFC手機中。 * 使用NFC智能手機實現安防大樓的身份驗證和門禁控制；還有電腦登錄、上鎖/解鎖車門等。 * 在智能手機、數碼相機和平板電腦等NFC產品之間進行點到點的數據傳送。 * 與藍牙或Wi-Fi建立通信鏈路實現數據傳送。 * 提供對數字信息的訪問，因為NFC設備將能夠從智能海報到NFC手機等產品讀取日程表；從智能海報下載地圖；在你的手機上記錄你停車的地方。 NFC技術基礎 NFC工作在13.56MHz頻率范圍，數據傳送速率從106kbit/s到424kbit/s。為了盡量提高其有用性，該技術后向兼容基于ISO/IEC 14443A和ISO/IEC 14443B的智能卡協議，以及索尼的FeliCa卡(JIS X 6319-4)。 為了實現兩個NFC設備之間的信息交換，業界開發了一種新的協議，并在ECMA-340和ISO/IEC 18092標準中對其進行了定義。NFC論壇開發了相關的規范，用于確保NFC產品的互操作性。 NFC有三種工作模式。在卡片模擬模式(無源模式)時，NFC設備像現有符合某個傳統標準的非接觸卡一樣工作。在讀/寫模式(有源模式)時，NFC設備是有源的，并讀取或寫入傳統的無源RFID標簽。在點對點模式中，兩個NFC設備交換信息。發起設備(輪詢設備)的功耗比讀/寫模式低，因為目標(監聽設備)使用自己的電源。 三種傳統模式中每種都有自己的傳送技術：NFC-A(后向兼容ISO/IEC 14443A)；NFC-B(后向兼容ISO/IEC 14443B)；NFC-F(后向兼容JIS X 6319-4)。為了支持傳統技術，NFC設備必須輪詢監聽設備(標簽)以確定使用哪種協議：NFC-A，NFC-B，或NFC-F(圖2)。
圖2：為了支持傳統技術，NFC設備必須使用這個輪詢順序輪詢監聽設備(標簽)以確定使用哪種協議(NFC-A、NFC-B或NFC-F)。 控制器芯片 在NFC系統設計中，控制器芯片扮演著重要角色。判斷使用哪種通信模式只是開始。在其它的典型MCU任務中，控制器必須監控收發器、電源管理和主機接口。NFC特定接口包括安全訪問模塊(SAM)接口、用戶身份模塊(SIM)接口和非接觸技術(CLESS)接口。 恩智浦的PN544是一款帶嵌入式80C51內核的全功能NFC控制器，非常適合集成進手機。在讀取器一側，應用包括移動支付設備、交通與活動票務，以及對象交換(如vCard和數字版權)。TI的TRF7970ARHBT支持相同范圍的應用。 本文小結 雖然RFID應用通常不是高性能、高速設計，但由于不同標準、頻率選擇和最重要的應用需求，系統級存在大量的復雜性。每個新的設計都會帶來有關安全、范圍、信號方向、環境條件、功耗、內存要求和接口設計方面的決策。然而，一旦系統架構考慮成熟，主要由半導體公司推出的眾多設計工具和開發套件，就能為我們的項目提供一條通達成功的清晰路徑。 |
