在早上到達辦公室的那一刻為止，可能不知不覺間已經(jīng)使用了4次射頻標簽(RFID)，分別是：在插入車鑰匙、關閉發(fā)動機防盜鎖止系統(tǒng)電路之時;在開車經(jīng)過無人收費站自動付費之時;在使用手機支付早上的熱牛奶咖啡之時;在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(shù)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(yè)市場中，RFID提供了史無前例的機會，通過提供非常細致的數(shù)據(jù)以及使支付和記錄保留等服務實現(xiàn)自動化，可以提高工作效率并改善用戶體驗。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)市場正在快速增長，并有望得到加速發(fā)展。例如IDTechEx公司就預測，到2021年，無源RFID標簽數(shù)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，它隨頻率改變而變化。其可以采用許多種載波頻率，但主要是以下三種：低頻(LF)使用 125kHz至135kHz頻段，高頻(HF)工作在13.56MHz頻段，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列出了這三種主要RFID頻段的應用和讀取范圍。

表1：RFID頻段及應用

大多數(shù)RFID系統(tǒng)設計工作主要集中在讀取器系統(tǒng)上。讀取器的設計主要取決于半導體公司設計和制造的應答器(標簽)的應用和特性。一般來說，有兩種類型的標簽可以用來與讀取器通信：帶嵌入式電池的有源標簽，和不帶電池的無源標簽。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(fā)揮著重要作用。LF和HF RFID系統(tǒng)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(tǒng)中的讀取器天線會在一個被稱為近場的電磁區(qū)域中產(chǎn)生一個強大磁場(距天線最多約一個波長的距離)。這個磁場的強度足以喚醒標簽，并給它提供將身份數(shù)據(jù)傳送給讀取器所需的電能。電感耦合還可以通過相同的能量傳送機制用于向標簽寫入。圖1演示了電感耦合的概念。

圖1： 用于LF和HF系統(tǒng)(包括NFC)的電感耦合發(fā)生在近場區(qū)域內(nèi)

UHF RFID系統(tǒng)工作在距天線約兩個波長到無限遠的“遠場”，可以實現(xiàn)比LF和HF系統(tǒng)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后信號。

在實際應用中，標簽是針對特定應用設計的，在頻率、內(nèi)存容量、支持的標準和天線設計方面都有所不同。Texas Instruments的Tag-itTM HF-I Plus應答器 (595-RI-I03-112A-03) 在微小的矩形外形中提供了2kb的內(nèi)存，適合用于產(chǎn)品鑒定、資產(chǎn)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(nèi)存范圍的另一端，NXP公司的HITag? μ應答器 (771-HTMS1101FTBAF1) 集成了128kb的內(nèi)存。它是一種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(tǒng)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了應用界限。就像在大多數(shù)工程項目中成本很重要，這通常意味著要盡量減少所需材料，并盡量提高標簽制造商提供的附加價值，如開發(fā)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，另外還要注意系統(tǒng)所在地政府的頻率分配。系統(tǒng)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，尤其是對于電池供電的應用，例如帶嵌入式近場通信 (NFC) 功能的智能手機。雖然NFC是RFID技術的一個子集，但它具有一些獨特的增強性能：

更短距離 - NFC的讀取距離特別短 (<10 cm)，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。比如，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(chǎn)品進行通信 - NFC在自我供電設備之間的工作方式是傳統(tǒng)的方式。它還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協(xié)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(wǎng)絡的設備進行通信的內(nèi)置功能。因此，NFC在現(xiàn)有技術之間提供了多協(xié)議橋接。

據(jù)IMS Research公司預測，NFC應用將快速增長，而手機是背后的主要推動力。隨著制造商在手機產(chǎn)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(shù)量從2012年到2017年將增加10倍，達到12億部。今年的出貨量預計將增至2.68億臺，較2012年的1.2億臺增長123%。主要的NFC應用包括：

娛樂門票、乘坐出租車或任何POS機應用的支付;另外商店代金券也可以存儲在NFC手機中。

使用NFC智能手機實現(xiàn)大樓安防的身份驗證和門禁控制;另外還有電腦登錄、上鎖/解鎖車門等。

在智能手機、數(shù)碼相機和平板電腦等NFC產(chǎn)品之間進行點到點的數(shù)據(jù)傳送。

與藍牙或Wi-Fi建立通信鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

提供對數(shù)字信息的訪問，因為NFC設備將能夠把智能海報中的日程表讀取到NFC手機;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(shù)據(jù)傳送速率從106kb/s到424kb/s。為了盡量提高其實用性，該技術向后兼容基于ISO/IEC 14443 A和ISO/IEC 14443 B的智能卡協(xié)議，以及索尼的FeliCa?卡 (JIS X 6319-4)。

為了實現(xiàn)兩個NFC設備之間的信息交換，業(yè)界開發(fā)了一種新的協(xié)議，并在ECMA-340和ISO/IEC 18092標準中對其進行了定義。NFC論壇開發(fā)了相關的規(guī)范，用于確保NFC產(chǎn)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)下，NFC設備像現(xiàn)有符合某個傳統(tǒng)標準的非接觸卡一樣工作。

在讀/寫模式(有源模式)下，NFC設備是有源的，并讀取或?qū)懭雮鹘y(tǒng)的無源RFID標簽。

在點對點模式下，兩個NFC設備交換信息。發(fā)起設備(輪詢設備)的功耗比讀/寫模式下低，因為目標(監(jiān)聽設備)使用自己的電源。

三種傳統(tǒng)模式中的每一種都有自己的傳送技術：NFC-A(向后兼容ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(向后兼容ISO/IEC 14443 B)和NFC-F(向后兼容JIS X 6319-4)。

為了支持傳統(tǒng)技術，NFC設備必須輪詢監(jiān)聽設備(標簽)以確定使用哪種協(xié)議：NFC-A、NFC-B或NFC-F。圖2展示了輪詢序列的主要流程。

圖2：決定NFC通信協(xié)議的輪詢流程

在NFC系統(tǒng)設計中，控制器芯片扮演著重要角色。決定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(jiān)控收發(fā)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。

NXP PN544 (771-PN5441A2EC20501) 是一款功能齊全的NFC控制器，具有嵌入式80C51內(nèi)核，適合集成到移動電話中。閱讀器端的應用包括移動支付設備、交通和活動票務以及對象交換(例如電子名片和數(shù)字權利)。Texas Instruments的TRF7970ARHBT (595-TRF7970ARHBT) 支持相同的應用范圍。

結論

雖然RFID應用通常不是高性能、高速設計，但由于涉及不同標準、頻率選擇以及最重要的應用要求，所以整個系統(tǒng)的復雜度非常高。每個新的設計都會帶來有關安全、范圍、 信號方向、環(huán)境條件、功耗、內(nèi)存要求和接口設計方面的決策。不過，一旦系統(tǒng)架構考慮成熟，主要由半導體公司提供的眾多設計工具和開發(fā)套件，就能幫助我們的項目走向成功。